工业无线网络的设备类型

Device Types of Industrial Wireless Network

方原柏

(昆明有色冶金设计研究院，云南 昆明　650051)

工业无线网络的设备类型

Device Types of Industrial Wireless Network

方原柏

(昆明有色冶金设计研究院，云南 昆明650051)

摘要：工业无线网络技术是当前工业自动化领域关注的热点之一，工业无线网络包括多种设备类型。针对某个具体应用、不同的工业无线网络标准、不同公司的工业无线网络产品，组成工业无线网络的设备类型也有所不同。初步了解工业无线网络的各种设备类型，能较为深入地理解不同标准的特点。

关键词：工业无线网络工业无线网络标准设备类型工业自动化

Abstract：At present, the technology of industrial wireless network is one of the hot spots in the field of process automation, while the industrial wireless network includes a variety of device types. For a specific application, different industrial wireless network standard, with products of industrial wireless network from different manufacturer, the device types composing industrial wireless network may also be different. Preliminary understanding of various device types of industrial wireless network will be helpful to understand the features of different standards in-depth.

Keywords：Industrial wireless networkIndustrial wireless network standardsDevice typesProcess automation

0引言

国际上目前引起业界广泛关注的工业无线网络通信标准主要有Wireless HART、ISA 100.11a和WIA-PA。这些标准虽然各有特点，但从构成无线网络通信的设备类型上讲，还是差别小而共同点更多。

一般来说，工业无线网络包括以下设备类型。

① 现场设备：是连接到工业过程上用来测量或者控制工业过程，实现现场检测、数据处理、执行机构等的终端节点。

② 路由设备：是一种能为一个网络设备转发数据到另一个设备的网络设备，即提供路由器服务的设备。路由设备可以由支持路由功能的现场设备承担，也可以是独立的路由设备。

③ 适配器：将有线HART协议的设备或其他协议的设备连接到无线网络的设备，使有线HART设备或其他协议的有线设备升级为无线现场设备。

④ 中继器：用于强化无线现场网络，如用于扩展无线网络通信范围或改善通信质量的网络设备。

⑤ 手持设备：操作人员现场移动时随身携带的可连接到无线网状网络的设备，用于网络设备的安装、维护和操作。

⑥ 接入点：是一种位于网关和工业无线网络之间的网络设备。接入点的一侧与工业无线网络相连，另外一侧是与网关的外部连接，如以太网、WiFi网络或专用网络连接。

⑦ 网关：作为上位机与工业无线网络之间的桥梁设备，能用于两个不同网络间的协议转换，使两个或多个不同协议的网络看起来像同种协议的网络一样，并且还能实现命令和数据的格式转换。

⑧ 网络管理器：负责整个网络的管理、调度和优化的网络设备，如网络的形成、配置新网络设备、让新网络设备加入网络以及监测网络。

⑨ 安全管理器：一种应用程序，用于管理网络设备的安全资源和监控网络安全状态，如生成和管理工业无线网络所用到的密码信息，也负责生成、存储和管理各种密钥。

1工业无线网络的设备类型

1.1　现场设备

现场设备是变送器、执行机构等终端设备，即能够提供测量值或能够向执行器给出指令的设备。通常现场设备是生产厂家在原有有线现场设备的基础上进行一些优化改造(如低功耗改造)而成的。变送器通常用来测量温度、压力、流量、物位、成分、振动、腐蚀量等生产过程中涉及到的参数，执行机构包括阀门之类的终端控制设备。

Wireless HART工业无线网络的现场设备要求首先是HART现场设备，遵守HART现场设备的要求，支持所有HART通用命令、一些HART常规命令及针对Wireless HART设备定义的标准化的命令和程序。Wireless HART工业无线网络的现场设备包括各种无线压力、温度、分析、阀门位置、振动、开关量等参数的变送器。

ISA 100.11a(One Wireless)工业无线网络的无线现场设备的品种有两类，一类为支持ISA 100.11a通信的无线变送器，一类为支持802.11 WiFi通信的无线设备。支持ISA 100.11a的无线变送器包括无线压力、温度、腐蚀量、开关量、模拟量、多输入组合、雷达、阀门回讯等变送器。支持802.11WiFi的无线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、无线巡检等。

