全集成式多應用流程行業(yè)無線通信網絡

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，昆明 650051)

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全集成式多應用流程行業(yè)無線通信網絡

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，昆明 650051)

摘要：隨著流程行業(yè)無線通信技術的迅猛發(fā)展，無線網關加無線現場設備的簡單架構的無線網絡已經發(fā)展到全集成式多應用無線通信網絡。簡要總結了全集成式多應用無線通信網絡的特點，重點介紹了多個廠家全集成式多應用無線通信網絡新開發(fā)的現場無線通信網絡設備、系統(tǒng)組成及與主機系統(tǒng)集成。

關鍵詞：流程行業(yè)無線通信全集成式多應用

1概述

流程行業(yè)無線通信網絡可以無縫地將過程控制網絡延伸到工廠的各個角落，在早期的應用中，更多的應用實例局限于一個工序或一個車間數十點的規(guī)模，采用無線網關加無線現場設備的簡單架構。但隨著應用越來越普及，單個應用的規(guī)模已突破一個工序或一個車間的范圍。在這種形勢下，流程行業(yè)無線通信網絡設備的制造廠家不失時機地推出可覆蓋整個工廠的全集成式多應用無線通信網絡，該網絡中既包括簡單的無線現場儀表網絡，也覆蓋多種無線應用的場合。

值得用戶關注的是： 推出可覆蓋整個工廠的全集成式多應用無線網絡的流程行業(yè)無線網絡設備的制造廠家不僅有ISA100，Wireless HART標準的主推廠商霍尼韋爾公司、艾默生過程管理公司，還有推動無線網絡發(fā)展的自動化儀表廠商橫河電機公司和菲尼克斯公司。

2全集成式多應用無線網絡的特點

1) 網絡的規(guī)模擴大，可支持使用成百上千臺無線現場設備的場合。

2) 網絡不僅支持溫度、壓力測量的無線現場儀表網絡應用，還支持移動工作站、無線巡檢、人員安全系統(tǒng)、工廠安全系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等無線應用。

3) 網絡不僅支持流程行業(yè)專用無線網絡標準，如ISA100，Wireless HART，還支持通用無線網絡標準，如WiFi。

4) 網絡設備更多地采用將網關功能分離為接入點和現場無線管理站的架構，以實現同時管理多個現場無線子網通信系統(tǒng)的要求。

5) 由于采用接入點路由和WiFi網絡傳送數據，無線通信速率得以提高。

6) 網絡設備更多地直接采用主流網絡廠家的

通用產品，如思科(Cisco)等公司的產品。

7) 提供了從主機系統(tǒng)到現場無線網絡的全面冗余配置。

8) 擴大了應用范圍，力求在參數控制方面有所突破。

3全集成式多應用無線通信網絡

3.1霍尼韋爾公司產品

3.1.1新開發(fā)的現場無線通信網絡設備

該公司新開發(fā)的現場無線通信網絡稱為“帶Cisco節(jié)點的OneWireless工業(yè)無線架構”，其中新采用的現場無線通信網絡設備有Cisco WLAN 控制器、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備。

OneWireless無線通信網絡采用了支持標準的Cisco公司組態(tài)和拓撲結構統(tǒng)一的無線網絡技術，包括使用冗余交換機、冗余的無線局域網控制器以及多重網絡接入點MAP(mash access point)和根接入點RAP(root access point)，建立一個強大的和高可用性的網絡。

3.1.2系統(tǒng)組成

該公司新開發(fā)的現場無線通信網絡設備組成如圖1所示。Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備和原有系統(tǒng)作為網關使用的多功能節(jié)點的功能完全一樣，可以與ISA100.11a無線現場設備網絡連接，作為無線現場設備的接入點；也可以與IEEE802.11a/b/g/n WiFi設備網絡連接，作為無線WiFi設備的接入點；還可以用作IEEE的802.11a/n(Mesh網狀)無線主干網絡連接，實現多個接入點之間的相互無線通信，構建自組織、自愈合的無線主干網絡。

不同之處在于，該節(jié)點設備還支持802.11n，最大帶寬可達300Mbit/s，所以速度更快，而多功能節(jié)點最大帶寬只有54Mbit/s。該設備內嵌Cisco’s CleanAir技術，能夠優(yōu)化智能無線網絡的通信，降低無線信號干擾，提高通信空間的無線通信質量，明顯改善無線網絡的通信性能，方便用戶的使用。

Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備共有5根天線。上面3根天線是主干網絡和WiFi移動天線；下面2根是ISA100.11a無線儀表天線，可以同無線儀表通信，而且采用了Duocast技術，可實現同時接收數據，通信速度比1根天線時提高1倍，通信距離延長約67%。

Cisco WLAN控制器用于管理Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備，可以降低網絡設計和運行的維護成本。

圖1　采用Cisco 節(jié)點構建的OneWireless工業(yè)無線通信網絡示意

圖1中，多臺Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備作為網絡接入點設備，接入支持ISA100.11a無線現場儀表和支持IEEE 802.11 a/b/g/n WiFi的無線設備(包括： 圖1中所示的移動工作站、無線振動變送器、攝像機、手持設備、無線攜帶式氣體探測器等)，多臺Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備之間又可通過高帶寬的IEEE 802.11 a/n無線Mesh回傳網絡通信。其中的1臺Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備作為根接入點通過IEEE 802.3有線以太網連接到Cisco WLAN 控制器，Cisco WLAN 控制器負責系統(tǒng)內的無線局域網功能，如安全策略、入侵防御、RF管理、服務質量(QoS)和流動性。無線設備管理器WDM可以支持集成ISA 100.11a主干網和ISA 100.11a現場設備的Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點設備，它具有無線現場網絡的網關、系統(tǒng)管理器、安全管理器的功能。無線設備管理器WDM的無線現場網絡容量為40臺Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點或FDAP現場設備接入點、100臺無線現場設備。

3.1.3與主機系統(tǒng)集成

基于R210版本的OneWireless 和R400版本的ExperionTMPKS的無線網絡與主機系統(tǒng)集成如圖2所示，Experion C300控制器通過WDM獲取現場無線儀表的過程數據，C300和WDM的通信協(xié)議為Modbus TCP，在C300中把WDM組態(tài)為Modbus slave即可，或組態(tài)成C300 和WDM的CDA內嵌式通信，Experion PKS 控制模塊可以集成無線儀表的過程數據和報警信息，支持實時監(jiān)視和控制，實現歷史數據存儲，這是在Experion DCS的控制層L2實現的。在DCS中創(chuàng)建“Wireless DMZ”(無線隔離區(qū))，而現場移動操作終端、無線巡檢手持設備、可燃氣體監(jiān)測、即時定位、視頻信號和其他WiFi 802.11a/b/g設備可通過無線主干網絡與Experion DCS的控制層L3路由器連接。 控制層L2是監(jiān)控層，而控制層L3是先進控制和先進應用層。

圖2　OneWireless 工業(yè)無線通信網絡與Experion DCS集成示意

3.2艾默生過程管理公司產品

3.2.1新開發(fā)的現場無線系統(tