无线通信标准融合对自控设计的影响

方原柏

(云南 昆明 650228)

国际电工委员会(IEC)自1984年开始制定现场总线国际标准，负责该项工作的IEC/TC 65(工业测量和控制的第65标准化技术委员会)于2000年初公布IEC 61158： 1999标准包含了8种类型的现场总线，多种总线并存这一结果违背了当初制定世界上单一现场总线标准的初衷。如Emerson公司主推的FF现场总线标准在过程自动化应用颇多，而Siemens公司Profibus现场总线早期主要用于工厂自动化，为扩展其影响，在Profibus-DP的基础上又开发出Profibus-PA以适用于过程自动化。用户如果同时使用了FF，Profibus-PA两类现场总线设备，就必须分别使用这两类现场总线的接口(如总线模块、耦合器等)与上位控制系统连接。

流程工业无线通信标准也存在这个问题，IEC先后批准了3个标准： WirelessHART，WIA-PA和ISA100.11a，在工业无线领域形成了3个标准共存的局面，由此带来了标准之间互通性差、多标准支持设备研发周期长、成本高昂等问题。用户曾希望有统一的过程自动化行业无线通信标准，但是达到这一目标难度太大，到目前为止仍未做到。

大多数流程工业无线网络的用户可能会选择三种主流无线技术中的一种，并接受排它性的选择。在许多情况下，这种选择可能是用户选择DCS的直接结果，比如选择了Emerson公司的Delta V DCS，就要用WirelessHART，选择了Honeywell公司的Experion DCS，就要用ISA100.11a。这样会导致部分现场仪表供应商所支持的无线通信标准和DCS供应商所支持的无线通信标准并不一致。

1 流程工业无线通信标准的融合

从2017年1月开始，流程工业无线通信标准出现了转机，Honeywell公司在符合ISA100.11a标准的OneWireless产品中，给无线Cisco Aironet 1552S节点设备和现场设备接入点(FDAP)赋予多协议、多应用、多标准、现场无线网络新的功能。

Cisco Aironet 1552S节点设备具备兼容IEEE 802.11a/n(5 GHz)和802.11b/g/n(2.4 GHz)的三个两段式射频，它还具备以太网、光纤以及小型可插拔(SFP)回程选项，可为ISA100.11a和WirelessHART现场仪表、使用平板电脑等设备的Wi-Fi客户端和以太网设备等提供完美的解决方案。节点设备内配有ISA100.11a和WirelessHART多协议的无线通信，可为无线传感器网络传输提供回程链路。Cisco Aironet 1552S节点设备可提供单盒式解决方案，无需使用2个独立的无线网络： 用于802.11n网络和无线传感器网络[2]。FDAP可以作为接入点、路由器或网关使用，可用于接入ISA100.11a和WirelessHART现场仪表，还可将无线网络覆盖范围扩大[2]。融合WirelessHART的ISA100.11a无线通信网络如图1所示，在图1中左侧有2台现场设备接入点FDAP，其中FDAP1接入WirelessHART现场仪表信号，FDAP2采用有线以太网方式接入1台控制设备(PLC)，然后以ISA100.11a无线方式将信息传送到Cisco Aironet 1552S节点设备1，该节点设备与Cisco Aironet 1552S节点设备2作为根接入点与Experion控制系统有线连接。图1中右侧Cisco Aironet 1552S节点设备3，以3种无线方式分别与3台无线现场设备通信： 与WirelessHART现场仪表以WirelessHART无线方式通信，与ISA100.11a现场仪表以ISA100.11a 无线方式通信，与手持式现场巡检仪以Wi-Fi无线方式通信。而在Cisco Aironet 1552S节点设备之间则以IEEE802.11无线回传方式通信[3]。

图1 融合WirelessHART的ISA100.11a无线通信网络示意

Emerson公司在2017年6月宣布了一种新的双模无线网关，支持WirelessHART和ISA100.11a工业无线通信标准，所采用的方案是将双模无线网关集成到Cisco1552WU中，它结合了WirelessHART，ISA100.11a工业无线通信标准和Wi-Fi的解决方案[4]。