WIA-PA工业无线网络的无线现场设备目前提供的无线设备有无线温度变送器、无线压力变送器、无线I/O设备(可接AI/AO/DI等类型信号)、无线称重变送器、无线HART适配器、无线核探测头变送器、无线油井示功仪、无线投入式液位计、无线红外测温变送器、无线温湿度变送器、无线油井注水阀门控制器、无线可燃有毒气体变送器等。

1.2　路由设备

路由是指从一个接口上收到数据包，根据数据包的目的地址进行定向发送并转发到另一个接口的过程。完成这一过程的设备称为路由设备或路由器。路由设备可以自寻相邻的现场设备，形成工业无线现场设备网络。所以，路由设备的工作包含两个基本的动作：确定最佳路径和通过网络传输信息(即数据交换)。

Wireless HART系统中的无线现场设备通常具有路由功能，距离无线网关较远或与无线网关之间有障碍物的无线现场设备可通过确定最佳路径由邻近的无线现场设备路由，将其信息传送到无线网关，这是路由功能最大的优点。解决方案的主要特征是现场仪表配置路由功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，而且可以同时为其他仪表的通信进行路由。

WIA-PA系统早期有专用的路由设备，而且是可以接收多台现场设备信号的路由设备。但据了解，目前路由功能均作为无线现场设备功能的一部分提供。

One Wireless的早期版本不支持路由功能，而无线现场设备不带路由功能，这就要求作为无线网关的多功能节点Multinode以及随后推出的现场设备接入点FDAP与所有无线现场设备之间没有障碍物，能直接通信。2010年6月推出的版本R200中，无线现场设备通过组态可以执行路由功能或不执行路由功能。当组态为执行路由功能时，它与Wireless HART、WIA-PA系统在路由这一点上就没有区别；当组态为不执行路由功能时，现场设备接入点FDAP和多功能节点等接入点设备应直接与区域内所有无线现场设备通信，其优点是减少数据无线传输的跳数，加快数据刷新率，降低数据传输的不确定性时延及安全风险，提高可靠性，同时减少无线现场设备电池能量的消耗，延长电池的使用寿命。

无线现场设备可以带路由功能；路由设备也可以是专用的，它只完成路由功能；后面介绍的接入点、网关也可以作为路由器使用。3种路由设备方案的比较如表1所示。

表1　3种路由设备方案比较

根据路由器所处的位置，可将其划分为传感器网络路由器和骨干网络路由器。上述传感器一般是传感器网络路由器。骨干网络路由器指的是当接入点通过802.15.4无线传感器网络接收到无线现场设备传送来的数据后，再采用以太网、WiFi网络或一个专有网络等传送到网关。这些网络称为骨干网，骨干网络路由器的功能则由接入点或网关承担。

1.3　适配器

适配器可连接到有线HART设备上，可通过4~20 mA回路和工业无线网络提供并行通信路径。适配器有2种供电方式：由有线HART设备供电、外接24 VDC供电。

适配器主要有以下4个用法。

① 由于主机系统的限制，可能在4~20 mA回路上无法检测到HART信号，不能进行HART诊断访问。

② 向本身没有无线功能的HART设备提供无线通信。

③ 设备信息可能没有直接进控制系统的入口，启用后可访问多个用户。在这种情况下4~20 mA信号发送到控制室，而无线HART信号用于维护人员或其他人员访问的参数和诊断数据。

④ 作为无线中继器。

已经在生产过程中使用的有线HART现场设备，或者某些检测参数已经有HART现场设备但还没有相对应的可用于工业无线网络的无线现场设备，可以采用适配器与HART现场设备相连，然后通过工业无线网络进行通信。适配器和在HART设备上的安装示意图如图1所示。适配器支持与其相联的现场设备之间的HART通信，从HART设备上获得回路供电及HART信息，但它不影响HART设备原先的模拟信号传送。也就是说，适配器允许现有的4~20 mA信号与数字无线信号同时运行。通过适配器可将任何一个普通的HART(可能要求HART5.0或以上版本)设备升级成准无线设备接入无线网络。适配器的简化版尺寸短小，可以直接通过螺纹接口拧在变送器本体上，近乎与有线HART现场设备实现一体化，甚至可以将这个一体化的有线HART现场设备当作是准无线现场设备接入无线网络。

