工业无线网络工程设计探讨

方原柏

（昆明有色冶金设计研究院，昆明650051）

国际自动化学会ISA（International Society of Automation）下属的ISA100工业无线委员会由终端用户和技术提供者组成。其提出的工业无线标准ISA100.11a于2009年4月24日通过，这是ISA100标准族中的第一个标准，2009年9月正式发布，并得到霍尼韦尔、横河、埃克森美孚、山武、GE等公司的支持，其中霍尼韦尔公司对工业无线技术的研究和应用投入最大。该公司早在2003年就在全球首先推出工业无线变送器——XYRTM5000无线压力变送器；2007年6月11日，该公司宣布工业无线网络解决方案——OneWireless正式发布；2008年7月2日，该公司宣布推出其工业无线网络解决方案OneWireless的更新版本，与稍后通过的ISA100.11a工业无线通信标准兼容；2010年6月推出OneWireless最新版本R200。其他厂家的产品中，包括2011年8月30日开幕的第22届多国仪器仪表展上的横河公司于2010年7月推出的EJX－B系列无线差压／压力变送器、YTA系列无线温度变送器、FYGW710一体型现场无线网关。因为其他公司的产品品种少、推出时间较短，所以笔者主要针对霍尼韦尔OneWireless系统的设备构成、特点，并就该系统的工程设计做了初步探讨。

1 OneWireless工业无线网络的设备构成

OneWireless无线主干网络的设备构成包括很多方案，其中最常见的是由无线现场设备（如无线变送器）、无线网关（如多功能节点）、无线管理平台组成的系统，如图1所示。

无线变送器是带无线通信功能的变送器；无线网关支持同无线变送器的无线通信，并构建一个通信速度非常快的无线Mesh主干网络；无线管理平台管理无线现场设备和无线网络，并实现与应用主机的通信。

图1 OneWireless工业无线网络的设备构成

1.1 无线现场设备

霍尼韦尔公司推出的无线现场设备的品种有两类：支持ISA100.11a工业无线现场设备；支持802.11Wi－Fi无线设备。支持ISA100.11a工业无线现场设备包括无线压力变送器（绝压、表压、差压），无线温度变送器，无线腐蚀测量变送器，无线开关量输入变送器，无线开关量输出变送器，无线模拟量输入变送器，无线多输入组合变送器，无线雷达液位计，无线阀门回讯变送器（定位器），HART信号的无线转接模块。支持802.11Wi－Fi无线现场设备包括无线设备振动（健康状态）监测变送器、无线读表器、无线视频、移动工作站、无线巡检、可燃气体检测。

上述品种中有的还可细分，如无线温度变送器有自带或不带测温探头的（带探头的又分热电偶（TC）或热电阻的，还分法兰接头、套管或无外套的）；无线模拟量输入变送器有单点和多点之分（多点又有3个AI或1个AI＋2个TC，DI的组合）；无线开关量输入变送器分为3点DI或2DI＋1TC；无线开关量输出变送器分为3DO或1DO＋2AI（或2TC，或2DI）；无线多输入组合变送器有2个型号，并可组态为AI，DI，DO，TC的组合。

现场无线仪表可以安装在危险环境中，如Class 1Division 1区域，符合本安（除电池外）和隔爆认证，防护等级不低于IP66。

上述无线现场设备中，有少数因耗电量大需现场提供电源。如无线雷达液位计需要65／240V（AC）或24～64V（DC）电源；无线设备振动监测变送器可用电池供电，也可以由外部提供10～30V（DC）电源。现场无线仪表的刷新速度可以设定为1s，5s，10s，30s，未来可以达到0.25s。现场无线仪表通过组态可执行或不执行路由功能。

1.2 无线网关

OneWireless网络的设计具有非常灵活的扩展性，既可以是单一的无线变送器网络，也可以是支持全厂多种无线应用的、全面的工厂级无线网络。2010年6月推出的R200OneWireless网络最新版本，支持用户在其相关设施的不同区域设计具有各种无线覆盖能力的无线网络。如仅针对无线现场仪表的无线网络架构，可选择无线变送器本身的路由功能，由现场设备接入点实现；也可以同时支持无线现场仪表、多种无线应用、有线设备无线转接、有线网络无线互联等多种功能的无线网络架构，由多功能节点（Multinode）实现。一个无线网络可以有多个网关，网关之间支持无线通信。

1.2.1 多功能节点

一个或多个多功能节点构建无线Mesh主干网络，无线现场设备可以自动选择与任何一个多功能节点进行无线通信。

Mesh主干网络支持多种应用，不仅支持同ISA100.11a无线现场设备的无线通信，还支持802.11Wi－Fi无线设备如无线视频、Experion移动工作站、标签扫描仪、无线巡检、无线设备振动监测变送器、无线读表器、可燃气体检测的无线通信，同时支持现场Ethernet设备的无线转接，即现场的第三方设备可以直接有线接入多功能节点从而进入无线网络，或者配置无线转接模块，同多功能节点进行无线通信。

