焊接生產監(jiān)控常用的通信技術
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1.1RS485串行總線
RS485是為了解決RS232無法高速長距離多點傳輸的局限性而提出的一種工業(yè)串行總線技術，它最大的特點就是采用平衡發(fā)送差分接收的方式進行信號的傳輸，所以在焊接生產監(jiān)控中具有較好的抗干擾性能。如文獻[4]設計了基于RS485串行通訊的焊機集散控制系統，監(jiān)控中心可以將查詢到的焊接規(guī)范參數傳遞至多臺焊機，實現了對現場的遠程實時監(jiān)控。但是，由于RS485只能通過主機輪詢的方式進行通訊，網絡利用率低，實時性較差，并且當個別節(jié)點出現故障時會導致整個總線癱瘓，系統的可靠性不高。
1.2CAN總線
CAN總線是控制局域網技術的簡稱，其信號傳輸介質為雙絞線，通信速率可達1MbPs，直接傳輸距離最遠10km。CAN總線為多主方式工作，采用帶優(yōu)先級的CSMA/AC和非破壞仲裁技術，其報文為短幀結構，數據出錯率極低，并且節(jié)點在錯誤嚴重的情況下可自動關閉輸出，不會引起整個網絡的癱瘓，因此，CAN總線具有較高的可靠性與實時性，能夠出色地完成對焊接生產的實時監(jiān)控。設計了采用CAN總線的數據通信系統，成功用于對多臺焊機工作過程中電機運行參數的設置與監(jiān)控；文獻則提出4個CAN總線網絡連接至同一個主監(jiān)控中心的方案，解決了單個網絡只可容納110個站點的限制，實現了對多達256臺電焊機的實時監(jiān)控與集中管理。
1.3工業(yè)以太網
工業(yè)以太網是應用于工業(yè)自動化領域的以太網技術，采用IEEE802.3標準和TCP/IP技術作為其協議基礎，信號通過屏蔽或非屏蔽雙絞線以及光纖進行傳輸。工業(yè)以太網傳輸性能優(yōu)良，速度可達1000Mbps，最遠傳輸距離在1km以上，通過雙向交換機還可以增加其站點數，非常適合于設備眾多且較為分散的焊接生產車間。另外，工業(yè)以太網與Internet連接十分方便，這樣使得在互聯網或局域網內的任何授權用戶均可監(jiān)控焊接生產現場的數據，實現“管控一體化”，因此，工業(yè)以太網是焊接生產監(jiān)控的一個重要發(fā)展方向。如文獻[10]設計了基于焊接網絡控制器的工業(yè)以太網組網方案，將不同通信協議的設備通過焊接網絡控制器接入以太網，實現了通過網絡設定焊接參數的控制方案。文獻[11]則采用以太網設計了焊接設備網絡控制系統，利用單片機控制系統結合嵌入式網關模塊的方式，將電焊機接入以太網，實現了焊接生產網絡化，并且能夠對電焊機進行遠程故障診斷和參數管理。在實時性方面，工業(yè)以太網使用的是不帶優(yōu)先級的CSMA/CD的介質訪問控制方式，其本質上是非實時的，但通過采用星型網絡結構、以太網交換技術以及全雙工工作方式，完全可以使工業(yè)以太網的實時性滿足焊接生產監(jiān)控的要求。但是在可靠性方面，工業(yè)以太網的魯棒性和抗干擾能力是值得關注的問題，其對于環(huán)境惡劣的焊接生產現場適應性較差。另外，工業(yè)以太網還需額外電纜進行供電，這就給布線帶來了一定的麻煩。
1.4ZigBee技術
