使用操作员界面优化工业无线网络的性能

［关键词］：由于性能需求的增加，无线电射频（RF）环境的变化和物理环境的变化，无线网络的性能也随着时间变化。本文探究无线诊断过程控制的对象链接与嵌入（OPC）服务器技术把诊断信息嵌入人机界面（HMI），因此优化工业无线网络性能。

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［摘要］：

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来源：controlglobal

The performance of wireless networks can change over time due to increased performance demands, changes in the radio frequency (RF) environment and changes in the physical environment. This article will explore the use of a wireless diagnostic OLE for Process Control (OPC) server technology to embed diagnostic information in human machine interfaces (HMIs), thus optimizing industrial wireless network performance.

摘要

由于性能需求的增加，无线电射频（RF）环境的变化和物理环境的变化，无线网络的性能也随着时间变化。本文探究无线诊断过程控制的对象链接与嵌入（OPC）服务器技术把诊断信息嵌入人机界面（HMI），因此优化工业无线网络性能。

引言

无线通信在工厂和过程控制自动化系统中日益流行。该增长部分由于非常可靠的无线电频率技术的出现，有能力处理工业工厂中存在的极端条件。其他促使其增长的原因是无线实现的好处，包括降低安装成本、消除远程站点的电话线费用、降低移动平台的机械磨损（因此改进物料输送系统的性能），并为生产和维护人员提供无论何处需要的至关重要的信息。

接受降低成本和改进生产力的无线策略已经促使很多关键过程依赖无线。随着更多的系统依赖无线网络，包括在它们发生前探测网络降级和防止通信故障的智能诊断，这一点很重要。然而，大多数工厂都存在影响无线性能变化的条件。因此，良好的习惯做法是对RF网络进行持续监视，这样才能降低意外停机的几率。

不同工业无线制造商的诊断技术差别很大。有一些工业无线设备并没有任何诊断信息，因此接收正确或错误的数据。可以想象，当遇到问题时，解决故障是多么困难。为访问诊断信息，其他系统在通信必须停止的地方提供离线诊断。这些系统至少提供原因的一些提示，但是仅仅在故障发生后。

在线无线诊断提供无线性能和本地与远程的整个无线系统的硬件条件的持续诊断。这些工具不仅能探测故障，而且显示降级的条件。因为正在实时监视诊断方法，不需要为检查系统而停止通信。然而，没有免费的午餐！因为诊断数据和系统数据在相同的无线链接上传输，当激活诊断时，同时也降低了网络性能。在具有大量远程站点和数据传输的系统中，在线诊断是不现实的。

不同制造商和无线系统的在线访问诊断信息的方法是不同的。一些无线串行系统使用第二个串口，使用能从哑终端程序（例如，超级终端）访问的菜单接口进行通信。其他的在线诊断系统在PC连接到第二个串口或PC是以太网网络的一部分的地方使用私有软件程序，并使用其显示关于RF网络的重要信息。其他的系统仍有用于诊断信息的嵌入式网络服务器。使用网络浏览器显示诊断信息。在基于以太网的无线网络中，在以太网网络上的任何人都能潜在地查看本地和远程无线设备的诊断页面。

以前描述的方法缺乏直接把诊断状态和信息容易地集成到控制系统的能力。这对缺乏计算机技巧和技术能力的工厂操作员是非常繁重的。例如，期待废水厂的三班倒操作员理解供应商的诊断程序（或诊断网页）并诊断程序是不现实的。因此，在控制工程师能恰当嵌入诊断数据的地方进行远程RF诊断是非常必要的。

在常见方法中，简单网络管理协议（SNMP）是一个访问诊断信息的可能方法。SNMP是标准的诊断语言，主要开发用于信息技术设备的管理。SNMP提供一种管理和监视不同供应商制造的设备的诊断软件工具方法。现在一些工业设备具有支持SNMP的能力，而大多数工业软件程序并没有这种能力。因此基于SNMP的管理工具对工业无线系统是非常不现实的。