终上所述，Honeywell公司和Emerson公司所宣布的并不是流程工业无线通信标准的统一，ISA100.11a和WirelessHART两个标准都没有触动。但是两家公司都做到了另外一点： 流程工业无线通信标准的融合，即在一个底层的无线通信网络里，采用ISA100.11a和WirelessHART通信标准的无线现场设备可以共存，可以通过各自的无线通信协议将信息传送到同一个网关，再转送到上位控制系统。而现场总线，标准不但统一不了，也不可能在一个最底层网段里同时接入两类现场总线的设备。所以流程工业无线通信标准的融合也是一个进步，是领先于现场技术标准的。

2 流程工业无线通信标准的融合对自控设计思路的影响

流程工业无线通信标准发展到融合这一步，对自控设计人员的工作思路，至少带来一些影响。

2.1 思路的拓展

以往流程工业无线通信标准的选型往往依据控制系统的选型而定，大多数主流自动化厂家都按无线通信标准站队，比如选择WirelessHART标准的有Emerson，ABB，E+H，MACTek，P+F，Phoenix和Siemens等公司，选择ISA100.11a标准的有Honeywell，YOKOGAWA，Azbil，GE，Fuji，PEPPERL+FUCHS等公司。这样设计人员做设计时，只收集其中一个标准的资料，只了解一个标准产品的性能。而现在需要拓展思路，要收集两个标准的资料，了解两个标准产品的性能。

2.2 深度学习

以往当选定无线通信标准后，该标准产品的性能可不做深入研究，甚至厂家还会帮助用户选定无线仪表设备；而现在可能需要在两个标准的同类型产品中作性能对比，以确定到底选哪个标准的产品更合适。

比如WirelessHART的网络拓扑结构以网状拓扑结构为主，所有的无线现场设备都兼有路由器功能，信息传送的路径常常要经历多“跳”才能传送到网关；而ISA100.11a的网络拓扑结构以星型拓扑结构为主，无线现场设备的路由器功能只是一个选项，信息传送的路径常常只经历一两“跳”就能传送到网关。所以WirelessHART网络传送稍滞后，无线现场设备耗电多，而ISA100.11a网络传送滞后小，无线现场设备耗电少。

2.3 单一网络结构的突破

当然，一般情况下设计的无线网络可能仍然是单一无线标准的产品，就像大多数工程项目仪表选型一样： 统一供货商。但针对一些特殊情况、有一些具体要求时，是否也可以跳出这个约束，必要时是否在设计的无线网络里选用两个无线标准的产品呢？如前文所述，无线通信标准的融合允许这样做，遇到特殊情况，不妨试一试。

3 根据现场需求和无线现场设备的性能选型

生产现场如果对无线通信网络及设备的特定性能有要求，那么就可以对比两个无线通信标准产品的特定性能进行选型。

3.1 刷新率

当用于提供控制回路测量值的无线现场设备时，要求刷新率尽量高，目前Emerson的WirelessHART无线现场设备刷新率最短的为1 s，而Honeywell，YOKOGAWA提供的ISA100.11a无线现场设备刷新率最短的为0.5 s。

3.2 电池

当要求无线现场设备的电池可在市场选购时， Emerson的WirelessHART无线现场设备的电池盒是专用的，用户不能在市场采购，而ISA100.11a无线现场设备的电池可在市场选购，这样有可能优先选用支持ISA100.11a标准的无线现场设备。

3.3 供电

当要求无线现场设备的供电采用24 V(DC)时，Honeywell提供支持的ISA100.11a标准的SmartLine无线变送器[5]、YOKOGAWA支持的ISA100.11a标准设备中新版本的EJX系列无线压力/差压变送器和YTMX580无线温度变送器[6]，都带外部24 V电源选项，而WirelessHART暂时没有该选项，只能选用支持ISA100.11a标准的相关产品。ABB公司推出的WirelessHART无线温度变送器的仪表选项中可配备能量采集器，如果温度检测元件所处环境的工艺过程温度和环境温度之间存在大于30 ℃的温差，则可通过能量采集器采集热能并转换成无线变送器工作所需的电能[7]。

