方原柏

（昆明有色冶金設(shè)計研究院，昆明650051）

國際自動化學(xué)會ISA（International Society of Automation）下屬的ISA100工業(yè)無線委員會由終端用戶和技術(shù)提供者組成。其提出的工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a于2009年4月24日通過，這是ISA100標(biāo)準(zhǔn)族中的第一個標(biāo)準(zhǔn)，2009年9月正式發(fā)布，并得到霍尼韋爾、橫河、?？松梨?、山武、GE等公司的支持，其中霍尼韋爾公司對工業(yè)無線技術(shù)的研究和應(yīng)用投入最大。該公司早在2003年就在全球首先推出工業(yè)無線變送器——XYRTM5000無線壓力變送器；2007年6月11日，該公司宣布工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)解決方案——OneWireless正式發(fā)布；2008年7月2日，該公司宣布推出其工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)解決方案OneWireless的更新版本，與稍后通過的ISA100.11a工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)兼容；2010年6月推出OneWireless最新版本R200。其他廠家的產(chǎn)品中，包括2011年8月30日開幕的第22屆多國儀器儀表展上的橫河公司于2010年7月推出的EJX－B系列無線差壓／壓力變送器、YTA系列無線溫度變送器、FYGW710一體型現(xiàn)場無線網(wǎng)關(guān)。因為其他公司的產(chǎn)品品種少、推出時間較短，所以筆者主要針對霍尼韋爾OneWireless系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、特點，并就該系統(tǒng)的工程設(shè)計做了初步探討。

1 OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成

OneWireless無線主干網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成包括很多方案，其中最常見的是由無線現(xiàn)場設(shè)備（如無線變送器）、無線網(wǎng)關(guān)（如多功能節(jié)點）、無線管理平臺組成的系統(tǒng)，如圖1所示。

無線變送器是帶無線通信功能的變送器；無線網(wǎng)關(guān)支持同無線變送器的無線通信，并構(gòu)建一個通信速度非?？斓臒o線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)；無線管理平臺管理無線現(xiàn)場設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)與應(yīng)用主機的通信。

圖1 OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備構(gòu)成

1.1 無線現(xiàn)場設(shè)備

霍尼韋爾公司推出的無線現(xiàn)場設(shè)備的品種有兩類：支持ISA100.11a工業(yè)無線現(xiàn)場設(shè)備；支持802.11Wi－Fi無線設(shè)備。支持ISA100.11a工業(yè)無線現(xiàn)場設(shè)備包括無線壓力變送器（絕壓、表壓、差壓），無線溫度變送器，無線腐蝕測量變送器，無線開關(guān)量輸入變送器，無線開關(guān)量輸出變送器，無線模擬量輸入變送器，無線多輸入組合變送器，無線雷達液位計，無線閥門回訊變送器（定位器），HART信號的無線轉(zhuǎn)接模塊。支持802.11Wi－Fi無線現(xiàn)場設(shè)備包括無線設(shè)備振動（健康狀態(tài)）監(jiān)測變送器、無線讀表器、無線視頻、移動工作站、無線巡檢、可燃氣體檢測。

上述品種中有的還可細分，如無線溫度變送器有自帶或不帶測溫探頭的（帶探頭的又分熱電偶（TC）或熱電阻的，還分法蘭接頭、套管或無外套的）；無線模擬量輸入變送器有單點和多點之分（多點又有3個AI或1個AI＋2個TC，DI的組合）；無線開關(guān)量輸入變送器分為3點DI或2DI＋1TC；無線開關(guān)量輸出變送器分為3DO或1DO＋2AI（或2TC，或2DI）；無線多輸入組合變送器有2個型號，并可組態(tài)為AI，DI，DO，TC的組合。

現(xiàn)場無線儀表可以安裝在危險環(huán)境中，如Class 1Division 1區(qū)域，符合本安（除電池外）和隔爆認證，防護等級不低于IP66。

上述無線現(xiàn)場設(shè)備中，有少數(shù)因耗電量大需現(xiàn)場提供電源。如無線雷達液位計需要65／240V（AC）或24～64V（DC）電源；無線設(shè)備振動監(jiān)測變送器可用電池供電，也可以由外部提供10～30V（DC）電源?，F(xiàn)場無線儀表的刷新速度可以設(shè)定為1s，5s，10s，30s，未來可以達到0.25s?，F(xiàn)場無線儀表通過組態(tài)可執(zhí)行或不執(zhí)行路由功能。