Zigbee是一種低速、低功耗、低成本的無線網絡通訊技術。基于IEEE802.15.4協議，ZigBee的傳輸速率僅為250kB/s，但具有強大的組網能力，能夠提供如圖1所示的三種組網方式：主從結構的星形網、由單個或多個星形網擴展而來的簇狀網以及除了協調器之外的每一個設備既可作為終端收發(fā)數據，又可作為路由器實現路由功能的網狀網。其中，簇狀網與網狀網屬于多跳式路由通信，具有自組織和自愈功能，網絡可靠性高，并且可以支持多達65000個節(jié)點和跨越較大的物理空間。因此，在焊接生產監(jiān)控中，ZigBee能夠方便有效地將焊接車間中的焊機與主監(jiān)控中心組成結構化網絡并相互通信。同時，為了減少環(huán)境干擾對網絡傳輸的影響，ZigBee協議在物理層采用了直序擴頻和頻率快變技術，在MAC層建立了CSMA-CA，即載波監(jiān)聽多信道接入/避免沖突機制，并采用完整的握手協議來實現對物理信道的有效訪問和數據的可靠傳輸。Zigbee技術已經在焊接監(jiān)控領域得到了應用。如文獻[15]通過Zigbee組建了焊機的群控系統，實現了生產車間焊機群與管理服務器的連接，方便管理人員對焊機進行實時監(jiān)控、工藝管理、數據統計以及故障分析，同時，又省去了復雜的布線，節(jié)約了大量成本。
1.5Wifi技術
Wifi全稱為WirelessFidelity，是一種基于IEEE802.11系列標準的無線局域網技術，傳輸速度為1～54Mb/s，但其站點與站點之間的有效傳輸距離只有70～100m。Wifi網絡的基本組件則為基本服務集（BSS），它可以看作是一個覆蓋區(qū)域，區(qū)域內的各個站可以互相通信，站在區(qū)域內能夠自由移動。由BSS可以構成兩種不同類型的網絡結構：獨立基本服務集（IBSS）和擴展服務集（ESS）。IBSS是一個獨立的BSS，覆蓋范圍有限；ESS由兩個或多個BSS通過有線主干局域網互連而成，由AP提供無線網絡與有線局域網的接口，這一網絡結構不僅能滿足大范圍覆蓋的需求，也方便通過Internet或企業(yè)局域網對設備進行遠程監(jiān)控。但是由于受到AP性能和工作頻段信道數的限制，Wifi網絡能夠支持的可靠通信的站點數有限，在實際的焊接生產監(jiān)控中，一般不超過60個。在可靠性方面，Wifi的理層除了提供直序擴頻技術，還提供跳頻擴頻和紅外技術，同時，MAC層同樣采用了CSMA-CA機制，抗干擾能力也很高。文獻[18]提出了利用Wifi將生產車間焊機接入企業(yè)內部局域網的方案，通過多客戶端/服務器模式，實現多級管理人員同時監(jiān)控焊機的工作情況，使焊接生產管理更加靈活與方便。
1.63G技術
3G（3rd-generation）即第三代通信網絡，包括CDMA2000，W-CDMA和TDS-CDMA三個技術標準。與2.5G的GPRS網絡相比，3G網絡的帶寬更高，可以達到384kbps～2Mbps，3G網絡在保證高傳輸速率的同時，還具有穩(wěn)定性強、實時性好、安全性高、網絡覆蓋區(qū)域廣闊、能夠全球漫游等特點。通過3G網絡，企業(yè)管理層可了解遍布世界各地的設備運行狀態(tài)，并能以手機作為終端，將數據通過流量的方式傳送至手機，管理者無論身在何處，都能實時監(jiān)控數據并管理工業(yè)現場。3G網絡是現代工業(yè)化管理的一個重要的發(fā)展方向，但其使用受運營商信號覆蓋范圍限制，每臺設備都要安裝信息收發(fā)系統，并需要向網絡供應商交納使用費，提高了整個系統的組建費用和運行費用。
2常用通信技術的比較與分析
