漕涇熱電管網計量監測智能無線技術解決方案

上海漕涇熱電有限責任公司 唐榮

漕涇熱電管網計量監測智能無線技術解決方案

上海漕涇熱電有限責任公司 唐榮

上海漕涇熱電有限責任公司地處上海化學工業區內，除發電外，還為化學工業區內的企業供熱。我公司熱網各計量站分布在各用戶廠內，熱網控制側測量點的特點是：距離遠、分布零散，巡檢需要進出用戶廠區，出入手續繁雜，這就要求使用現場安裝方便、易擴展并有遠程監測診斷處理的能力的現場儀表。Hart基金會推廣的WirelessHART無線網絡技術很好的滿足上述要求，因此，現我公司開始著手引進WirelessHART無線技術，并準備進行無線網絡儀表安裝和調試。本文嘗試對WirelessHART無線網絡通訊特點，無線設備（網關、無線儀表）、現場網絡設計加以分析，以艾默生的智能無線設備為例，結合實際提出在熱電管網中應用智能無線技術解決方案。

1 熱電管網監控的特殊性

該公司熱網各計量站分布在各用戶現場內，目前有26個計量站，還在不斷地擴展中，客戶對我公司提供的蒸汽安全性和品質提出較高的要求，蒸汽斷供或蒸汽壓力波動大將直接影響客戶的安全生產，故計量站儀表故障需及時解決，儀表設備需配在線檢測功能，以便根據儀表故障預警信息，無需進入客戶現場即可以遠程解決儀表故障，提高儀表維護效率能力。

2 目前熱網控制系統框架結構及存在的不足

目前熱網系統的26個計量站，每個計量站單獨有一臺控制系統,配置PLC和相關的壓力、溫度等現場測量儀表，這些儀表多數為智能儀表，支持HATR協議，但熱網PLC并不支持HART功能，只能接入4～20mA信號監視過程值，無法進一步監視儀表的設備狀態和遠程配置，而在整個控制系統的故障構成因素中，儀表故障占據了極大的比例，熱網系統曾多次出現因儀表故障造成供氣中斷的事故,引起客戶的投訴甚至索賠。鑒于供熱正常的極其重要性。很有必要在線檢測設備的運行狀態。并能夠分析儀表的故障原因和提供相應的解決辦法。

3 WirelessHART無線通訊的特點

無線HART是一種專門為過程自動化應用設計的無線網格型網絡通信協議。它是HART現場通信協議第七版HART7.0的核心部分。與所有符合HART協議的儀表和設備一樣，無線HART兼容于現有的HART設備和應用。現有的HART應用（包括控制系統、PLC、維護工具、資產設備管理應用等），無需進行任何軟件升級，都可以利用無線HART協議。它采用工作于2.4GHzISM射頻頻段、具有安全、穩健的網格拓撲聯網技術。無線HART的架構設計時考慮易于使用、可靠，以及與無線傳感器網格型協議相兼容。它規定所有的兼容設備必須支持可互操作性，這就是說不同制造廠提供的無線HART儀表和設備，無需進行系統操作就能實現互換，即連即用。再者，無線HART兼容于HART的核心技術，諸如HART的命令結構和設備描述語言DDL。所有的HART設備（例如網管、網關、現場設備等等）都應支持DDL。無線HART通信利用時分多址TDMA技術來協調調度網絡設備間的通信。TDMA數據鏈路層以指定時間槽和信道（頻率）的方式來建立網絡中各設備間的鏈接，這些鏈接組織成周期性重復的超幀結構，以支持定時循環的通信流和非循環的通信流。為了彈性地利用通信帶寬，鏈接可以是專用的（如為保證過程數據以最小的延遲傳送），也可以是共享的。傳統的HART協議是一種支持請求/響應和過程數據發布兩類通信的令牌傳送網絡。將無線HART納入整個HART的結構，就包括了附加的無線HART的物理層IEEE802.15.4-2006和TDMA數據鏈路層。其網絡層完整地規范了使用全無線網格化的網絡的部署，應用層則支持HART的應用層。無線HART規定了三種主要的網絡要素：無線HART現場設備、無線HART網關和無線HART網絡管理器。同時支持無線HART適配器，以便將現有的HART設備接入無線HART網絡。值得注意的是，在無線HART網絡中，網關僅承擔無線HART儀表與主應用系統之間的通信，它既支持一個或多個接入點，又和其接入點都包括在每個無線HART網絡中；另外也支持冗余網關的結構。網絡管理器負責網絡的組態、無線HART網絡設備之間的通信調度、路徑表的管理和無線HART網絡健康狀況的報告。這一特點與許多無線短程網規定的網關又承擔網絡的組態有顯著的不同，較好地解決了工業控制系統要求以冗余機制獲取可靠傳輸的要求。圖1完整表術了無線HART的網絡結構。

