摘要:无线通信越来越多地进入到自动控制领域。着重分析了目前港口机械中无线通信网络使用情况，并根据目前所流行的无线通信技术介绍了未来港口设备中无线网络的发展方向。
关键词:无线通信 港口 设备 应用
1 .引言
近年来，无线通信网络成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新增长点。而在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网络。特别是通过无线网络可以很方便地接人移动设备，例如在物流过程中装载和运输如采用无线网络，将大大提高工作人员的工作效率和精确性。上海港前几年就在生产系统中广泛地使用了无线网络，通过在桥吊、轮胎吊和集卡上安装无线设备，组建成强大的移动网络，强化了生产作业实时性，极大提升了装卸效率，经济效益不言而喻。随着无线技术的日益完善，现在逐步地进入了自控领域，用于工业控制的无线技术主要集中在无线局域网和无线短程网两个方向。目前，已经可以在起重机设备上看到了无线通信的应用，基本为现场总线和无线通信技术的结合形式。例如在BROMMA吊具上设置了蓝牙通信接口，可以使用带蓝牙功能的PDA或笔记本电脑直接观察甚至强制其吊具上各传感器的状态;上海浦东国际集装箱码头有限公司(外一期)2007年对小车拖令系统进行了改造，使用微波通信取代通信电缆，增强了设备抗风能力。
2 .港口设备上使用的无线通信网络
目前港口现场层使用的无线通信较多采用两种通信网络，分别为IEEE802.11(无线局域网WLAN)和IEE802.15.1(蓝牙)。其中IEEE802.11(WLAN)适应较大传输覆盖面和较大信息传输量，IEE802.15.1(蓝牙)属于无线短程网。
2.1无线局域网
2.1.1无线局域网简介
传统意义上的局域网(LAN)，其各类设备被网络连线所禁锢，无法实现可移动的网络通信，随着可移动通信工具广泛应用，计算机网络面临着新的需求，无线局域网(WLAN)应运而生，它弥补了传统网络的不足，实现了可移动的数据交换。工业WLAN比一般企业办公和家庭应用环境用的WLAN要求高许多，可归纳如下:
1)严格的延迟要求:用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小，也是很重要的指标。
2)确定性'性能的保证:保证确定性是对任务执行有严格保证的工业通信系统必备的特性。即使设备处于漫游状态也有此要求，否则会丧失实时性能。
3)支持大量设备挂网，并容许挂网设备的接人数量可随机变化:工业WLAN接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入节点数有变化，有可能导致IEEE802.11的MAC协议层效率太低。
4)网络安全的保证:满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括防止黑客用户的侵入及对这些接入点的检测等。
5)网络投用的保证:由于运行故障是不可接受的，因此对于有几百个设备节点的WLAN来讲，要求网络具有自投用功能，并能执行无线配置和辅助节点位置的自动搜索。
2.1.2无线局域网在桥吊上的应用
上海浦东国际集装箱码头(外一期)的桥吊是采用传统的拖令小车带动拖令电缆的形式，向司机室提供动力和通讯信号，但其存在较多缺陷:
1)日常保养的工作量比较大，需定期检查和更换拖令小车的水平轮、弹性绳、拖令钢丝绳。
2)拖令电缆存在老化问题，易磨损和断裂，更换电缆成本较高，时间较长。
3)安全隐患，拖令小车系统始终处于高速运行状态，一旦有运行部件损坏的话，易造成高空坠物等安全事故。碰到大风等恶劣天气易发生勾电缆等较大的机损事故，给装卸作业带来较大影响。
考虑到上述问题，2007年上海浦东国际集装箱码头(外一期)决定对桥机拖令系统进行改造，引进新技术，采用微波传送控制信号及滑触线传送电动力的设计方式代替传统的拖令电缆系统。
外一期807桥吊采用了德国VAHIE公司的无线通讯产品SMG(Slotted Microwave Guide)数据传输系统，在小车及后大梁分别安装了一套内置PROFIBUS总线系统的收发器(Transceiver)，利用调频模块把数码序列讯号转变成微波讯号，进行数码序列数据的传送。安装在小车上的移动天线把微波讯号传送到小车上的收发器。微波讯号通过特殊设计的槽形中空铝型材(微波导管)在两端收发器之间进行传播，由于微波的传播被完完全全地放进了铝管道里面，因此能够极大地提高微波传播的抗干扰能力。VAHLE公司推出的无线Profibus-DP产品，可在主站与多个从站之间建立元线链接。其载频为2.4GHz，使用了直接序列扩频技术，数据包187.5kB，无线通信协议分别是:IEEE802.11b(数据传输率11Mbit)，IEEE802.11(数据传输率711Mbit)，IEEE802.15.1 (数据传输率700kbit)。可根据传输数据的需要选择不同硬件配置和通信协议。
此套系统的优点:
1)微波抗干扰能力强。
2)采用了无接触的信号传输形式，传输系统是免维护。
3)系统安装便捷，维修方便。
4)与现有的现场总线系统兼容。
