工业无线WIA-PA网络技术特征与应用现状

曾鹏，赵雪峰，李金英，张琼（中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016）

工业无线WIA-PA网络技术特征与应用现状

曾鹏，赵雪峰，李金英，张琼（中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016）

本文介绍了WIA-PA无线网络技术的体系架构与技术特征，并对比ZigBee技术进行了分析；着重介绍了WIA-PA无线传感网在化工、石油、电力等行业的典型应用案例，对工厂的过程数据远程监测，重要设备的健康状态监测均给出了解决方案；同时阐述了WIA-PA技术的发展趋势。

WIA-PA，无线工业应用

1 WIA-PA网络体系架构与技术特征

WIA（Wireless Networks for Industrial Automation）标准是我国以中国科学院沈阳自动化研究所为首的中国工业无线联盟在863计划的支持下，于2007年开始制定的面向工业自动化应用的无线网络技术标准体系。而WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation–Process Automation）标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的WIA子标准，定义了用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范[1]。WIA-PA标准于2008年10月31日经过国际电工标准委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）全体成员国的投票，以96%的得票率获得通过，作为公共可用规范IEC/PAS 62601标准化文件正式发布。目前WIA-PA标准已形成国家标准。

WIA-PA网络是我国具有自主知识产权的工业无线网络规范，与Zigbee相比，具有自组织、高实时、高可靠、低功耗的技术优势。

1.1WIA-PA协议架构

WIA-PA网络是一种无需网络基础设施支持的自组织多跳网络，网络设备可以依靠电池供电长时间工作。设备启动后，无需人工配置，自主形成网络。

WIA-PA协议架构如图1所示，该协议遵循ISO/IEC 7498 OSI的基本参考模型，但只定义了数据链路子层、网络层以及应用层，其物理层和介质访问控制子层基于IEEE 802.15.4-2006。此外，WIA-PA网络拓扑为两级“Mesh + Star”网络，需要引入集中式网络管理器维护Mesh级网络路由和通信调度；分布式管理簇首维护Star级网络的通信调度。

图1 WIA-PA协议架构[2]

数据链路层：包括MAC层和数据链路子层，MAC层基于IEEE 802.15.4 MAC协议，数据链路子层对IEEE802.15.4MAC进行了扩展，以满足工业应用的需要。数据链路子层由时间同步、时隙通信、链路和信道性能度量、链路层安全、管理服务等功能模块构成，保证设备间的可靠、安全、无误、实时地传输。

网络层：由寻址、路由、分段与重组、管理服务等功能模块构成。主要功能是实现面向工业应用的端到端的可靠通信。

应用层：应用层由应用子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成。应用子层提供通信模式、应用层安全和管理服务等功能。用户应用进程包含的功能模块是多个用户应用对象，负责与工业应用相关的操作。设备管理应用进程包含的功能模块有网络管理模块、安全管理模块和管理信息库。

1.2WIA-PA网络构成

WIA-PA网络由以下物理设备构成：

（1）主控计算机：供用户、维护人员及管理人员与WIA-PA网络交互的计算机。

（2）网关设备：包含一个或多个接入点，管理入网设备，连接WIA与其他工厂自动化网络，均衡网络负载，提高网络的可靠性。

（3）路由设备：负责现场设备管理、报文转发等功能的设备。

（4）现场设备：装有传感器或执行器、安装在工业现场，直接连接生产过程的设备。

（5）手持设备：完成主控应用的手持便携设备，用于配置、维护或控制现场设备。

WIA-PA网络还定义了两类逻辑设备：

（1）网络管理器：负责网络的管理、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，配置网络、调度路由设备间的通信、管理路由表、监测网络性能。

（2）安全管理器：负责整个网络的安全策略配置、密钥管理和设备认证。

1.3WIA-PA拓扑结构

WIA-PA网络采用星型和网状相结合的两层网络拓扑结构，如图2所示。第一层是网状结构，由网关及路由设备构成，用于系统管理的网络管理器和安全管理器，在实现时刻位于网关或主控计算机中；第二层是星型结构，又称为簇，由路由设备及现场设备或手持设备构成，WIA-PA网络的路由设备承担簇首功能，现场设备承担簇成员功能。

图2 WIA-PA网络拓扑

1.4WIA-PA与Zigbee[3]区别

WIA-PA协议是国家的工业短距离通信标准，而且是国际标准之一，与传统商用的Zigbee协议相比，具有低延时、高可靠、低功耗等技术特征。

（1）可靠性：WIA-PA网络采用Mesh路由技术，支持冗余路径，以保证网络可靠性；支持路径的健康检测，当一条路径由于干扰被中断时，设备可以自动切换到其它通信质量较好的路径。Zigbee协议只有路由器之间才能实现Mesh路由，不支持端到端的多路径传输，也不支持路径的健康检测。

WIA-PA网络采用TDMA/CSMA混合技术进行通信。其中，TDMA访问机制可以提供无冲突的、确定的通信关系，提高网络的可靠性；CSMA用于网络中设备的快速加入，命令和告警信息的发送。Zigbee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制技术进行信道接入，很难满足通信的高可靠性要求。