每个多功能节点都可同时作为网关或配置冗余网关与DCS，PLC进行数据集成，两个10／100Mbit／s以太网通信口可以同时接在一个交换机上，用于控制系统的通信：Modbus，TCP／IP，OPC，或用于多功能节点之间的有线互联，或用于转接Modbus，RTU，TCP／IP设备进入无线网络。

1.2.2 现场设备接入点

现场设备接入点FDAP（Field Device Access Point）仅支持ISA100.11a标准，设置路由功能的无线现场设备不仅可以无线传输本身的数据，也可以为相邻的无线现场设备提供无线路由，并最终通过现场设备接入点或多功能节点作为网关同有线控制网络连接，实现数据集成。现场设备接入点采用双天线结构设计，确保Mesh多路径通信环境时无线数据的可靠性。

1.3 无线管理平台

无线管理平台（WDM）管理所有的无线现场设备，如ISA100.11a无线变送器、现场设备接入点和多功能节点等无线网络设备。该平台承担无线现场设备网络网关、系统管理器以及安全管理器的角色，用于初始化无线设备的组态，并存储组态无线现场设备所需的无线网络系统数据；实现无线现场设备网络的安全管理，生成、发布和管理所有现场设备加入无线安全网络所需的安全密钥；提供Modbus，HART，OPC和专有协议等数据集成通信接口，实现无线网络数据同DCS的数据集成。

无线管理平台功能也可以内嵌在DCS的组态工具中，支持无线现场设备在DCS中的内嵌式数据集成；同第三方DCS的数据集成时，应配置单独的采用标准通信协议的无线管理平台。

2 OneWireless工业无线网络的特点

OneWireless与其他类型的工业无线技术相比具有如下特点：

a）一个无线平台支持多种应用，如过程参数的监控，安全视频监视，流动作业，移动设备的即时定位，管道腐蚀监测，设备状态诊断（如振动、转速、位移）等。

b）一个无线平台支持多种通信协议。可以支持HART，Profibus，FF，Modbus（Serial和TCP）以及OPC等多个协议。

c）无线网络连接的现场设备种类齐全，不仅有HART设备，还有4～20mA模拟设备，热电偶，热电阻，阀位，DI，DO，甚至还可以通过无线读表器连接就地显示圆形刻度盘的压力表、真空表、温度计，扩展了无线解决方案涉及的产品系列。

d）无线网络用于连接的现场设备参数除了常见的压力、流量、温度、物位外，还包括管道腐蚀监测，设备状态诊断（如振动、转速、位移）等特殊参数。

e）现场无线设备的刷新速度快，目前可以设定为1s，未来可以达到0.25s，从而为无线传输的参数用于闭环调节控制创造了条件。

f）传输距离远。一个网络的覆盖面积可以达到数十平方千米。

g）现场无线仪表电池的使用时间可以达到4.5a以上。

h）无线现场设备的路由功能选择提供了系统构成的灵活性。

i）扩展方便，规模可大可小。

j）支持移动设备如移动工作站、IntelaTrac PKS无线巡检设备等，以通过无线网络收集现场数据，执行资产智能管理。

k）通过XYR400E无线转接模块可以无线转接如下协议的第三方设备：RS－232，RS－485，Ethernet。第三方设备包括PLC，分析仪，照相机，报警盘等。

3 OneWireless工业无线网络系统工程设计

3.1 应用场合

a）适合采用工业无线网络的场所：测点分散，被铁路、河流、建筑物分割；危险区域；罐区储罐分散、无集中监控设备；现场移动作业的需要；系统布置要求更简洁、安全；改造项目时间紧迫。

b）采样刷新速度快，适用于要求采样刷新速度较快的工业无线网络。

c）过程工业为无线网络设定的参数标准共分0～5级，对应信息传输速度的重要性由高到低，即0级要求的信息传输速度最快。目前，OneWireless工业无线网络主要用于5级的记录和下载／上传参数、4级的报警参数、3级的开环控制参数及2级的紧急程度不高的闭环监督控制参数；而属于1级的紧急程度高的闭环调节控制参数和0级的涉及过程安全的紧急动作参数，为可靠起见，目前暂不采用该网络，而应以4～20mA，HART，FF现场总线等方式传输。

d）无线现场设备、无线网关均为本安认证，可用在本安设备上，防护等级不低于IP66，现场无线设备还带隔爆认证。

e）现场设备接入点可以与无线现场设备通信，而多功能节点既可以同无线现场设备通信，也可以支持无线视频、移动工作站、振动监测等多种无线通信，也支持有线接入PLC或其他以太网设备，进行无线转接。