集成诊断

这促使我们考虑什么是在工业系统中集成无线诊断的最好方法。OPC可能是最好的方法，因为它是专门开发用于工业系统的软件数据交换标准，受到广泛的采用和支持。使用OPC作为RF诊断的基础提供任何兼容OPC的软件程序（例如，大多数主要的HMI和SCADA软件包）直接访问诊断信息。因为控制工程师精通使用这些程序开发项目，很容易在操作员界面中嵌入无线诊断数据，就像任何其他的标签数据点一样。

使用具有无线诊断功能的OPC服务器揭示了监视和优化无线网络的很多可能。为完全理解这种可能，检查通常监视的关键诊断方法是特别有用的。在RF系统中，使用预先确定的RF信道和认证程序在无线设备（有时称为无线访问点、网桥和客户端）之间建立链接。每个无线设备即传输也接收数据（但是不是同时）。当传输RF信号时，需要一定量的能量（用dBm度量）。当通过空气时，距离和前进路上的障碍物造成一定的损失。当远程站点的天线接收到信号时，信号必须强到能进行成功的数据传输才行。接收信号的强度用RSSI（接收信号强度指标）表示。

另一个非常重要的测量方法是信道中的噪声。接收的信号必须比解码信息波段中的噪声高。噪声的单位也是dBm。我们在本文的后面将讨论噪声及其原因。

另一个常见的测量方法是信噪比，它使用测量的信号强度（RSSI）和噪声计算。比率越高，系统运行越可靠。当交换数据包时，大多数工业无线设备都包括一个纠错算法从而确保成功地接收数据包，如果必要，再转发。诊断工具能报告成功传输的数据包数量和接收的坏包数量。这提供一种计算RF错误率的方法，它是另一种关键的方法。

诊断也能监视连接的节点（客户端）数量。该方法是令人感兴趣的，它能快速报告/报警链接是否故障，也报告连接的客户端的数量是否比期待的数量多，因此表示一个可能的安全威胁。监视连接的无线客户端身份（MAC地址），增加额外的安全，也是可能的。

最终，传输字节的数量是有用的测量方法，因为它显示无线链接的实际利用率。通过计算每秒传输的字节与无线技术的能力比较，监视带宽利用率。

无线诊断包括很多其他的属性，但是只考虑重要的属性。其他可以监视的属性包括环境条件（温度，供电电压）、用于探测天线、同轴电缆问题和信道频率漂移的电压驻波比（VSWR）。

常见无线诊断方法

运行基于OPC的诊断系统

既然我们理解了可用的监视方法，我们能探究怎样实施和运行基于OPC的无线诊断系统。首先，仅仅要求一个服务器采集诊断信息，注意到这一点非常重要。对以太网系统来说，无线诊断OPC服务器能在网络上任何地方存在。配置它们采集每个选择的无线设备指定的诊断数据。

因为服务器位于无线网络的一个特定位置，服务器从硬接线以太网上采集一些诊断数据，从无线网络上采集另外的数据。因此，如果链接故障，特定设备的诊断明显丢失。从总体上来说，良好的习惯做法是确定服务器安装在最少无线连接的地方去发送诊断数据，即使无线链接故障，关键的OPC客户端仍能访问服务器。图1说明了一个位于中心的OPC服务器怎样才能采集无线诊断信息并使之用于本地和远程网络的所有HMI客户端。对更复杂的网络来说，安装多台服务器具有重要的意义，从而能直接为更多客户端提供诊断信息。

图1 无线OPC服务器采集来自两个独立的RF网络的诊断数据。在逻辑网络上的任何HMI客户端都能访问这些诊断信息。

一旦安装完服务器，它会按程序轮询每个无线设备指定的诊断数据。轮询频率通常是可以配置的，快达100 ms，或慢达60 s。该设置依赖当前信息对应用的重要程度和无线网络拥挤的程度。更新时间越快，用于诊断的无线带宽就越大，应用就越忙。

服务器一般通过设备名（或其他用户名称）组织诊断数据，每种方法都是OPC客户端唯一的标签。大多数HMI和SCADA软件包都是兼容OPC的，并提供浏览OPC可用标签的方法。一旦客户端探测到标签，它们实际上都能用于控制工程师要求的任何方式。