WIA-PA网络使用多信道进行通信，并根据信道状况，采用不同的跳频机制，包括自适应跳频、自适应频率切换、时隙跳频。WIA-PA网络的跳频方式可以有效克服工业环境中的干扰和信道衰减，实现与其他无线网络的共存。Zigbee网络不支持自适应跳频通信，无法保证工厂恶劣环境的通信可靠性。

WIA-PA网络在链路层采用自动重传机制，保证了点到点的报文传输成功率，在网络层采用面向连接的数据传输技术，通过端到端的重传机制保证数据传输的高可靠性。Zigbee网络只支持链路层重传机制，不支持端到端的重传。

（2）实时性：WIA-PA网络采用TDMA模式，保证了通信的强实时性，缩短了通信时延。Zigbee网络采用CSMA-CA机制，容易造成设备一直得不到资源无法进行通信，无法满足通信实时性要求，增大了通信时延。

（3）功耗：WIA-PA网络采用TDMA机制，现场设备和路由均可有计划的进行休眠和唤醒，平均电流微安级，精确的时间同步唤醒机制，保证了设备低功耗运行。Zigbee网络的终端设备可以休眠，而路由器很难实现低功耗运行，必须使用外接电源供电。

综上所述，WIA-PA是一个用于工业过程自动化的开放工业无线标准。WIA-PA具有诸多技术优势，诸如混合网状和星型拓扑结构、集中与分布式混合系统管理和自适应跳频，来适应复杂的工业环境和满足极高的工业需求。

2 WIA-PA网络典型应用案例

2.1油田油井远程计量与优化控制

油井生产数据包括温度、压力、流量、功图、电机参数等，这些参数直接关系到油田生产状态的稳定、原油质量及节能降耗。人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据使工人劳动强度加重，影响设备监控与采油数据的实时性，准确性。基于WIA-PA无线网络的油井远程计量与优化控制系统（如图3所示）极方便地解决了油田迫切需求的采集数字化及信息化。

本系统包含感知生产数据的传感层，数据传输的网络层以及数据中心的应用层。系统能够实现抽油井功图监测、温度监测、压力监测、电机状态监测及功图量油、采油井故障报警、诊断等功能，使用此系统彻底革除了现场电气连线，测控点到数据中心及观察者全为无线连接，不需改造任何现场设施。产品的安装维护方便，与传统的机械仪表一样不需专业技术人员。而且各个设备各自独立，用户可以根据需要安装相应设备，任意组合十分灵活，某个设备的拆装不会影响到其他设备的正常工作，设备即装即用。

图3 油井远程计量与优化控制系统

系统特点如下：

（1）实现油水井自动监测和数据采集，通过无线设备采集油水井的电压、电流、功率、载荷、冲次、冲程、井口压力、油温、生产时率、曲柄销子、转速、扭矩及巡井时间等生产参数，实现数据实时监测与故障报警。

（2）实现油井产量和电量的远程计量，通过无线网络远程测试数据的自动录取，根据采集的压力、转速、地面示功图、电量等数据，应用油井量油技术，计算油井产液量，实现在无人值守情况下及时掌握油井的动态变化和用电情况。

（3）实现油井生产系统分析与优化决策，根据检测数据，进行生产井参数优化设计、在线诊断、抽油井系统效率分析等,简化了油田的地面流程，为油田生产管理和提高优化设计水平提供了可靠的技术手段。

2.2石化工厂生产过程参数监测与故障诊断

石化工厂内的许多关键节点需要监测管道内的压力、流量、温度、液位及电机的振动状态等参数。传统的工厂监测或使用指针压力计，或使用有线压力、流量仪表进行参数监测，现场布线复杂，仪表无维护手段，需人工巡查；对于泵组的工作状态无监测手段，不可预计地出现异常停机。工厂的过程参数的远程监测及故障诊断对于工厂生产效率提升，人工成本降低，过程仪表维护都有迫切需求，基于WIA-PA网络的无线远程监测与故障诊断系统方便快捷地解决该问题。

系统由以下三部分组成。第一部分是传感部分，包括无线振动变送器、无线压力变送器、无线温度变送器、无线流量变送器、无线液位变送器及无线适配器。第二部分是WIA-PA无线网络部分，包括WIA-PA无线网关及WIA-PA无线路由器。第三部分是监测管理系统部分，包括相关的WIA-PA网络管理软件、实现脱氧机泵基于振动状态维护系统软件、生水管线和除盐水箱生产参数监测管理软件及相关的计算机硬件系统。整体系统结构示意图如图4所示。

图4 WIA-PA过程参数监测与故障诊断系统

系统特点如下：

（1）实现压力，流量的远程监测。无线压力变送器实现压力数据采集，处理及无线传输；通过电池供电方式，节省了现场布线费用；远程监测压力变化及超限告警，避免了人工巡检的操作，准确性和实时性。

（2）实现有线仪表的数据监视，有线仪表的状态维护和有线仪表更换时的无缝匹配等。通过无线适配器实现有线仪表本地数据的直接读取后无线传输，无需电池供电，减少了维护成本和资源。