图1　适配器(左)和在HART设备上的安装(右)

适配器通常由以下几部分组成：与有线HART现场设备连接的FSK(频移键控)端口、工业无线网络协议栈和天线、对外的FSK端口。

一般1台适配器支持1台HART设备。菲尼克斯公司的RAD-WHA适配器支持最多4台HART设备；西门子公司SITRANS AW200 Wireless HART适配器在多线路模式下支持最多4台HART设备；SITRANS AW210 Wireless HART适配器在多线路模式下支持最多8台HART设备。

对工业无线网络来说，适配器往往是一个最基础的产品。以Wireless HART产品为例，除了艾默生过程管理有较完整的各种现场设备类型之外，目前另外一些生产厂商推出的产品只有适配器、网关或者再加上压力、温度无线现场设备。如ABB公司、E+H公司、菲尼克斯公司的Wireless HART产品仅有无线适配器和网关，P+F公司的Wireless HART产品仅有适配器、网关、温度无线现场设备，西门子公司的WirelessHART产品仅有适配器、网关、温度无线现场设备、压力无线现场设备。

当需要将有线HART设备开发成高度集成的无线HART设备时，可在HART适配器的基础上作如下的改动：去除内部的FSK连接，将HART设备和适配器的电路整合成一块电路，将大部分软件(如堆栈)保留在适配器中。

还有一些厂商推出连接其他标准的适配器，如横河电机2014年推出的适配器除支持有线HART协议外，还有支持RS- 485 Modbus标准的适配器，近期还将推出覆盖其他标准，如FF、Profibus-PA等现场总线的多协议无线适配器产品。中国中科博微公司的RS-485/232无线透传模块是一款针对现有的RS- 485/RS-232总线开发的适配器无线解决方案，可实现RS- 485总线和无线通信之间的透明传输。

1.4　中继器

中继器是通过增加额外的通信路径来加强无线现场网络的，或者是扩大网络覆盖区域的一种无线现场设备。

中继器没有特殊的要求，中继器设备的管理应像任何其他无线现场网络设备一样，且受所有无线现场网络设备技术特性的制约。

在现有工业无线网络的产品系列中，还没有找到中继器这一名称的产品，替代的方案是采用有路由器功能的现场设备或适配器。采用有路由器功能的现场设备时，通常选用价格较低的类别，如艾默生过程管理的648无线温度变送器、702型无线开关量变送器。

1.5　手持设备

手持设备是由工厂人员操作的便携式设备，例如加固的或防爆的个人数字助埋(PDA)、移动PC等。手持设备由无线操作者用来与无线网络连接，这些设备可以移动，当它移动到某个位置时，就会建立与本地网络的连接，并与一个或更多的网络设备通信；当通信结束时，它将断开与网络的连接。手持设备被用于网络设备的安装、维护、操作。它是一种口袋大小的计算设备，通常有一个小的显示屏幕、小型的键盘输入或触控输入，它通过网关来实现与工业无线网络设备的通信。对于工业无线网络而言，这类手持设备就像另一个上位机，操作人员在离开控制室之后仍能从工厂内的任何地点获得过程参数、维护数据、画面、报警、组态信息，并监测报警和事件；也可按照实时运行工况来执行操作，使用过程数据或设备数据进行故障排查、了解文档工作状态，或者使用集成的条形码技术采集信息。

One Wireless工业无线网络手持设备有IntelaTrac PKS无线手持巡检设备、移动气体检测仪、现场巡检仪和移动工作站，如图2所示。无线巡检仪支持采集现场数据，安排巡检人员严格按照规定的线路及内容巡检，当发现现场异常工况时，可为关键设备提供最新的状态数据。移动工作站支持运行人员在现场(甚至在危险区域)使用，以无线的方式获取控制系统的实时视图。移动气体检测仪、现场巡检仪可以通过无线网络自动收集现场数据。移动工作站有以下3种版本：①无线接入eServer标准版——支持设备通过网络单独访问过程信息，查看工厂数据；②无线接入eServer增强版——支持动态读取过程信息，只支持读取功能；③无线接入工作站——基于手持设备的功能完善的Experion工作站。对于由专门操作人员和手持设备许可系统严格控制的各种操作变化，Experion系统同样可以支持。