1.2 無線網(wǎng)關(guān)

OneWireless網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計具有非常靈活的擴展性，既可以是單一的無線變送器網(wǎng)絡(luò)，也可以是支持全廠多種無線應(yīng)用的、全面的工廠級無線網(wǎng)絡(luò)。2010年6月推出的R200OneWireless網(wǎng)絡(luò)最新版本，支持用戶在其相關(guān)設(shè)施的不同區(qū)域設(shè)計具有各種無線覆蓋能力的無線網(wǎng)絡(luò)。如僅針對無線現(xiàn)場儀表的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可選擇無線變送器本身的路由功能，由現(xiàn)場設(shè)備接入點實現(xiàn)；也可以同時支持無線現(xiàn)場儀表、多種無線應(yīng)用、有線設(shè)備無線轉(zhuǎn)接、有線網(wǎng)絡(luò)無線互聯(lián)等多種功能的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由多功能節(jié)點（Multinode）實現(xiàn)。一個無線網(wǎng)絡(luò)可以有多個網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)之間支持無線通信。

1.2.1 多功能節(jié)點

一個或多個多功能節(jié)點構(gòu)建無線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)，無線現(xiàn)場設(shè)備可以自動選擇與任何一個多功能節(jié)點進行無線通信。

Mesh主干網(wǎng)絡(luò)支持多種應(yīng)用，不僅支持同ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備的無線通信，還支持802.11Wi－Fi無線設(shè)備如無線視頻、Experion移動工作站、標(biāo)簽掃描儀、無線巡檢、無線設(shè)備振動監(jiān)測變送器、無線讀表器、可燃氣體檢測的無線通信，同時支持現(xiàn)場Ethernet設(shè)備的無線轉(zhuǎn)接，即現(xiàn)場的第三方設(shè)備可以直接有線接入多功能節(jié)點從而進入無線網(wǎng)絡(luò)，或者配置無線轉(zhuǎn)接模塊，同多功能節(jié)點進行無線通信。

每個多功能節(jié)點都可同時作為網(wǎng)關(guān)或配置冗余網(wǎng)關(guān)與DCS，PLC進行數(shù)據(jù)集成，兩個10／100Mbit／s以太網(wǎng)通信口可以同時接在一個交換機上，用于控制系統(tǒng)的通信：Modbus，TCP／IP，OPC，或用于多功能節(jié)點之間的有線互聯(lián)，或用于轉(zhuǎn)接Modbus，RTU，TCP／IP設(shè)備進入無線網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 現(xiàn)場設(shè)備接入點

現(xiàn)場設(shè)備接入點FDAP（Field Device Access Point）僅支持ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置路由功能的無線現(xiàn)場設(shè)備不僅可以無線傳輸本身的數(shù)據(jù)，也可以為相鄰的無線現(xiàn)場設(shè)備提供無線路由，并最終通過現(xiàn)場設(shè)備接入點或多功能節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)同有線控制網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成?，F(xiàn)場設(shè)備接入點采用雙天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保Mesh多路徑通信環(huán)境時無線數(shù)據(jù)的可靠性。

1.3 無線管理平臺

無線管理平臺（WDM）管理所有的無線現(xiàn)場設(shè)備，如ISA100.11a無線變送器、現(xiàn)場設(shè)備接入點和多功能節(jié)點等無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該平臺承擔(dān)無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)管理器以及安全管理器的角色，用于初始化無線設(shè)備的組態(tài)，并存儲組態(tài)無線現(xiàn)場設(shè)備所需的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)；實現(xiàn)無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全管理，生成、發(fā)布和管理所有現(xiàn)場設(shè)備加入無線安全網(wǎng)絡(luò)所需的安全密鑰；提供Modbus，HART，OPC和專有協(xié)議等數(shù)據(jù)集成通信接口，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同DCS的數(shù)據(jù)集成。

無線管理平臺功能也可以內(nèi)嵌在DCS的組態(tài)工具中，支持無線現(xiàn)場設(shè)備在DCS中的內(nèi)嵌式數(shù)據(jù)集成；同第三方DCS的數(shù)據(jù)集成時，應(yīng)配置單獨的采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的無線管理平臺。

