焊接生产监控常用的通信技术论文
1焊接生产监控常用的通信技术
1.1RS485串行总线
RS485是为了解决RS232无法高速长距离多点传输的局限性而提出的一种工业串行总线技术，它最大的特点就是采用平衡发送差分接收的方式进行信号的传输，所以在焊接生产监控中具有较好的抗干扰性能。如文献[4]设计了基于RS485串行通讯的焊机集散控制系统，监控中心可以将查询到的焊接规范参数传递至多台焊机，实现了对现场的远程实时监控。但是，由于RS485只能通过主机轮询的方式进行通讯，网络利用率低，实时性较差，并且当个别节点出现故障时会导致整个总线瘫痪，系统的可靠性不高。
1.2CAN总线
CAN总线是控制局域网技术的简称，其信号传输介质为双绞线，通信速率可达1MbPs，直接传输距离最远10km。CAN总线为多主方式工作，采用带优先级的CSMA/AC和非破坏仲裁技术，其报文为短帧结构，数据出错率极低，并且节点在错误严重的情况下可自动关闭输出，不会引起整个网络的瘫痪，因此，CAN总线具有较高的可靠性与实时性，能够出色地完成对焊接生产的实时监控。设计了采用CAN总线的数据通信系统，成功用于对多台焊机工作过程中电机运行参数的设置与监控；文献则提出4个CAN总线网络连接至同一个主监控中心的方案，解决了单个网络只可容纳110个站点的限制，实现了对多达256台电焊机的实时监控与集中管理。
1.3工业以太网
工业以太网是应用于工业自动化领域的以太网技术，采用IEEE802.3标准和TCP/IP技术作为其协议基础，信号通过屏蔽或非屏蔽双绞线以及光纤进行传输。工业以太网传输性能优良，速度可达1000Mbps，最远传输距离在1km以上，通过双向交换机还可以增加其站点数，非常适合于设备众多且较为分散的焊接生产车间。另外，工业以太网与Internet连接十分方便，这样使得在互联网或局域网内的任何授权用户均可监控焊接生产现场的数据，实现“管控一体化”，因此，工业以太网是焊接生产监控的一个重要发展方向。如文献[10]设计了基于焊接网络控制器的工业以太网组网方案，将不同通信协议的设备通过焊接网络控制器接入以太网，实现了通过网络设定焊接参数的控制方案。文献[11]则采用以太网设计了焊接设备网络控制系统，利用单片机控制系统结合嵌入式网关模块的方式，将电焊机接入以太网，实现了焊接生产网络化，并且能够对电焊机进行远程故障诊断和参数管理。在实时性方面，工业以太网使用的是不带优先级的CSMA/CD的介质访问控制方式，其本质上是非实时的，但通过采用星型网络结构、以太网交换技术以及全双工工作方式，完全可以使工业以太网的实时性满足焊接生产监控的要求。但是在可靠性方面，工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力是值得关注的问题，其对于环境恶劣的焊接生产现场适应性较差。另外，工业以太网还需额外电缆进行供电，这就给布线带来了一定的麻烦。
1.4ZigBee技术
Zigbee是一种低速、低功耗、低成本的无线网络通讯技术。基于IEEE802.15.4协议，ZigBee的传输速率仅为250kB/s，但具有强大的组网能力，能够提供如图1所示的三种组网方式：主从结构的星形网、由单个或多个星形网扩展而来的簇状网以及除了协调器之外的每一个设备既可作为终端收发数据，又可作为路由器实现路由功能的网状网。其中，簇状网与网状网属于多跳式路由通信，具有自组织和自愈功能，网络可靠性高，并且可以支持多达65000个节点和跨越较大的物理空间。因此，在焊接生产监控中，ZigBee能够方便有效地将焊接车间中的焊机与主监控中心组成结构化网络并相互通信。同时，为了减少环境干扰对网络传输的影响，ZigBee协议在物理层采用了直序扩频和频率快变技术，在MAC层建立了CSMA-CA，即载波监听多信道接入/避免冲突机制，并采用完整的握手协议来实现对物理信道的有效访问和数据的可靠传输。Zigbee技术已经在焊接监控领域得到了应用。如文献[15]通过Zigbee组建了焊机的群控系统，实现了生产车间焊机群与管理服务器的连接，方便管理人员对焊机进行实时监控、工艺管理、数据统计以及故障分析，同时，又省去了复杂的布线，节约了大量成本。
1.5Wifi技术