圖1 無線HART的網絡結構圖

3.1 IEC62591WirelessHART標準的特點

WirelessHART是自組織、自適應網狀結構，不要求用戶具有無線技術方面的專門知識，設備在網絡中會自動查找最佳的通訊路徑；網絡具有自適應功能，無需人員干預就可以可靠運行，網絡的擴展和重組能力強；同時支持星形和網狀拓撲具有自修復功能，網絡具有連續監視通訊路徑的功能，當某個節點通訊性能下降時，它能自行修復；如果網狀網絡出現障礙，設備將自動尋找其它最佳替換通訊路徑，創建新的通訊路徑以保證信息繼續暢通。

WirelessHART符合工業標準，帶信道跳頻技術，符合IEEE802.15.4無線標準；采用2.4GHz通用頻率，分成16信道；采用擴展跳頻(FHSS)和直接序列擴頻（DSSS）技術，具有極高的可靠性。

WirelessHART與現有主機系統可實現無縫連接，網關與現有主機系統的集成是透明和無縫的；主機控制系統無需升級和特別軟件，網關的接入采用標準的接口協議。

4 WirelessHART無線設備

一個工程應用的WirelessHART網絡需要有無線現場設備/ WirelessHART適配器、無線網關和主機組成。

無線現場設備含有測量傳感器或用于過程輸出動作的現場設備，作為無線網絡的一個節點，負責測量現場過程參數并把數據傳送到網關中，現在應用作為普遍的是無線壓力、溫度變送器，以及閥門位置反饋變送器等。

WirelessHART適配器的作用是將有線HART設備的HART信號以無線信號輸出，加入WirelessHART現場網絡，主要有以下三種應用：

（1）由于主機系統的局限性，HART信號不能通過4-20毫安回路傳輸診斷信息時，采用適配器可以獲取HART診斷信息。

（2）為原本不能進行無線傳輸的HART設備提供無線傳輸。

（3）便于其他不能直接進入控制系統的用戶訪問設備診斷信息。這種情況下，有線信號仍然通過網線發送到控制中心，而其他辦公地點的維護、可靠性及其他人員就可通過無線信號獲取設備診斷信息。

適配器是利用現有有線儀表的供電工作，本身無需電池。適配器一般帶螺紋接口，可直接插入HART設備上的電氣接口獲得回路供電。通過無線適配器，用戶可以方便、經濟有效地將任何一個HART設備轉換為無線設備，以擴大應用范圍，如儲罐液位、雷達液位、超聲波液位、流量、閥門、液體和氣體分析、壓力和溫度的測量。

智能網關的作用是實現無線現場設備和連接到以太網、串行或其他現有工廠網絡的主機系統的通信、管理無線現場網絡、管理網絡安全。理論上講，網關就是編組柜和接線盒的無線版本，它具備以下功能和特點：

（1）網關能夠管理網關啟動、網絡管理和安全管理。

（2）根據安全規定，網關應能控制網絡訪問。網關可包括多個用戶賬戶，這些帳戶按照安全等級和組態參數具備不同等級的訪問級別。

（3）網關能輸出多種協議，確保與不同類型的主機系統進行集成。在任何過程行業的工廠里都可能有不同類型的DCS、PLC和記錄儀，這些設備采用不同的輸出協議。多種輸出協議都可以與標準網關相連接。

（4）網關能夠支持多個連接，類似于一個服務器。典型的WirelessHART應用要求能夠把數據傳輸給不同的主機應用程序，便于將數據提供給不同的最終用戶。

（5）網關能夠通過經過加密的以太網實現所有協議的安全轉換。

（6）網關具備互操作性，并能管理不同供應商提供的WirelessHART設備組成的網絡。

5 無線網絡可靠性與安全性

智能無線技術的一大特點是采用了自組織網格網狀MESH拓撲結構，而不是常見的點對點結構。點對點拓撲結構中，每一臺設備直接與網關通訊，設備與網關之間的通訊路徑要求完全可視，而這在現場是比較難以做到的；網格網狀MESH拓撲結構中，每一臺無線設備都可以作為其他無線設備的中繼路由，設備與網關之間無需完全可視。同時自組織特性保證了網絡中每個設備至少有兩個通訊路徑，網絡會對通訊衰減和需要自我修復的路徑進行連續監測，一旦其中的一條通信路徑由于某種原因被中斷，網絡會自動將信號重新路由到鄰近的設備，從而確保了智能無線技術在復雜的工廠環境中依然可靠。