5)外部环境对信号传输无影响。
2.2蓝牙
2.2.1蓝牙技术简介
所谓蓝牙技术，实际是一种短距离无线通信技术，能简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等通信终端设备之间的通信。由它构成的现场层网络属于短程网络。蓝牙技术特点:
1)全球适用:它工作在2.4G的ISM频段,使用该频段是免费的，无须申请许可证。
2)可建立临时性的对等连接。
3)具有很好的抗干扰能力，它采用了跳频方式来扩展频谱。
4)开放的接口标准。全世界任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发。
5)低成本，一个蓝牙解决方案只需5-10美元。
蓝牙系统的设计通信距离为0.1-10m，如果增加发射功率，这一距离可以达到100m。2.2.2蓝牙技术在港口使用情况
蓝牙由于受到通信距离和带宽(最大为1Mb/s)限制，在港口使用并不多见，只在BROM-MA吊具上安装了蓝牙接口。依靠较大的发射功率，在需要时可以在码头上通过手持带蓝牙功能的移动设备直接观察到吊具上的传感器工作状态，有利于判断吊具上的故障。
3 .发展趋势
今后几年用于现场设备层的元线短程网，采用的主流协议将会是问世不过四五年的IEEE802.15.4/ZigBee。
3.1 ZigBee简介
ZigBee这个字来源于蜜蜂群通过跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂发现的食物源的位置、距离和方向等信息咨讯，以达到彼此之间沟通的目的。ZigBee目前来说主要是为自动化控制数据传输而建立的，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，每一个无线数传网络模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内它们之间可以进行相互通信;每个网络节点的距离可以从标准的75m，到扩展后的几百m，甚至几千m;另外整个ZigBee网络还可以与现有的其他各种网络连接。
3.2 ZigBee与蓝牙的比较
在现场层无线网络中，同样属于元线短程网的IEE802.15.4/ZigBee要比IEE802.15.1/蓝牙具有更广泛的应用前景。主要基于以下原因:
1)ZigBee的应用开发门槛远低于蓝牙，其最复杂的网络协调器节点的软件开发工作量仅为蓝牙节点开发的10%，其最简单的RFD节点的软件开发工作量仅为蓝牙的2%;
2)ZigBee的功耗远低于蓝牙，这是因为就发射的频宽比来讲，ZigBee为0.01，蓝牙为0.99，即ZigBee发射时间只占其周期的1%，而蓝牙却占99%。在非工作模式下ZigBee处于睡眠模式，在工作与睡眠模式之间的转换时间，一般启动 时间为15ms;
3)ZigBee的网络节点容量远多于蓝牙;
4)每个ZigBee 基站 不到1000元人民币;
5)高安全，ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据，以及采用高级加密标准(AES一128)的对称密码。
总之ZigBee低功耗、低成本、传输可靠性高、简便实用等优越性，一定会被自控行业广泛使用。
3.3在港口设备使用的前景
在港口，设备上主要传递的是通用传感器、编码器信息，需要采集或监控的网点较多。并且随着技术的进步，愈来愈多的监控设备已被安装到生产设备上，例如门禁装置、火警报警装置、网络摄像装置、GPS定位装置和振动检测装置等，有线技术的不足之处也日益显现。许多新增装置只能单独使用，无法进一步发挥系统的作用。现在愈来愈多的基于ZigBee技术标准的网络传感器已被使用，愈来愈多的基于ZigBee技术标准的网络协议被开发，由此组建的网络系统特点如下:
1)传输准确可靠;
2)组网灵活、自动配置;
3)支持各类型的传感器和执行器;
4)双向传输数据和控制命令;
5)系统可靠，具有自动恢复功能，万一某节点丢失，节点将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠和稳定。如果港口设备采用了Zigbee技术，会因这些特点而受益匪浅。
顺便指出，低功耗、高可靠性的工业级的无线变送器系列，其降低能耗的潜在能力已为美国政府能源部所看好。他们希望利用无线网络技术广泛而实时地跟踪和监测生产过程，主要针对钢铁、电解铝等6个耗能大的行业，减少甚至杜绝跑冒滴漏，以获得显著的节能效果(能耗降低15%)
4 .结束语
无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。有人估计2010年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。由于无线现场仪表的优点一定要体现在用电池长期供电上，所以一般来说无线传输不适用于高速控制的场合。但是实践证明对大多数监控和慢速控制场合，它足够可靠，可以用在将近80%的自动化和过程控制场合。到时候将看到港口机械上会更多更广泛地使用元线传输的自动化产品和无线通信网络。