基于ISA100.11a協(xié)議的工業(yè)無線應用在冶金行業(yè)的研究與測試

凌韋偉，李 靜

LING Wei-wei, LI Jing

（北京科技大學 高效軋制國家工程中心，北京 100083）

0 引言

冶金及相近行業(yè)的生產(chǎn)線有著大量的傳感器，其中許多傳感器安裝位置特殊，不適合布線或需要較長電纜，而工業(yè)無線傳感器成本低、建設(shè)工程周期短、適應性和擴展性好、便于維護，有著得天獨厚的優(yōu)勢；另外，在一些易燃、易爆、有毒物質(zhì)的檢測中，采用工業(yè)無線傳感器將會更加安全[1]。隨著工業(yè)經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展，冶金業(yè)的規(guī)模和生產(chǎn)能力得到不斷擴大和提升，有時需要對已投產(chǎn)的生產(chǎn)線采集新的工藝參數(shù)作為參考，或因設(shè)備故障需臨時增添一個測試點，傳統(tǒng)的有線方式會帶來較大的人力和資金成本輸出；同時對于冶金行業(yè)的廠區(qū)耗費較多人工成本的定時巡檢，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)都提供了一種新的解決途徑。

現(xiàn)下國內(nèi)外有很多針對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究，但因沒有一個國際統(tǒng)一的工業(yè)無線通信標準而沒有推廣應用[2]，本文以國際上使用率最高的ISA100.11a協(xié)議為核心，針對冶金行業(yè)高溫、高濕、高危、高灰塵、震動、不間斷生產(chǎn)等一系列冶金特有工業(yè)環(huán)境設(shè)計的適冶金行業(yè)的無線設(shè)備模塊，結(jié)合傳感器技術(shù)或嵌入操作箱、手持設(shè)備等在冶金行業(yè)現(xiàn)場進行測試，取得較好的性能結(jié)果，為工業(yè)無線技術(shù)在冶金行業(yè)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 ISA100.11a協(xié)議概述

ISA100.11a協(xié)議由美國儀器儀表(ISA)下屬的工業(yè)無線委員會制定，以用戶需求為導向，希望工業(yè)無線設(shè)備以低復雜度、合理的成本和低能耗、適當?shù)耐ㄐ潘俾蕽M足工業(yè)現(xiàn)場的應用，是第一個開放的、面向于多種工業(yè)應用的標準。

該協(xié)議定義了五種類型的設(shè)備角色：上位機控制系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)、骨干路由器、現(xiàn)場設(shè)備、手持設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓撲。ISA100.11a協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)7層模型為基礎(chǔ)。其關(guān)鍵技術(shù)如同步的時隙通信、跳信道、時間同步和路由等有效的保證了網(wǎng)絡(luò)的健康運行。ISA100.11a構(gòu)建骨干網(wǎng)，可以更直接地無線傳遞數(shù)據(jù)信息，減少無線傳輸跳數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時優(yōu)勢更加突出。骨干網(wǎng)路減少和避免了多跳網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸部確定時不可靠、高風險、能耗大等問題。對于非自身的數(shù)據(jù)包需要在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸時，ISA100.11a也提供了有效的措施與之共存并傳遞數(shù)據(jù)包，從而能很好的與現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場協(xié)議兼容。

圖1 現(xiàn)場平面圖

2 現(xiàn)場無線設(shè)備應用效果

對于上述的無線設(shè)備在冶金現(xiàn)場進行了先后兩次的實地測試，對測試中出現(xiàn)的不可預測的問題進行針對性的優(yōu)化改進。現(xiàn)場環(huán)境存在很多不可確定因素如：1)手臺的使用頻率較高；2)鋼錠鋼帶的強紅外輻射；3)電焊機等機械的大量使用；4)現(xiàn)場的各種紅外等檢測設(shè)備；5)大型電機的強磁干擾。現(xiàn)場以大型設(shè)備為主以及很多的可移動設(shè)備，均會對設(shè)備的通信過程造成一定的影響，故需對現(xiàn)場的位置做針對性的規(guī)劃和調(diào)整，適當規(guī)避障礙。圖1為現(xiàn)場車間的簡圖。

2.1 前期測試方案與結(jié)果

測試中，YTA系列設(shè)備為國外某知名公司已投放市場產(chǎn)品，WF系列及網(wǎng)關(guān)為所研發(fā)設(shè)備。針對熱軋車間具體的空間位置，將網(wǎng)關(guān)放置于電氣室，通過以太網(wǎng)連接上位機，通過界面程序觀測實時數(shù)據(jù)。將YTA-49和一臺WF設(shè)備至于常關(guān)閉的主傳動控制室內(nèi)，與網(wǎng)關(guān)之間有三堵輕體墻和精軋機組的阻礙。WF001和YTA-N至于層流冷卻另側(cè)，WF002和003分別至于飛剪機和粗軋2號機頂。圖2為設(shè)備在7個小時內(nèi)的通信情況。

從數(shù)據(jù)中可以看出在常關(guān)閉的主電氣傳動控制室內(nèi)的YTA-N設(shè)備能與網(wǎng)關(guān)建立通信，但通信狀況較差，丟包率較高，安全性和穩(wěn)定性不能得到保障，而位于同一位置的WF設(shè)備不能搜索并加入網(wǎng)絡(luò)中，因此在監(jiān)測界面中沒有此設(shè)備信息。WF001設(shè)備至于層流冷卻側(cè)，雖能與網(wǎng)關(guān)良好通信，但其重加入網(wǎng)絡(luò)的次數(shù)為4次，即水流對其通信有一定的干擾，相比較國外設(shè)備則無此影響。其他兩臺設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間可視傳輸，丟包率均較低，通信情況良好。

