工业无线技术在大型石油化工罐区自动化的应用

中国石化武汉分公司 王爱华

霍尼韦尔有限公司 杨建新

某大型石油化工企业在大型乙烯项目中配套三个罐区，设计阶段业主和设计单位对罐区的建设自动化和成本控制等课题进行详细调研和论证，考虑到传统罐区大量线缆布置，维护和扩展成本高等因素，本着资源节约和环境友好的建设方针，采用工业无线技术简洁的安装布置和易操作的调试、维护、扩展等独特优势提升罐区自动化水平，节省建设投资成本。下面详细介绍这个案例。

1 工业无线技术标准ISA100.11a简述

ISA100.11a工业无线技术标准由国际自动化学会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定， 是开放的、面向多种工业应用的标准。主要特征包括:提供过程工业自动应用服务；使用隧道和映射技术，ISA100.11a能简单地通过无线介质传输各种应用协议；主干网路由机制通过高效的主干网传递数据信息，减少数据无线传输的跳数，网络规模较大时优势明显；灵活的时隙长度和超帧长度等。

ISA100.11a标准将各种传感器以无线方式集成到工业领域应用中，是工业传感器和执行器网络的多功能标准，为工业应用提供可靠安全的方案。ISA100.11a标准协议采用五层网络体系结构，包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层等，如图1所示。

图1 ISA100.11a标准协议体系结构

（1）应用层(Application Layer, AL)

应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器进程。用户应用进程是一个设备内的所有应用对象的总和。在ISA100.11a网络中，一个设备只能通过应用子层(ASL)提供的数据服务访问点与其它设备进行通信。应用子层不包含任何用户应用，只提供用户应用进程和设备管理进程各种服务，ISA100.11a中有7种服务，分别为读、写、发布、执行、隧道、报警和报警接收等。

（2）传输层(Transport Layer, TL)

传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析，传输层的安全和信息库的管理。传输层支持UDP协议，实现设备与其他网络的统一编址和网络的互通，支持IPv6。

（3）网络层(Network Layer, NL)

网络层负责选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息源站点和目的站点地址的网络地址。由寻址、路由、分段与重组、管理服务等功能模块构成，主要负责实现面向工业应用的端到端的可靠通讯。

（4）数据链路层(Data Link Layer, DLL)

数据链路层包括IEEE 802.15.4的MAC子层、 ISA100.11a的MAC扩展层和数据链路层上层。IEEE 802.15.4的MAC子层通过数据服务访问点(MLDESAP)和管理服务访问点(MLMESAP)给ISA100.11a的MAC扩展层提供了服务接口。ISA100.11a的MAC扩展层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点的重传机制，TDMA和CSMA信道访问机制，在两个对等的ISA100.11a的MAC扩展层实体之间提供一个可靠的通信链路。数据链路子层(DLL) 通过数据服务访问点 (DLDESAP) 给网络层提供服务接口，通过管理服务访问点 (DLMESAP) 给系统管理器或设备管理应用进程提供服务接口。DLL子层主要负责DLL帧头的装载和解析、DLL层的安全、ISA100.11a DL子网内的路由、邻居发现及ISA100.11a的MAC扩展层的时间同步、跳信道和通信调度能够正常工作。

（5）物理层(Physical Layer, PHY)

物理层通过物理层数据服务访问点(PLDESAP)和物理层管理服务访问点(PLMESAP)给IEEE 802.15.4的MAC子层提供了服务接口。物理层主要功能有激活和休眠射频收发器，发射功率控制，信道能量检测(ED)，检测接受数据包的链路质量指示(Link Quality Indication, LQI)，空闲信道评估(Clear Channel Assessment, CCA)和收发数据。

每一层定义了两种服务实体：数据服务实体(Data Entity, DE)和管理服务实体(Management Entity, ME),DE用于为上层提供数据传输服务，ME用于提供管理服务，相应地有两种服务访问点(Service Access Point, SAP)，分别是数据服务实体访问点(DESAP)和管理服务实体访问点(MESAP)。上层通过DESAP使用下层提供的数据传输服务，定义一个具有管理功能的实体设备管理应用进程 (Device Management Application Process, DMAP) 来统一地访问各层的MESAP，从而对协议栈各层进行管理和配置；系统管理器下发的管理信息都通过设备的DMAP对本设备的每一层进行管理和配置；在一个设备中，DMAP会设置一个专门的通道通向较低的协议层，对这些层的操作提供直接的控制，并且能对诊断和状态信息提供直接的接口。