2 OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的特點

OneWireless與其他類型的工業(yè)無線技術(shù)相比具有如下特點：

a）一個無線平臺支持多種應(yīng)用，如過程參數(shù)的監(jiān)控，安全視頻監(jiān)視，流動作業(yè)，移動設(shè)備的即時定位，管道腐蝕監(jiān)測，設(shè)備狀態(tài)診斷（如振動、轉(zhuǎn)速、位移）等。

b）一個無線平臺支持多種通信協(xié)議。可以支持HART，Profibus，F(xiàn)F，Modbus（Serial和TCP）以及OPC等多個協(xié)議。

c）無線網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)場設(shè)備種類齊全，不僅有HART設(shè)備，還有4～20mA模擬設(shè)備，熱電偶，熱電阻，閥位，DI，DO，甚至還可以通過無線讀表器連接就地顯示圓形刻度盤的壓力表、真空表、溫度計，擴展了無線解決方案涉及的產(chǎn)品系列。

d）無線網(wǎng)絡(luò)用于連接的現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)除了常見的壓力、流量、溫度、物位外，還包括管道腐蝕監(jiān)測，設(shè)備狀態(tài)診斷（如振動、轉(zhuǎn)速、位移）等特殊參數(shù)。

e）現(xiàn)場無線設(shè)備的刷新速度快，目前可以設(shè)定為1s，未來可以達到0.25s，從而為無線傳輸?shù)膮?shù)用于閉環(huán)調(diào)節(jié)控制創(chuàng)造了條件。

f）傳輸距離遠。一個網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積可以達到數(shù)十平方千米。

g）現(xiàn)場無線儀表電池的使用時間可以達到4.5a以上。

h）無線現(xiàn)場設(shè)備的路由功能選擇提供了系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性。

i）擴展方便，規(guī)?？纱罂尚?。

j）支持移動設(shè)備如移動工作站、IntelaTrac PKS無線巡檢設(shè)備等，以通過無線網(wǎng)絡(luò)收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，執(zhí)行資產(chǎn)智能管理。

k）通過XYR400E無線轉(zhuǎn)接模塊可以無線轉(zhuǎn)接如下協(xié)議的第三方設(shè)備：RS－232，RS－485，Ethernet。第三方設(shè)備包括PLC，分析儀，照相機，報警盤等。

3 OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程設(shè)計

3.1 應(yīng)用場合

a）適合采用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的場所：測點分散，被鐵路、河流、建筑物分割；危險區(qū)域；罐區(qū)儲罐分散、無集中監(jiān)控設(shè)備；現(xiàn)場移動作業(yè)的需要；系統(tǒng)布置要求更簡潔、安全；改造項目時間緊迫。

b）采樣刷新速度快，適用于要求采樣刷新速度較快的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。

c）過程工業(yè)為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)共分0～5級，對應(yīng)信息傳輸速度的重要性由高到低，即0級要求的信息傳輸速度最快。目前，OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)主要用于5級的記錄和下載／上傳參數(shù)、4級的報警參數(shù)、3級的開環(huán)控制參數(shù)及2級的緊急程度不高的閉環(huán)監(jiān)督控制參數(shù)；而屬于1級的緊急程度高的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制參數(shù)和0級的涉及過程安全的緊急動作參數(shù)，為可靠起見，目前暫不采用該網(wǎng)絡(luò)，而應(yīng)以4～20mA，HART，F(xiàn)F現(xiàn)場總線等方式傳輸。

d）無線現(xiàn)場設(shè)備、無線網(wǎng)關(guān)均為本安認證，可用在本安設(shè)備上，防護等級不低于IP66，現(xiàn)場無線設(shè)備還帶隔爆認證。

e）現(xiàn)場設(shè)備接入點可以與無線現(xiàn)場設(shè)備通信，而多功能節(jié)點既可以同無線現(xiàn)場設(shè)備通信，也可以支持無線視頻、移動工作站、振動監(jiān)測等多種無線通信，也支持有線接入PLC或其他以太網(wǎng)設(shè)備，進行無線轉(zhuǎn)接。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模