（3）实现泵组工作健康状态监视。无线振动变送器通过加速度传感器监测泵组的振动状态数据，在振幅超限或频谱异常时提前预警泵组故障；通过中控室的诊断分析系统进行可能故障点的定位分析，提升泵组使用寿命，提高维修效率，降低泵组的紧急停机不可预计时间。

2.3用电信息采集

我国电力系统的人工抄表手续繁琐、统计工作量大、抄表不准确等。随着智能小区、高层住宅小区的不断涌现，现代抄表系统具有系统数据采集点多，成千上万，数据量大；采集点具有分散性等特点。电能计量、电费核算及收缴的及时性和准确性已成为用电企业的重要课题。应用WIA-PA无线网络技术的自动抄表系统从投资、建设、维护等多方面较有线系统都有更大优势。

系统由三部分组成，如图5所示。第一部分是采集部分，包括采集两相或三相电能表数据的无线抄表模块，采集器部分；第二部分是网络部分，包括WIA-PA无线网关，WIA-PA无线中继器和集中器；第三部分是控制管理中心，包括相关无线抄表数据库、无线抄表服务、无线抄表客户端及计算机集成系统。

图5 用电信息采集系统

系统特点如下：

（1）实现用电信息数据的采集。无线抄表模块使电表具有无线远程通信能力，适合分散式电表的抄表；采集器可通过接口连接至电表的数据输出接口，并通过WIA-PA无线网络转发，一个采集器可连接多个电表。

（2）实现用电数据的远程实时传输，通过集中器接收WIAPA网络的用电数据，并通过GPRS或3G等无线接口转发至后台管理中心，实现电能数据的汇总和处理；可采用路由器进行网络距离的扩展。

（3）后台管理中心的远程抄表系统直接进行数据汇总，处理，及报表等分析，省去繁琐的人工汇总分析工作。

3 WIA-PA技术的发展方向

WIA-PA工业无线网络解决了过程工业现场数据灵活高效的采集问题。面对不断变化的需求，应用场景要求庞杂的工业环境，我们还需要针对数据的应用化进行处理，快速形成面向用户具体情境应用解决方案，使得无线网络采集到的数据应用价值最大化。

因此我们拟通过在WIA-PA应用解决方案的上层构建M2M开发平台，如图6所示，通过对底层数据采集、传输、解析，网络端配置、设备端管理等功能的统一化封装，继而为用户提供一个专注于情景化应用开发的WIA-PA应用开发平台。同时利用Web Service技术对WIA网关或无线适配器进行嵌入式Web化改造，实现Web级的设备访问。同时利用面向情景的服务自适应组合技术与前端界面的可视化构造技术手段实现规则语言甚至无编程的应用快速开发套件，实现面向具体应用的无代码配置模式。然后应用的部署与运行还可以为上层MES与ERP系统提供灵活的调用接口，打破工业领域的信息孤岛，实现信息的全流程整合。

这样通过WIA-PA管理底层网络，通过M2M开发平台管理上层应用开发、部署与运行，实现一体化管控的工业无线应用新模式。

图6 M2M平台示意

[1] 梁炜, 张晓玲. WIA-PA: 用于过程自动化的工业无线网络系统结构与通信规范[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2009(2) : 30 - 36.

[2] 李强, 梁炜. 无线HART网络管理器的设计与实现[J]. 仪器仪表学报增刊, 2008, 29(8) : 141 - 145.

[3] Zigbee Alliance [E B/O L] . (2010- 10- 20) [2010-10-22]. http://www.zigbee.org.

曾鹏，男，中科院沈阳自动化所研究员，科学院网络化控制系统重点实验室副主任，博士生导师，科技部“智能电网专项”专家组成员，科学院“面向感知中国的新一代信息技术研究”先导专项总体组专家。担任IEC/TC65/WG16工作组专家、美国仪器仪表协会SP100标准委员会专家、现场总线基金会无线技术工作组专家、《测量、控制用无线通信技术》国家标准起草工作组专家。主要从事无线传感器网络、工业通信技术的研究工作，近年来，作为课题负责人，承担国家863计划重点项目2项，中科院先导专项项目1项，国家自然科学基金重点项目和青年基金项目2项。撰写专著1部，在国内外重要期刊和会议上发表论文80余篇，申请国家发明专利20余项，国际专利2项，负责编写国家标准1项，国际IEC标准化文件2项，向IEEE、ISA、Zigbee等国际标准化组织提交技术提案10余项，先后获得国家标准创新贡献一等奖、辽宁省技术发明一等奖、辽宁省自然科学学术成果奖一等奖，中国科学院院长优秀奖，首届中国科学院沈阳分院优秀青年学者奖。

Technical Characteristics and Application Status of WIA-PA

This paper describes the architecture and technical features of WIA-PA wireless network technology and makes the comparison to ZigBee technology. The WIA-PA typical application cases in the chemical, oil, electricity and other sectors are emphasized. The solution for remote monitoring of health statues of important devices and process data is also given. Meanwhile the development trend of WIA-PA technology is described.

WIA-PA; Wireless industry