ISA100.11a支持多种网络拓扑，如星型拓扑、网状拓扑等。星型网络拓扑结构，容易实现，实时性高。网状结构拓扑结构灵活，便于配置和扩展，同时具备良好的稳定性。为了扩大网络覆盖面积，在ISA100.11a网络结构中引入了主干网，主干网是一个高速网络，可以减小数据时延。所有现场设备通过主干路由器接入主干网，现场设备和主干路由器组成的网络为ISA100.11a DL子网。

2 基于ISA100.11a标准的无线技术解决方案

工业无线标准ISA100.11a所构建的无线网络架由5个单元组成：

（1）无线管理平台

无线管理平台是用户和工程师与ISA100.11a系统交互的平台，包括安全管理平台和系统管理平台。安全管理平台支持授权设备，对即将加入工业无线传感器网络的无线设备进行物理授权；同时管理每个设备的主要安全密钥并为每个密钥制定安全策略。系统管理平台管理包括设备和通信在内的工业用无线传感器网络。根据策略控制网络的运行组态，监控和报告通信组态、性能和运行状态，并提供与时间相关的服务。

（2）无线网关(Gateway)

无线网关提供无线管理平台和网络的接口，也是无线网络与工厂网络或工厂网络的终端应用之间的接口。一个ISA100.11a网络系统中可存在有多个网关。无线网关用于该标准与其他通信标准之间的通信转换，充当ISA-10011a与其他协议（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的转换器。

（3）无线主干网络设备

无线主干网络设备也称作多功能节点，是ISA100.11a主干网络的基础设施，负责主干网中的数据路由，相互无线通讯，构建无线主干网络，并支持同现场无线仪表的无线通讯。主干网络设备的传输协议数据单元，支持主干网络传输本地内嵌式的ISA100.11a协议。主干网是一个数据网络，包括工业以太网、基于IEEE 802.11的无线网状网络、Wi-MAX网络等。

（4）现场无线设备

现场无线设备分为无线I/O设备和无线路由设备两种。无线I/O设备是安装在现场的数据输入或输出的现场仪表，包括无线压力变送器、无线温度变送器、无线雷达液位计和无线腐蚀变送器等。无线路由设备具有路由功能，可从其他ISA100.11a I/O 设备接收到数据，并无线路由到其它ISA100.11a设备，扩展网络通讯范围，实现无线通讯路径冗余设计。无线路由设备也可以是无线I/O设备，可以自己采集过程数据，并无线传输，而且同时可为其他I/O设备进行路由。现场路由器除了具有传感器/执行器外，还具有路由功能，可在ISA100.11a DLL子网内，路由终端节点设备的数据。

（5）便携式组态工具

便携式组态工具用于组态配置ISA100.11a无线设备，即物理授权，将所需的组态数据（包括安全密钥）输入无线设备使其可加入到无线网络。便携式设备是访问ISA100.11a系统的设备，用于现场维护与配置设备。其典型网络架构如图2所示。

图2 基于ISA100.11a标准的典型网络架构

霍尼韦尔公司One Wireless无线解决方案符合开放的ISA100工业无线标准，是一个多功能的工业无线网络，由多功能节点构建一个快速通讯的无线MESH主干网络，现场无线变送器可自动选择与任何一个多功能节点进行无线通讯，整个无线网络自组织自愈合。支持多种无线应用，包括无线变送器（如温度、压力、阀位、雷达液位计等）、WiFi设备、移动工作站、烟气探测等；支持多种通讯协议，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

3 大型石油化工罐区自动化无线技术应用

3.1 无线技术解决方案

某大型石油化工罐区自动化无线仪表系统由原料罐区、中间罐区和产品罐区3个区域组成，包括温度和压力共276测点。在3个罐区安装共21台多功能节点和7对冗余网关，构建快速通讯的三个无线MESH主干网络。