a）一個無線網(wǎng)絡(luò)最多可支持40個現(xiàn)場設(shè)備接入點／多功能節(jié)點，每個節(jié)點都可以作為網(wǎng)關(guān)有線接入上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。一個無線網(wǎng)絡(luò)可以有多個現(xiàn)場設(shè)備接入點／多功能節(jié)點同時作為網(wǎng)關(guān)。

b）現(xiàn)場設(shè)備接入點／多功能節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)時，每個都可以帶100臺無線現(xiàn)場設(shè)備（刷新速度1s），現(xiàn)場設(shè)備接入點／多功能節(jié)點不作為網(wǎng)關(guān)時可以支持20臺無線現(xiàn)場設(shè)備（1s刷新速度時）或80臺無線現(xiàn)場設(shè)備（大于1s刷新速度時）。

c）無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模至少可以支持多達800臺無線現(xiàn)場設(shè)備（1s刷新速度時）或3 200臺無線現(xiàn)場設(shè)備（大于1s刷新速度時）。

3.3 設(shè)計要點

a）接入OneWireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的輸入信號類型及采用的無線現(xiàn)場設(shè)備見表1所列。

表1 接入WirelessHART的輸入信號類型及采用的無線現(xiàn)場設(shè)備

b）無線現(xiàn)場設(shè)備有作為路由器或不作為路由器兩種使用選擇。當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)為不具有路由功能時，支持快速數(shù)據(jù)采集，可做到如1s的刷新采集和小于100ms的通信時間滯后；當(dāng)數(shù)據(jù)采集速度要求不快時，無線現(xiàn)場設(shè)備可以組態(tài)為具有路由功能，一些不能直接與網(wǎng)關(guān)無線通信的無線現(xiàn)場設(shè)備可以借助其他無線現(xiàn)場設(shè)備的路由將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。

c）通常需要得到有關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備配置圖，然后標(biāo)出所需安裝的無線儀表位置。當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)為不具有路由功能時，現(xiàn)場設(shè)備接入點、多功能節(jié)點之間同無線現(xiàn)場設(shè)備之間的無線通信距離根據(jù)天線類型不同分為305m，610m，3km，兩個現(xiàn)場設(shè)備接入點或多功能節(jié)點之間的通信距離為1km，采用高增益天線時為10km；當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)為具有路由功能時，兩個無線現(xiàn)場設(shè)備之間的通信距離可達400m。

d）無線網(wǎng)關(guān)支持標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，更支持同DCS的內(nèi)嵌式數(shù)據(jù)集成。如與霍尼韋爾公司PKS Experion控制系統(tǒng)集成時，無線管理平臺所有功能已經(jīng)內(nèi)嵌在DCS的組態(tài)工具中，不需要再接入無線管理平臺。

e）作為控制應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)必須冗余配置。

f）采用Modbus TCP／IP進行數(shù)據(jù)集成時，應(yīng)配置即插即用的無線防火墻，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

g）現(xiàn)場設(shè)備接入點電源為直流24V交流，交流110／230V，多功能節(jié)點電源為直流24V，應(yīng)由UPS供電。

3.4 安裝要點

3.4.1 網(wǎng) 關(guān)

a）安裝位置盡可能地有開闊的視野，便于與其他多功能節(jié)點構(gòu)建Mesh無線主干網(wǎng)絡(luò)以及與無線現(xiàn)場設(shè)備之間建立連接。

b）靠近DCS室或者裝有有線接口的控制室。

c）防爆區(qū)域必須將網(wǎng)關(guān)置于防爆箱內(nèi)。

d）易于提供交流220V電源。

e）網(wǎng)關(guān)可安裝于抱桿上，高增益天線也必須安裝在抱桿上，天線盡可能地裝得高一些，但是必須在接閃桿的45°角保護范圍內(nèi)。

f）抱桿所用材質(zhì)為鍍鋅鋼管，直徑為50mm左右，鋼管壁厚不小于2mm；抱桿安裝位置高出管架正上方或者就地機柜室外部墻體頂部1～2m，并距離墻壁等物體至少200mm；抱桿底部可焊接在管架或者鋼板上，再用膨脹螺絲固定到樓頂，高度要求為2m，抱桿需良好接地。

g）從無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備到上一級有線設(shè)備（交換機、路由器等）之間的網(wǎng)線不可以超過100m。