图2　One Wireless无线网络手持设备

艾默生过程管理者采用加固的或防爆的PC或PDA等手持设备供移动作业人员使用，以访问过程数据、排除故障或执行操作。

1.6　接入点

接入点是负责从无线现场设备网络接收数据包的设备，起到无线现场设备与网关之间的桥梁作用。当系统规模很小时，网关可以直接连接为数不多的无线现场设备；当系统规模增大时，往往需要有多个接入点。接入点将众多的无线现场设备数据采集后送到网关，这种情况下可以提高网络的有效吞吐量和可靠性，特别适合于要求更快刷新率、更高性能的网络。所以接入点是一种位于网关和工业无线网络现场设备之间的一种网络设备。

接入点的一边与工业无线网络现场设备相连，另外一边是一个外部连接。这个外部连接可以是一个以太网、WiFi网络或一个专有网络。但接入点通常不直接与过程控制设备相连，而是通过一个工业无线网关和上位机或控制系统连接。

流程行业无线网络产品早期都只有网关，稍后One Wireless工业无线网络增加了现场设备接入点FDAP，再往后又增加了Cisco AP节点设备作为接入点。接入点又分为网格接入点(mesh access point，MAP)、根接入点(root access point，RAP)。网格接入点是Mesh网络的远程接入点，它作为无线现场设备网络和WiFi网络的接入点，这是所有接入点的默认角色。根接入点具有到有线网络或服务器的光纤、有线以太网或电缆连接器连接，作为到有线网络的“根”或“网关”。

网格接入点用于采集无线现场设备的信息，多个网格接入点又以WiFi无线方式将多个无线现场设备的信息传送到根接入点，根接入点与控制系统以有线Modbus TCP/IP、OPC等方式连接。

现场设备数量不多的ISA 100.11a现场设备中小型网络，通常用于非关键、不需要快速更新率的监控系统。这类小型网络可以采用现场设备接入点(field device access point，FDAP)覆盖ISA 100.11a网络，然后现场设备接入点FDAP作为路由器将信息传送到作为网关的多功能节点，也可以直接通过以太网交换机连接到无线管理平台WDM，这样的系统可以不用网关。

One Wireless工业无线网络可以有多种接入点选择。如选择现场设备接入点FDAP，只能接收从ISA 100.11a无线现场设备来的数据。如选择多功能节点作为接入点，除ISA 100.11a无线现场设备来的数据外，还可作为IEEE 802.11a/b/g WiFi客户端基础设施的接入点，支持无线视频、移动工作站、振动监测等多种无线通信。如选择思科公司Cisco1552S AP作为接入点，则又增加了IEEE 802.11a/n(Mesh网络)，且带宽加大、通信速度加快、通信距离加长。

当需要强化无线网络功能时，可选择路由器或接入点。但考虑到接入点能提高网络的吞吐量和实现网络冗余，选择1台接入点优于选择1台路由器。

接入点也可以看成网关的I/O模块，只不过在物理位置上可以相互分开。当有多个子网时，多个接入点接入各个子网的无线现场设备的信息后，相互间构成骨干网，骨干网采用无线或有线通信的方式将信息传送到网关，但这里所采用的通信方式不是由该无线通信标准所授权的。

1.7　网关

网关是一种网络设备。这种网络设备包含了至少一个上位机接口(如串行口或以太网口)，并充当上位机和无线现场设备间通信的出入口。

网关将无线网络接入有线网络，实现异构网络之间的协议转换。通过连接以太网、串行口或其他现有控制装置通信网络，能在无线现场设备和主机之间通信，管理无线现场，管理网络安全。从概念上讲，网关是配线柜和接线箱的无线版本。

每个网络可以安装一个或多个网关，多个网关间可以相互冗余。

Wireless HART工业无线网络1420智能无线网关(西门子公司有IE/WSN-PA LINK网关，E+H公司有Fieldgate SWG70网关等)是现场无线网络和主机控制系统多种通信协议的接口，1420智能无线网关接口类型有Modbus、TCP/IP、OPC、以太网等。与DeltaV或Ovation的集成可以选择Modbus或OPC的方式，如果DeltaV是10.3以后的版本，智能无线网关可以像控制器一样直接挂在DeltaV的控制网络上。