3.4 障碍物

当无线现场设备安装位置障碍物较多时，由于WirelessHART无线现场设备都带路由器功能，可提供较多的路径避开障碍物，而ISA100.11a无线现场设备路由器功能需组态确定，或者提供专用的无线路由器，这样有可能优先选用WirelessHART无线现场设备。

3.5 传输距离

当传输距离要求较远时，WirelessHART给出的视准线无障碍最远传输距离为230 m，ISA100.11a标准给出的传输距离为400～600 m无线现场设备。

3.6 压力表

Honeywell提供的ISA100.11a的无线读表器是与生产现场原有机械压力表配套使用的，它采用图像识别方法在原有压力表上读数，并将机械压力表的读数值数字化后传送到控制室，但整体准确度受限于机械压力表的准确度(通常为1.0级)，只能达到1.5级；Emerson提供的WirelessHART无线压力表则是全新的仪表，同时它还带确保设备与人员安全的双层流程隔离、高达量程范围150倍的过压保护等性能，其0.5级的准确度和可靠性也远优于由机械压力表及配套无线读表器的组合[8]。

3.7 流量变送器

Emerson提供了WirelessHART无线一体化孔板流量计、无线调节孔板流量计、无线紧凑型阿牛巴流量计、无线累计变送器[9]等，这些在ISA100.11a无线产品系列中均找不到对应的产品，因此只能选用WirelessHART的产品了。

3.8 机械设备健康状态监测变送器

以往WirelessHART和ISA100.11a两个标准都可提供旋转机械设备健康状态监测的变送器，如Emerson的WirelessHART AMS9420无线振动变送器可提供包括总体水平、能带、高分辨率光谱和波形在内的完整振动数据诊断技术，Honeywell的ISA100.11a的设备振动(健康状态)监测变送器可监测动设备的振动、位移、转速、轴瓦温度的状态信息，上述两款变送器均可根据振动波形频谱分析进行精细诊断，目标对象都是关键大型旋转设备，价格很高。而YOKOGAWA在2018年开发的无线寿司(Sushi)传感器是一款紧凑型无线设备，可根据设备的振动和表面温度监测设备健康状态，用在工厂非关键旋转设备运行的健康状态监测，如普通的电机、风机、水泵等[10]，价格较低。

3.9 适配器

采用WirelessHART和ISA100.11a两个标准的适配器，都能用于有线HART设备的信息转换，而YOKOGAWA提供的ISA100.11a的FN310现场无线多协议模块，除了支持HART协议转换外，还支持RS-485接口 Modbus协议转换，FN510现场无线多功能模块除可选择模拟输入、数字输入、脉冲输入外，还可输入专用加速度传感器信息以检测加速度和速度。Honeywell的XYR400E无线转接模块，可以无线转接如下协议的第3方设备： RS-232，RS-485，Ethernet。

3.10 温度变送器

大部分无线温度变送器是与热电偶、热电阻配合使用的常规温度检测仪表，但一些性能特殊的温度检测仪表值得关注，比如2014年ABB公司推出的SensyTemp TSP341-W无线非插入式温度测量装置，采用了双传感器设计，同时检测管道的表面温度和环境温度，再与专门开发的补偿计算模型结合准确计算管道内介质温度，在多数测量场合与传统插入式测温装置具有相同的准确度、响应时间[11]。2016年Emerson生产的WirelessHART产品中也推出非插入式无线温度变送器，工作原理与ABB公司上述产品类似[12]。

3.11 网络容量

2019年Emerson推出的新型无线接入点是由无线1410S网关、781S智能天线以及Cisco Catalyst IW6300 Heavy Duty系列接入点整合而成，新型无线接入点可以支持WirelessHART，ISA100.11A，Wi-Fi三网通信，而值得注意的是网络容量由原来接入100台WirelessHART无线现场设备增加到200台或200台WirelessHART加ISA100.11A无线现场设备[13]。在一些无线现场设备密集安装的场合，接入容量加大一倍的接入点无疑是最佳的选择。

4 结束语

流程工业无线通信标准的融合对自控工程设计的影响是深远的，要求自控设计工程师对多个无线通信标准及其产品比以前更深入地了解并融会贯通，还要经常关注无线通信标准及其产品的发展动态，掌握最新的信息，使完成的自控工程设计更优化、更合理、更经济。