2.2 測試問題的分析及相應修改策略

通過對前期測試的通信結(jié)果分析，認為前期WF設(shè)備存在著運行過程中會自動離開網(wǎng)絡(luò)和出現(xiàn)干擾離開網(wǎng)絡(luò)，在離開網(wǎng)絡(luò)后重新加入網(wǎng)絡(luò)的時間變長。因此設(shè)備的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的健壯性不能保證；測試中設(shè)備的電量消耗不均，有些路由設(shè)備電量消耗過快。針對出現(xiàn)的問題進行了修改優(yōu)化。主要修改策略如下：

圖2 設(shè)備通信情況

圖3 修改后WF系列設(shè)備狀態(tài)

圖4 新一代國外產(chǎn)品運行狀態(tài)

修改了ISA100協(xié)議中規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)確認包即HRCO數(shù)據(jù)幀的接發(fā)機制，在確保網(wǎng)絡(luò)健康性的基礎(chǔ)上降低了對算法資源的消耗。

修改算法對正在加入網(wǎng)絡(luò)但未能正確加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理機制，增加對已離開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的算法資源回收機制，對多設(shè)備加入時的算法資源分配進行了改進，對已加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的算法資源進行了優(yōu)化。

工業(yè)現(xiàn)場無線設(shè)備大部分是不需移動的，而冶金現(xiàn)場是24小時生產(chǎn)，因此就需要無線系統(tǒng)的節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)壽命有著較為嚴格的要求。增加路由算法的能量均衡機制，協(xié)調(diào)利用處于關(guān)鍵路由位置的節(jié)點，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.3 修改后的設(shè)備測試情況

分別將優(yōu)化后的WF設(shè)備依次置于層流區(qū)，飛剪機，加熱爐、精軋傳動，粗軋傳動，卷取機機腳處，同時將新一代的國外設(shè)備同時置于加熱爐處，測試1星期得到的測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

WF系列的3號設(shè)備與YTA同置于離網(wǎng)關(guān)200多米處的加熱爐出口處，與網(wǎng)關(guān)間較空曠，但有鋼培的熱輻射影響，從測試結(jié)果中可以看出WF設(shè)備比國外設(shè)備要有更好的穩(wěn)定性和通信質(zhì)量，WF設(shè)備沒有出現(xiàn)前期測試時出現(xiàn)的無法加入網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象，且丟包率(PER)較低，測試過程中沒有出現(xiàn)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)重新加入的情況；而國外設(shè)備在相同測試時間內(nèi)還是會出現(xiàn)設(shè)備的重啟以及較高的丟包率。在前期測試中因?qū)恿魉挠绊懚斐稍O(shè)備離線的情況和因墻體的阻礙和電機影響而造成的設(shè)備離線情況也均未出現(xiàn)，且都具有較低的丟包率。

無線信號的強度在穿越墻體和大型機械時都會有相應的衰減，而現(xiàn)場有些需要測量的區(qū)域較為狹小、封閉。而WF系列設(shè)備在有較多的障礙物時，通信距離會相應減小，就會造成有些區(qū)域內(nèi)的設(shè)備無法加入網(wǎng)絡(luò)，此時需要針對不同的現(xiàn)場和應用環(huán)境適當?shù)臄[放部分路由角色設(shè)備，從而組建成多跳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但跳數(shù)越多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)延時性和不穩(wěn)定性較大，一般在車間內(nèi)推薦兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除特殊區(qū)域外，星型網(wǎng)絡(luò)能覆蓋整個的工業(yè)車間，滿足現(xiàn)場的各種需監(jiān)測的環(huán)境，形成穩(wěn)定、實時且安全性較高的無線網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)束語

從以上數(shù)據(jù)可以看出，基于ISA100.11a協(xié)議和冶金環(huán)境所開發(fā)出的設(shè)備擁有與國外設(shè)備相接近的運行能力，在某些性能上猶有過之，但在成本上比國外設(shè)備具有很大的優(yōu)勢。研制出的設(shè)備具有較強的穿透性以及抗干擾能力，能穩(wěn)定、實時地將數(shù)據(jù)反饋給上位系統(tǒng)，而且移動性較好，安裝、拆卸都比較便捷。能協(xié)助對現(xiàn)場生產(chǎn)線的監(jiān)測，幫助現(xiàn)場人員更早地發(fā)現(xiàn)一些惡性事故的發(fā)生，減少因設(shè)備故障造成的損失。但此次設(shè)備還缺少更為長期的現(xiàn)場使用體驗，對長期環(huán)境下的設(shè)備健康度和電池使用壽命等缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著對ISA100.11a協(xié)議的進一步針對性優(yōu)化，會使得設(shè)備的成本進一步下降，為大規(guī)模的使用與推廣打下更優(yōu)的前提。

[1]劉揚,曾鵬,尚志軍,等.基于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)的儲油罐監(jiān)測系統(tǒng)[J].南京信息工程大學學報,2011,3(5):444-447.

[2]張建奇,黨洪濤,工業(yè)無線關(guān)鍵技術(shù)ISA1001.11a概述[J].自動化技術(shù)與應用,2012,31(11):33-36.

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