One Wireless工业无线网络多功能节点可以作为网关同DCS、PLC进行数据集成，两个10/100 Mbit/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用于多功能节点与控制系统的有线互联。在最新采用Cisco Aironet 1552S AP构建的One Wireless工业无线架构中，现场设备接入点(FDAP)、多功能节点、思科Cisco 1552s AP均称之为接入点，而无线管理平台WDM则称之为网关。它是单一的ISA 100.11a无线现场设备网络中心管理组件，负责组态、调度和无线现场设备网络的安全。采用工业标准协议，如HART、Modbus TCP、Modbus RTU、OPC，支持ISA 100.11a的数据与现有的控制系统集成，WDM主机的接口将现场设备数据连接到控制应用中。

WIA网关负责整个WIA网络的管理、调度和优化，设定和维护网络通信参数，统一为网络设备分配通信资源和路由，配置WIA网络的运行，调度WIA网络设备间的通信，监控并报告WIA网络的运行状态。WIA网关支持一个或多个网格接入点和服务接入点，网格接入点提供连接其他网络的接口，如串口和以太网，服务接入点为上位机提供访问和管理WIA网络的接口，如OPC、XML、HART。

1.8　网络管理器

网络管理器负责工业无线网络的形成、配置新网络设备、让新网络设备加入网络以及监测网络。网络管理器还可以收集无线网络性能和诊断信息，当网络运行时，获取的这些信息用于观察和分析无线网络行为。如果发现了问题，可执行对无线网络重新配置。

1.9　安全管理器

安全管理器生成并管理网络所用到的密码信息，也负责生成、存储和管理各种密钥。安全管理器和网络管理器应在彼此间建立连接，并维护这个连接以支持设备入网请求和建立会话。安全管理器与网络管理器协同工作，以保证网络免受外来威胁。

2工业无线网络的设备组成及设备的逻辑角色

不同的工业无线网络标准，不同公司的工业无线网络产品，或者说某个具体应用，可能只有以上工业无线网络设备类型的一部分，如只有现场设备、适配器、网关或只有现场设备、接入点、网络管理器、安全管理器。

工业无线网络的产品都有一个设备名称，但如上所述，同一个名称的设备可能扮演了不同的逻辑角色，如果一个设备扮演某种逻辑角色，那么它必须能够实现逻辑角色要求的相应功能。如网关可同时承担系统管理器和安全管理器的逻辑角色，专用路由器同时承担了骨干路由器的逻辑角色，有的现场变送器承担现场非路由设备的逻辑角色，有的现场变送器承担现场路由设备的逻辑角色，掌上型计算机承担了非路由手持设备的逻辑角色，低层的路由器承担了配置逻辑角色，现场执行器承担了非路由设备的逻辑角色。这些相应的功能往往需要在网络组态时指定或授权，如ISA 100.11a工业无线网络的无线现场设备组态时就需要对是否带路由功能进行组态。

3结束语

工业无线网络包括了多种设备类型，每一种设备类型往往还承担其他设备类型的逻辑角色，如现场设备可承担路由设备逻辑角色，如适配器可承担路由设备逻辑角色、中继器逻辑角色，如接入点可承担网关逻辑角色等。制造商通常选择将网络管理器、安全管理器功能集成到网关中，如艾默生过程管理的Wireless HART 1420智能无线网关就包含了网络管理器、安全管理器的逻辑

角色。One Wireless工业无线网络的无线管理平台(WDM)也承担了网关、系统管理器以及安全管理器的逻辑角色。

当对各种工业无线网络标准的设备类型作了一些初步了解和分析后，可以知道不同标准之间或同一标准不同架构产品之间的差异，从而能较为深入地理解不同标准、不同架构产品的特点，可以让我们在设计及生产现场调试时能灵活应用这些设备，真正用好工业无线网络。

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中图分类号：TH89;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508007

修改稿日期：2014-05-13。

作者方原柏(1942-)，男，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，发表论文260余篇;长期从事冶金自动化系统的研究与设计。