在开发项目之前，考虑系统所有通信架构。最重要的链接在何处？如果链接故障，会发生什么？怎样才能在问题发生前防止它？

一旦理解网络架构，就要考虑每个用户的需要。生产人员可能不知道RSSI是什么意思，但是可以报告总监HMI启动无线链接是否故障。如果操作员是一个人时，HMI能建议联系何人（例如，负责无线链接的系统集成商（SI），或如果PLC出现问题，一打电话就到达的工程师。）。操作员也有知道无线链接是否正常工作的方法，因此如果发生系统问题时，没有通信故障。相反，工程经理 想在整个无线网络的监视屏幕上查看所有相关数据。越详细，越好，因为工程师能解释每个数据的意思。为每个用户的经验和知识定制HMI显示是非常重要的。

大多数HMI和SCADA软件包也支持报警和趋势功能。报警能通知操作员、维护经理或故障条件（例如，无线链接故障）的工程经理，或告诉他们通信是否降级以便他们按计划采取预防性的措施。报警也能远程发送（例如，通过以太网发送email，发送文本信息到手机），所以通知是即时的。

趋势功能对回顾性能历史和分析相关性是有用的。例如，传输的字节数量能按时间进行趋势从而发现吞吐量需求是否增加。

自动化设备（例如，PLC）访问其内部程序的OPC数据也是可能的。这揭示了当发生问题时，不仅通知操作员/经理，而且使PLC程序对此进行处理的可能。例如，如果无线链接失败，PLC能激活备用通信链接（例如，冗余无线连接）。在该例子中，系统将自动恢复而不需要任何人为干涉。

如你所见，当在OPC服务器中使之可用时，有很多使用RF诊断数据的方法。最好的使用依赖过程类型、无线怎样应用到系统中和用户需要。以下是一些应用案例：

应用1——废水泵站

废水厂使用无线SCADA网络连接几个远程泵站。水处理厂PLC根据流量测量值远程运行和停止泵。每个RF链接有几里远，因此抵达泵站需要很长时间。

系统集成人员已经决定按照以下方法使用基于OPC的无线诊断：

①链接故障的操作员界面通知；

②报警通知发送到工厂负责人；

③RSSI趋势监视基于标准的变化（例如，树型增长）。

操作员界面显示泵站和废水处理厂之间的RF链接状态。如果泵站没有起动（举个例子），操作员能快速断定链接是否故障。如果没有故障，则有其他问题，操作员能联系合适的人员或亲自抵达现场解决问题。

应用2——石油管线

石油分发系统在管线流量测量中使用无线SCADA网络，管线几里远，使用无线以太网中继器延长整个长度。SCADA网络通过PLC系统提供自动过程控制。当系统采集石油流量数据时，操作员可以监视报警和手动控制阀。

因为SCADA网络对管线运行非常重要，系统使用利用网状网络架构的冗余中继器。由于硬件故障或电冲击的破坏，中继器故障，通信丢失。

使用OPC标签、HMI显示和监视每个中继器站点之间的RF条件，系统能快速探测中继器站点是否故障或将要故障。如果发生故障，RF系统能自动自愈，通知操作员站点已经故障从而进行修理，重新建立RF网络冗余。控制系统意识到：如果通信丢失，RF冗余已经暂时不能准备安全停止。

应用3——汽车厂自动导向小车（AGV）系统

汽车装配厂使用AGV在装配线上传输装配件。每个AGV使用RF链接同步其运动，同时用系统其他部分进行加工。使用无线以太网系统EtherNet/IP把远程I/O连接到PLC系统。由于大量I/O和快速扫描速率，以太网数据通信非常高。无线网络提供高的数据吞吐量而且不丢数据包，这一点特别重要。

在该系统中，配置OPC诊断服务器采样RF条件每分钟仅仅一次，从而确保诊断数据采集在数据吞吐量上只有有限的影响。

除了监视RF网络的健康，操作员界面将监视每个访问点连接的客户端数量。如果数量低于期望的数量，离线刹车并产生报警。系统也向每个客户端报告数据速率。如果数据速率接近无线技术的能力，PLC在线激活替代链接，同时置位报警。由于不合适的流量（在网络上传输的数据不属于该过程）或程序的变化，工程人员能确定RF网络上的流量是否上升。