3.2 无线网络的规模

a）一个无线网络最多可支持40个现场设备接入点／多功能节点，每个节点都可以作为网关有线接入上位机系统，实现数据集成。一个无线网络可以有多个现场设备接入点／多功能节点同时作为网关。

b）现场设备接入点／多功能节点作为网关时，每个都可以带100台无线现场设备（刷新速度1s），现场设备接入点／多功能节点不作为网关时可以支持20台无线现场设备（1s刷新速度时）或80台无线现场设备（大于1s刷新速度时）。

c）无线网络的规模至少可以支持多达800台无线现场设备（1s刷新速度时）或3 200台无线现场设备（大于1s刷新速度时）。

3.3 设计要点

a）接入OneWireless工业无线网络的输入信号类型及采用的无线现场设备见表1所列。

表1 接入WirelessHART的输入信号类型及采用的无线现场设备

b）无线现场设备有作为路由器或不作为路由器两种使用选择。当无线现场设备组态为不具有路由功能时，支持快速数据采集，可做到如1s的刷新采集和小于100ms的通信时间滞后；当数据采集速度要求不快时，无线现场设备可以组态为具有路由功能，一些不能直接与网关无线通信的无线现场设备可以借助其他无线现场设备的路由将信息传输到网关。

c）通常需要得到有关的现场设备配置图，然后标出所需安装的无线仪表位置。当无线现场设备组态为不具有路由功能时，现场设备接入点、多功能节点之间同无线现场设备之间的无线通信距离根据天线类型不同分为305m，610m，3km，两个现场设备接入点或多功能节点之间的通信距离为1km，采用高增益天线时为10km；当无线现场设备组态为具有路由功能时，两个无线现场设备之间的通信距离可达400m。

d）无线网关支持标准的通信协议，更支持同DCS的内嵌式数据集成。如与霍尼韦尔公司PKS Experion控制系统集成时，无线管理平台所有功能已经内嵌在DCS的组态工具中，不需要再接入无线管理平台。

e）作为控制应用的无线网络，网关必须冗余配置。

f）采用Modbus TCP／IP进行数据集成时，应配置即插即用的无线防火墙，确保网络安全。

g）现场设备接入点电源为直流24V交流，交流110／230V，多功能节点电源为直流24V，应由UPS供电。

3.4 安装要点

3.4.1 网 关

a）安装位置尽可能地有开阔的视野，便于与其他多功能节点构建Mesh无线主干网络以及与无线现场设备之间建立连接。

b）靠近DCS室或者装有有线接口的控制室。

c）防爆区域必须将网关置于防爆箱内。

d）易于提供交流220V电源。

e）网关可安装于抱杆上，高增益天线也必须安装在抱杆上，天线尽可能地装得高一些，但是必须在接闪杆的45°角保护范围内。

f）抱杆所用材质为镀锌钢管，直径为50mm左右，钢管壁厚不小于2mm；抱杆安装位置高出管架正上方或者就地机柜室外部墙体顶部1～2m，并距离墙壁等物体至少200mm；抱杆底部可焊接在管架或者钢板上，再用膨胀螺丝固定到楼顶，高度要求为2m，抱杆需良好接地。

g）从无线网关设备到上一级有线设备（交换机、路由器等）之间的网线不可以超过100m。

3.4.2 不作为网关的多功能节点及现场设备接入点

a）应满足3.4.1节中步骤c）～f）要求。

b）当无线现场设备组态为不具有路由功能时，安装位置尽可能有开阔的视野和该节点覆盖的所有无线现场设备的中心，以便于与网关或其他需要建立无线链接的多功能节点尽可能地保持可视；如果没有直达路径，非视距路径也可以通过反射或折射覆盖，但是覆盖范围将缩小，需要较多的站点才能满足要求。

c）当无线现场设备组态为具有路由功能时，多功能节点、现场设备接入点不要求与每台无线现场设备保持可视。

d）节点选择还应考虑干扰的影响。如果所选站点附近存在干扰，应该选择其他位置或者把干扰的影响限制在极限范围之内。

3.4.3 无线现场设备

a）当无线现场设备组态为不具有路由功能时，无线现场设备的天线应该尽可能地与所指定的多功能节点、现场设备接入点可视。

b）当组态为具有路由功能时，无线现场设备的天线应该能与其他至少3台相邻的无线现场设备可视。

c）全向天线保持竖直方向时的通信效果最佳；定向天线需要调准最佳的通信方向。

4 结束语

OneWireless系统在中国的应用已经有数十套，如中国石化和中国石油多家下属企业、重庆锦湖化工厂、广州珠江水泥厂、申能上海临港电厂燃气电站、中国EPC油库、中联煤层山西沁县气田、华东电力试验所等。其中中石化武汉800kt／a乙烯无线通信项目由237台无线现场设备、22台多功能节点（包括5台网关和5台冗余网关）及Experion Server内嵌无线管理平台组成。

目前工业无线通信技术相关标准的现状为三足鼎立。除中国国家标准化管理委员会提出的WIA－PA（Wireless Networks for Industrial Automation－Process Automation）工业过程自动化的无线网络规范外，OneWireless与WirelessHART是国外主流厂家推出的两个重要的工业无线通信技术标准。

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