3.4.2 不作為網(wǎng)關(guān)的多功能節(jié)點及現(xiàn)場設(shè)備接入點

a）應(yīng)滿足3.4.1節(jié)中步驟c）～f）要求。

b）當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)為不具有路由功能時，安裝位置盡可能有開闊的視野和該節(jié)點覆蓋的所有無線現(xiàn)場設(shè)備的中心，以便于與網(wǎng)關(guān)或其他需要建立無線鏈接的多功能節(jié)點盡可能地保持可視；如果沒有直達路徑，非視距路徑也可以通過反射或折射覆蓋，但是覆蓋范圍將縮小，需要較多的站點才能滿足要求。

c）當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)為具有路由功能時，多功能節(jié)點、現(xiàn)場設(shè)備接入點不要求與每臺無線現(xiàn)場設(shè)備保持可視。

d）節(jié)點選擇還應(yīng)考慮干擾的影響。如果所選站點附近存在干擾，應(yīng)該選擇其他位置或者把干擾的影響限制在極限范圍之內(nèi)。

3.4.3 無線現(xiàn)場設(shè)備

a）當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)為不具有路由功能時，無線現(xiàn)場設(shè)備的天線應(yīng)該盡可能地與所指定的多功能節(jié)點、現(xiàn)場設(shè)備接入點可視。

b）當(dāng)組態(tài)為具有路由功能時，無線現(xiàn)場設(shè)備的天線應(yīng)該能與其他至少3臺相鄰的無線現(xiàn)場設(shè)備可視。

c）全向天線保持豎直方向時的通信效果最佳；定向天線需要調(diào)準(zhǔn)最佳的通信方向。

4 結(jié)束語

OneWireless系統(tǒng)在中國的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十套，如中國石化和中國石油多家下屬企業(yè)、重慶錦湖化工廠、廣州珠江水泥廠、申能上海臨港電廠燃氣電站、中國EPC油庫、中聯(lián)煤層山西沁縣氣田、華東電力試驗所等。其中中石化武漢800kt／a乙烯無線通信項目由237臺無線現(xiàn)場設(shè)備、22臺多功能節(jié)點（包括5臺網(wǎng)關(guān)和5臺冗余網(wǎng)關(guān)）及Experion Server內(nèi)嵌無線管理平臺組成。

目前工業(yè)無線通信技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀為三足鼎立。除中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會提出的WIA－PA（Wireless Networks for Industrial Automation－Process Automation）工業(yè)過程自動化的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范外，OneWireless與WirelessHART是國外主流廠家推出的兩個重要的工業(yè)無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 王平，王泉，王恒，等.工業(yè)無線技術(shù)ISA100.11a的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國儀器儀表，2009（10）：59－63.

［2］ 胡伯琪.工業(yè)無線（無線變送器）在鎮(zhèn)海煉化8km乙烯運輸管線項目的應(yīng)用［J］.自動化博覽，2009（07）：47－51.

［3］ 胡正鈞，江天生.霍尼韋爾公司OneWireless工業(yè)無線方案：中石油西北銷售公司西固油庫工業(yè)無線解決方案［J］.自動化博覽，2010（06）：48－50.

［4］ 江天生.霍尼韋爾公司工業(yè)無線解決方案的網(wǎng)絡(luò)特點：支持多種無線應(yīng)用和多種通信協(xié)議的現(xiàn)場儀表［J］.自動化博覽，2010（02）：36－38.

［5］ 江天生.一個無線平臺支持多種應(yīng)用和多種通信協(xié)議的現(xiàn)場儀表［J］.中國儀器儀表，2009（04）：44－48.

［6］ 宋慧欣.工業(yè)無線，潛力無限［J］.自動化博覽，2011（03）：32－35.

［7］ MADANMOHAN R.無限你的無線［J］.Control Engineering ASIA，2011（01）：6－9.

［8］ 霍尼韋爾過程控制部.OneWireless（R200）工業(yè)無線介紹［J］.自動化博覽，2010（09）：52－53.

［9］ 林融.過程自動化技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用趨勢與戰(zhàn)略思考［J］.石油化工自動化，2011，47（04）：5－13.