智能無線技術將2.4GHz頻段分成16個更窄的頻段，并采用跳頻技術和TDMA(時分多址)技術保證了系統抗干擾能力，如果在其中的一個頻段檢測到干擾，網絡通訊將切換到另外一個頻段。在網絡安全方面，通過先進的基于標準的加密以及驗證、認證、密鑰管理和抗干擾技術提供可靠、多級、始終有效的安全性，智能無線技術內置了數據加密與校驗，發送設備與接收設備之間也需要身份驗證，數據的訪問也需要相應的權限才能進行。

智能無線采用符合高級加密標準（NIST標準FIPS-197）的端到端128位加密技術。出于驗證目的，各網關都擁有一份允許與其通信的設備的“白名單”，并且單個設備僅接受來自先前確定的網關或其他已認證網關的設備消息。

分離連接和網絡密鑰可設置為自動輪換或按需要進行更改。實施無線HART標準將在兩個網絡設備之間增加通信會話密鑰，這樣其他設備就無法“竊聽”。這些密鑰也可以輪換。

此外，值得一提的是，智能無線現場設備完全由電池供電，這得益于對現場設備進行的低功耗改造，使得無線裝置可以在現場連續工作數年而不用更換電池。以艾默生公司智能電源模塊為例，其采用的電池包含多項專利，具有本安、防短路等多項特性，可以在危險環境中隨意更換而無需采取特殊安全措施。

6 WirelessHART現場網絡設計

設計一個網絡有以下四個關鍵步驟：

（1）確定范圍，將無線現場網絡分配給某個工藝單元或工藝單元的某個環節。有線HART網絡的分段管理設計規則同樣適用于WirelessHART網絡。簡單地說，所有工藝設施都分為基礎設施、自動化設備和人員。WirelessHART網絡不僅可以自行加入到工藝環境中，而且可以自行加入到工藝設施的結構中。如果工藝設施不在戶外，也有一些固有的結構可用于確定網絡范圍。在確定網絡范圍時，設計工程師應考慮到網絡的備用容量。每個工藝單元至少應配備單獨的網關，留出備用容量，便于實時解決問題。如果項目較小并且應用比較集中，即使測點總數沒有超過網關的容量，一般也需要配置一個網關。智能無線網關設計規格為可連接100臺設備，設計時考慮留有擴展的余地。

（2）制定設計規范，制定設計規范時應考慮的要點：確定哪些類型的測點應為無線接入：安全、控制、監測及本地顯示。目前WirelessHART網絡推薦系統用于閉環監督控制（通常不緊急）、開環控制（回路中有人工介入）、記錄或遠程維護的參數。

（3）安裝。WirelessHART設備的安裝與有線HART設備的安裝相同。需要強調的是，無線設備的過程連接應該盡可能保持最好，以獲得準確的測量結果。因為采用WirelessHART自組織網格網絡技術，無線現場設備將在工藝環境中自動尋找最佳通訊路徑，并在環境發生變化時自動尋找最優的通訊路徑。WirelessHART適配器一般安裝在現有的HART設備上或其回路的某個地方。一般建議先安裝網關，然后再同時進行無線現場設備的安裝調試和與主機系統的集成。過程連接完成，無線現場設備即安裝完成。

（4）調試。按照WirelessHART網關來進行分別調試。因為網關將無線現場設備連接到主機系統，所以一旦WirelessHART設備與網關正常通訊即可確保整個網絡的正確連接。無線回路檢查能確保無線設備通過網關與主機系統的集成。調試時將工藝和WirelessHART設備相互作用，可確保設備操作正常。

雖然不同行業有不同的工藝環境，不同環境的物理結構導致項目具體內容也有所不同，但以上四個基本步驟適用于所有情況，并適用于所有供應商提供的WirelessHART設備。WirelessHART網絡中加入的設備越多，網絡越強大，因此網絡中設備密度很高時確定范圍這一步驟更為重要。

7 熱網系統智能無線的方案

7.1 熱網的網絡結構

熱網系統由上下兩層網絡結構組成，下層網絡由熱網數據服務器、各計量站PLC組成；上層網絡為數據服務器和客戶機組成。熱網系統共有2臺冗余的服務器，3臺客戶機和1臺工程師站組成。具體的網絡結構如圖2所示。

本熱網無線網絡采用艾默生智能無線網絡技術，遵循WirelessHART標準，該系統用于熱網儀表的監視、記錄或遠程維護的參數，作為熱網儀表實時過程數據的補充和拓展。

圖2 熱網網絡結構圖

7.2 熱網智能無線的配置

以熱網實際安裝的計量站作為一個網絡單元，給每個計量站中智能儀表加裝艾默生智能無線適配器THUM775,THUM適配器是有線hart設備升級設備，它將有線HART設備升級為無線設備，它利用現有有線儀表的供電工作，無需電池，不影響現有有線設備的性能，同時可以將有線設備的Hart測量值、診斷信息通過無線方式無線傳送到智能網關，這樣每個現場儀表就成為一個無線節點。