上述提到的在焊接監(jiān)控領域中常用的數據通訊技術可以歸為兩類，即RS485串行總線、CAN總線、工業(yè)以太網組成的有線通訊技術和由ZigBee、Wifi以及3G技術組成的無線通訊技術。無線技術由于無需布線，所以方便建立和維護，且成本較低，在焊接生產監(jiān)控中受到越來越多的重視，但是其可靠性與傳輸速度往往不如有線通訊技術。其中，ZigBee雖然傳輸速度最低，但是由于其組網方便、網絡容量大以及傳輸覆蓋范圍廣的特點，適合于設備數量多、分布廣，但是傳輸數據量并不大的焊接生產監(jiān)控的場合。Wifi傳輸速度比ZigBee快，但是其可靠通信距離太近且網絡內可容納的站點數太少，適合于設備數目較少，但是傳輸數據量較大的焊接生產監(jiān)控，例如需要對焊機進行視頻監(jiān)控的場合。另外，3G技術目前應用也越來重點關注嚴棟等：焊接生產監(jiān)控中的通信技術越廣泛，但是依舊受到其成本和使用范圍的限制。有線通訊技術中，CAN總線的可靠性和實時性最出色，但是通信速率無法和以太網相比，適合于對網絡傳輸的吞吐量要求不高、但是對通訊響應要求嚴格的焊接生產監(jiān)控。而工業(yè)以太網的優(yōu)勢正如上文所述，可以實現大數據量高速傳輸與共享，更適合于遠程監(jiān)控與對焊接生產數據的管理。RS485串行總線因為其單主從和主機輪詢的工作模式帶來的實時性與可靠性的問題，正成為其進一步發(fā)展的阻礙。
3焊接生產監(jiān)控通訊網絡設計對策
目前在焊接生產監(jiān)控領域中常用的通信技術均有各自不同的優(yōu)點與局限，它們各自適用的環(huán)境和場合均不同，因此，焊接車間焊接過程監(jiān)控網絡的建設和發(fā)展將遵循以下一些原則和方向：
（1）目前，由于企業(yè)的競爭壓力越來越大，企業(yè)產品更新速度快，且小批量多品種，因此，企業(yè)生產線的建設越來越朝著柔性生產線建設的方向發(fā)展，各生產工位位置隨時可能發(fā)生變化，企業(yè)生產現場鋪設有線網絡的方式越來越受到限制，保證所建立的監(jiān)控網絡一直能適應生產現場的發(fā)展，是所有企業(yè)建網時要考慮的問題?；诖嗽?，企業(yè)在建立網絡時特別是現場監(jiān)控網絡時應該首選無線網絡，以滿足企業(yè)的發(fā)展需要，避免建設的重復投入。
（2）焊接生產環(huán)境通常都相當復雜，單獨采用一種通信技術往往無法滿足要求，這時可以采用兩種或多種通信技術結合的方法，利用它們各自的優(yōu)勢來達到預期的效果。例如采用ZigBee和工業(yè)以太網結合的方法，既利用ZigBee無需布線、網絡容量大的優(yōu)勢，又能通過工業(yè)以太網解決大數據量傳輸與遠程監(jiān)控的問題。這種對策在實際焊接車間組建監(jiān)控與管理系統時有著廣闊的應用空間。
（3）根據企業(yè)對現場監(jiān)控的不同要求，采用不同的方案：對現場設備過程參數數據量要求小的可采用適合于低頻的ZigBee網絡，對要求高、數據量大的可采用Wifi以及3G技術組成的無線網絡。
（4）對非常重要的工位，需要該工位的詳細過程數據，全部通過網絡實時傳輸的方式可能無法解決，將來的發(fā)展趨勢可以采用網絡和硬件存儲相結合的方式加以解決。
4結論
對于焊接生產的實時監(jiān)控正受到焊接工作者越來越多的重視，而網絡通信技術在焊接生產監(jiān)控中將發(fā)揮重要作用，由于目前常用的通信技術都有著各自不同的優(yōu)勢與局限，因此，它們適合的應用場合也不一樣，將兩種或兩種以上的通信技術相結合或網絡與硬件存儲相結合，能更好的滿足焊接生產監(jiān)控的要求。
作者：嚴棟 韓二陽 鄭博 呂其兵 單位：西南交通大學