（1）在原料罐区现场设置7台多功能节点和现场机柜间内的2对冗余网关共11台主干网路由设备构建无线MESH主干网络，覆盖原料罐区的67台无线压力变送器和22台无线温度变送器；

（2）在中间罐区现场设置6台多功能节点和现场机柜间顶上2对冗余网关共10台主干网路由设备构建无线MESH主干网络，覆盖中间罐区的33台无线压力变送器和38台无线温度变送器；

（3）在产品罐区现场设置8台多功能节点和现场机柜间顶上3对冗余网关共14台主干网路由设备构建无线MESH主干网络，覆盖产品罐区的75台无线压力变送器和45台无线温度变送器。

无线压力变送器和无线温度变送器自主选择多功能节点进行无线通讯，所有无线变送器只需1跳Hop即可连接到快速通讯的无线MESH主干网络，路由选择优化机制使其能够始终采用与周边多功能节点中最优的路径进行数据传输，自组织和自愈合的网络特性使其能够有效的避免故障以及提高快速恢复能力，无线变送器的刷新速度根据工艺要求灵活设置，譬如泵出口压力变送器均设定为1秒，罐顶的压力变送器设定为10秒，无线温度变送器设定为30秒等。

三个罐区的无线仪表系统分别独立，由各自的无线工作站管理无线网络的通讯和安全，由各自的无线工作站对无线网关、多功能节点和无线变送器等无线设备进行远程在线组态和诊断。各个罐区的无线网关连接到各个现场机柜间独立的无线交换机，通过无线防火墙连接到DCS系统的二层容错以太网（FTE）交换机；所有的无线设备在各个现场机柜间里与现场仪表设备管理系统（FDM）客户端建立HART数据通讯，提供与FDM的通讯接口，实现对无线仪表系统的管理。无线仪表系统与DCS系统的数据集成采用Modbus TCP的通讯协议，网络结构图如图3所示。

图3 罐区无线仪表系统网络结构图

3.2 无线技术解决方案的信息安全

冗余网关和MESH主干网的设计保证工业等级的可靠。主备网关无扰切换确保数据不丢失，主网关和备网关无需安装在同一物理位置，只要处于同一网络即可，当主网关故障或手动切换时触发冗余切换，主网关和备用网关的IP地址自动更换，备用网关成为主网关承担通讯的任务；MESH主干网络中的每个多功能节点均可发送和接收信号，当无线环境发生变化时，数据路径会根据时延、吞吐量和噪声等因素进行重新评估，MESH主干网会自动地进行自我调节将性能维持在最佳性能，网络快速自组织和自愈合有效保证网络的稳定性；现场无线变送器选择最优的多功能节点进行数据传输，选择冗余的备份通讯路径确保通讯链路信息安全。

直接序列/跳频混合扩频技术有效保障无线网络无扰运行，它集合了跳频通讯技术FHSS较强的抗定频干扰的能力和直接序列扩频技术DSSS的隐蔽性和抗多频干扰的能力，以及它们共有的较高的通讯安全保密性等特点，具有多址接入和较强的抗干扰能力等优势，与其它无线网络友好共存，同时能够有效避免现场大功率的电气设备的干扰，确保无线网络运行可靠。

端到端的一体化安全措施确保工业等级的安全。无线网络的安全措施包括端对端的数据通讯，自动数据重传请求，数据包的加密，CRC码校验，数据源验证，抵抗网络拒绝服务攻击以及组态安全保护等。整个无线仪表采用一套完整的密钥授权认证系统，专用的授权设备和软件数据库确保密钥系统的唯一性和保密性。

无线系统和DCS系统之间配置无线防火墙确保有线控制网络和无线网络的安全。无线防火墙支持Experion控制系统把控制网络延伸至无线网络并保证高度安全；无线防火墙安装在无线交换机和FTE交换机之间；无线防火墙是预组态好的，即插即用；无线防火墙只允许无线 I/O 数据双向通过，阻隔不必要的网络风暴和垃圾信息，保护FTE网络和无线网络，避免有害网络风暴、病毒、通讯中断和数据丢失等。