對于無線網關的配置，原則上每個計量站配置一臺愛默生1420智能無線網關，出于經濟性能考慮，距離在300米范圍之內的計量站可以共用一臺網關,各計量站網關可以構成一個自適應網格架構網絡，實現儀表節點與網關之間的多重冗余路徑，數據可靠性將得到大大提升，達到99%。計量站的1420網關是連接現場設備和控制系統的橋梁，實現網絡管理、數據管理和設備管理的三大功能。首先網關要管理其轄區內的無線設備，根據其位置分布自動建立通訊網絡，保證各個被檢測的工藝參數準確可靠的傳輸到網關，一旦網絡建立，即利用標準接口和支持相應的通訊協議將收集到的工藝數據和設備狀態數據送入控制系統內，以實現對現場設備及工藝數據的監控。

1420智能無線網關一般安裝在各計量站小操作間的外墻上，由計量站PLC控制柜提供24VDC電源。對于相鄰計量站共用的網關，一般安裝在位置居中計量站小室內，通過外接天線的形式連接到網關上，滿足復雜現場環境的要求。

7.3 無線與控制系統的連接

充分利用熱網現有的PLC下層網絡，1420網關通過RJ45超5類網線就地接入計量站PLC的以太網網絡中，并與PLC的數據共用一根光纖接入熱網骨干交換機，繼而與熱網服務器連接，納入熱網的控制網絡中。

1420網關支持多種通訊協議的接口與上層主機連接，主要有ModbusRS485，ModbusTCP/IP或OPC，熱網人機接口為IFIX軟件，熱網采用OPC通訊方式。

7.4 無線網絡的配置

無線網絡的配置相對比較簡單，分現場設備的配置和網關的配置兩個環節。現場設備的配置主要是JoinKey、NetworkID及數據刷新速率等的配置，JoinKey和NetworkID分別為和無線設備通訊的握手密碼和網絡標識，數據更新速率根據實際需要確定。這些參數的設定可以通過支持無線版本的HART375手操器進行，也可以在隨機配備的無線配置軟件中進行設置。

網關的配置需要從熱網工程師站電腦登陸1420網關進行，主要有安全配置，網絡標識配置，IP地址配置，與主機通訊配置等，此外還有網絡監視和診斷，如各節點儀表實時測量值，供電情況等。

7.5 無線產品與控制系統的集成

在1420網關內嵌軟件中選擇OPC協議，在HART中設置儀表參數，在Setup—>OPC中設置要映射上傳到上位機的變量.在熱網服務器的IFIX軟件中建立一個OPCCLIENT的IO連接，并在IFIX數據庫中建立在1420網關中對應的變量名稱，進行連接和HMI畫面組態，就能正確顯示測量值。

8 無線產品的應用及評價

智能無線改變了工廠的現場儀表的維護模式，維護模式從被動模式轉為主動預測性維護模式，維護人員可以在設備發出預警信息時主動去檢查設備的狀況，在設備故障擴大化之前修復好，避免故障進一步惡化，這樣既可以減少設備的維護成本，又可以隨時掌握設備的運行健康狀況，保障工藝的連續穩定運行，這對于安全穩定第一的熱網系統尤為重要。此外智能無線的優點還體現在建立無線網絡無需現場勘察，無需前期工程設計，更不需要特殊工具，安裝和調試工作只需很短時間內就可完成。用戶可以方便地在自組織網絡中添加新的設備，并可以無限擴充。與傳統的有線網絡相比節省了、人工、電纜和穿線管等就地施工費用，也不需要購買模擬量卡件，施工及調試的時間也大大縮短。

9 結束語

綜上所述，WirelessHART在熱網系統的運用是切實可靠的，也可預見它的成功投運將極大提高熱網儀表的自動化水平，挖掘儀表的潛能，進一步保障熱網系統的安全穩定運行。隨著無線技術及自動化技術的迅猛發展，無線技術已經被廣泛使用，作為行業標準得到推廣應用。在許多領域，人們正在將目光投向智能無線技術，WirelessHART以其高度可靠性和安全性的技術特點將被普遍應用到各種工業場合中。

[1] 艾默生過程控制公司. IEC62591WirelessHART標準.

[2] 林永春. 智能無線現場網絡方案概述[J]. 自動化博覽, 2009, 26 (3) : 22-25

[3] 吳雪松. 艾默生智能無線技術在江蘇金翔三期油庫罐區計量系統中的應用[J]. 自動化博覽, 2011(s1).

唐榮（1970-），男，上海人，大專，熱工自動裝置檢修技師，現就職于上海漕涇熱電有限責任公司，從事熱控點檢工作，主要研究方向熱工自動裝置和熱控控制系統。