Wifi全称为WirelessFidelity，是一种基于IEEE802.11系列标准的无线局域网技术，传输速度为1～54Mb/s，但其站点与站点之间的有效传输距离只有70～100m。Wifi网络的基本组件则为基本服务集（BSS），它可以看作是一个覆盖区域，区域内的各个站可以互相通信，站在区域内能够自由移动。由BSS可以构成两种不同类型的.网络结构：独立基本服务集（IBSS）和扩展服务集（ESS）。IBSS是一个独立的BSS，覆盖范围有限；ESS由两个或多个BSS通过有线主干局域网互连而成，由AP提供无线网络与有线局域网的接口，这一网络结构不仅能满足大范围覆盖的需求，也方便通过Internet或企业局域网对设备进行远程监控。但是由于受到AP性能和工作频段信道数的限制，Wifi网络能够支持的可靠通信的站点数有限，在实际的焊接生产监控中，一般不超过60个。在可靠性方面，Wifi的理层除了提供直序扩频技术，还提供跳频扩频和红外技术，同时，MAC层同样采用了CSMA-CA机制，抗干扰能力也很高。文献[18]提出了利用Wifi将生产车间焊机接入企业内部局域网的方案，通过多客户端/服务器模式，实现多级管理人员同时监控焊机的工作情况，使焊接生产管理更加灵活与方便。
1.63G技术
3G（3rd-generation）即第三代通信网络，包括CDMA2000，W-CDMA和TDS-CDMA三个技术标准。与2.5G的GPRS网络相比，3G网络的带宽更高，可以达到384kbps～2Mbps，3G网络在保证高传输速率的同时，还具有稳定性强、实时性好、安全性高、网络覆盖区域广阔、能够全球漫游等特点。通过3G网络，企业管理层可了解遍布世界各地的设备运行状态，并能以手机作为终端，将数据通过流量的方式传送至手机，管理者无论身在何处，都能实时监控数据并管理工业现场。3G网络是现代工业化管理的一个重要的发展方向，但其使用受运营商信号覆盖范围限制，每台设备都要安装信息收发系统，并需要向网络供应商交纳使用费，提高了整个系统的组建费用和运行费用。
2常用通信技术的比较与分析
上述提到的在焊接监控领域中常用的数据通讯技术可以归为两类，即RS485串行总线、CAN总线、工业以太网组成的有线通讯技术和由ZigBee、Wifi以及3G技术组成的无线通讯技术。无线技术由于无需布线，所以方便建立和维护，且成本较低，在焊接生产监控中受到越来越多的重视，但是其可靠性与传输速度往往不如有线通讯技术。其中，ZigBee虽然传输速度最低，但是由于其组网方便、网络容量大以及传输覆盖范围广的特点，适合于设备数量多、分布广，但是传输数据量并不大的焊接生产监控的场合。Wifi传输速度比ZigBee快，但是其可靠通信距离太近且网络内可容纳的站点数太少，适合于设备数目较少，但是传输数据量较大的焊接生产监控，例如需要对焊机进行视频监控的场合。另外，3G技术目前应用也越来重点关注严栋等：焊接生产监控中的通信技术越广泛，但是依旧受到其成本和使用范围的限制。有线通讯技术中，CAN总线的可靠性和实时性最出色，但是通信速率无法和以太网相比，适合于对网络传输的吞吐量要求不高、但是对通讯响应要求严格的焊接生产监控。而工业以太网的优势正如上文所述，可以实现大数据量高速传输与共享，更适合于远程监控与对焊接生产数据的管理。RS485串行总线因为其单主从和主机轮询的工作模式带来的实时性与可靠性的问题，正成为其进一步发展的阻碍。
3焊接生产监控通讯网络设计对策
目前在焊接生产监控领域中常用的通信技术均有各自不同的优点与局限，它们各自适用的环境和场合均不同，因此，焊接车间焊接过程监控网络的建设和发展将遵循以下一些原则和方向：
（1）目前，由于企业的竞争压力越来越大，企业产品更新速度快，且小批量多品种，因此，企业生产线的建设越来越朝着柔性生产线建设的方向发展，各生产工位位置随时可能发生变化，企业生产现场铺设有线网络的方式越来越受到限制，保证所建立的监控网络一直能适应生产现场的发展，是所有企业建网时要考虑的问题。基于此原因，企业在建立网络时特别是现场监控网络时应该首选无线网络，以满足企业的发展需要，避免建设的重复投入。
（2）焊接生产环境通常都相当复杂，单独采用一种通信技术往往无法满足要求，这时可以采用两种或多种通信技术结合的方法，利用它们各自的优势来达到预期的效果。例如采用ZigBee和工业以太网结合的方法，既利用ZigBee无需布线、网络容量大的优势，又能通过工业以太网解决大数据量传输与远程监控的问题。这种对策在实际焊接车间组建监控与管理系统时有着广阔的应用空间。
（3）根据企业对现场监控的不同要求，采用不同的方案：对现场设备过程参数数据量要求小的可采用适合于低频的ZigBee网络，对要求高、数据量大的可采用Wifi以及3G技术组成的无线网络。
（4）对非常重要的工位，需要该工位的详细过程数据，全部通过网络实时传输的方式可能无法解决，将来的发展趋势可以采用网络和硬件存储相结合的方式加以解决。
4结论
对于焊接生产的实时监控正受到焊接工作者越来越多的重视，而网络通信技术在焊接生产监控中将发挥重要作用，由于目前常用的通信技术都有着各自不同的优势与局限，因此，它们适合的应用场合也不一样，将两种或两种以上的通信技术相结合或网络与硬件存储相结合，能更好的满足焊接生产监控的要求。
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