3.3 无线仪表系统的实施

无线仪表系统的实施内容包括现场勘查落实无线解决方案的细则，安装无线操作站，配置无线主干网路由设备，组态无线网关和所有的无线变送器，授权所有的无线设备，现场安装和调试，与PKS系统和现场仪表设备管理系统（FDM）数据集成等。

MESH主干网路由设备安装位置对于无线仪表系统的实施尤为重要，其合理性直接影响到与无线变送器的通信质量，多功能节点的使用数量以及网络结构的优化等因素。在安装过程中遵循安装位置有开阔的视野，与网关和其他主干网路由设备之间的第一菲涅耳区域（Fresnel Zone）最少60%的范围内没有阻挡物，提供视距传播，增加设备覆盖范围，减少节点数量；主干网路由设备设置在所覆盖无线仪表的中心，和覆盖区域的任意无线仪表建立良好的连接；依据多功能节点的射频发射功率和接收灵敏度，两个多功能节点使用标配天线时有效通讯距离可达1公里，采用高增益天线时可达10公里；还应考虑多功能节点所处位置的防爆等级，多功能节点的防爆认证等级为1级2区，在更高级别的防爆区域必须安装在防爆箱内等。

无线变送器的天线与就近的主干网路由设备可视，当测点处于与任意主干网路由设备的连接被严重阻隔时，可使用延长电缆和高增益天线的方式；无线仪表与多功能节点均采用标配天线时可传输610米，采用高增益天线时可达4公里；全向天线保持竖直方向的通讯效果最佳，定向天线需要调准最佳的通讯方向；无线温度和压力变送器使用电池供电，无需外接24V直流电源，供电单元采用本安设计，无线变送器采用隔爆，无线变送器的防爆认证等级为1级1区。现场安装如图4所示。

图4 现场安装图示

无线仪表系统的调试界面友好方便易懂，IE浏览器的方式访问多功能节点页面，可以修改多功能节点的IP地址、通讯频率和通信密钥等重要参数；专用的无线系统授权认证系统有效保证无线网络的安全，授权设备PDA简单易操作，对无线网关、多功能节点和所有的无线变送器进行授权，经过授权的无线设备才能融入到无线仪表系统与其他无线设备进行数据通讯；无线软件组态无线网关和无线变送器，设置位号、量程范围、刷新速率和传感器的类型等重要参数；无线网络管理与诊断工具能实时监控无线网络运行的状况，检测无线变送器与多功能节点以及多功能节点之间的无线通讯的信号强度和通讯质量等参数。无线仪表系统监视管理画面如图5所示。

图5 无线仪表系统监视管理画面

无线仪表系统与DCS系统的数据集成采用Modbus TCP协议，冗余的无线网关作为控制器将数据传输给DCS服务器，并且在DCS流程图画面上显示实时PV值及历史趋势等，如图6所示。无线网关提供与现场仪表设备管理系统FDM的HART通讯接口，各个罐区的无线仪表系统与现场机柜间的FDM客户端进行数据传输，所有无线设备的过程参数和诊断信息在资产管理平台实时监测。

图6 DCS流程图画面

4 结束语

实践证明，工业无线解决方案在安装调试的方便快捷和项目成本的节省等方面具有明显优势：（1）节省大量I/O卡件、安全栅和线缆等硬件成本；（2）节省大量施工人力成本，无需敷设大量的线缆，无线变送器安装简单易操作；（3）节省大量的调试维护成本，设置量程范围等参数、校验无线变送器的精度以及故障诊断等工作都能在控制室操作，无需现场作业，调试简单维护方便；（4）无线仪表扩展方便，增加测点时直接安装无线变送器，完成授权和软件组态工作即可使用。

随着工业无线技术的日渐成熟，无线仪表系统将会深入到工业自动化领域的各个方面，工业无线技术将成为工业控制领域一个新的引擎。

[1] International Society of Automation. ISA100, Wireless Systems for Automation.

[2] Honeywell. OneWireless Network - ISA100.11a-Compliant Wireless Mesh Network.

[3] Soroush Amidi. Introduction internal standard Industry wireless ISA-100.11a.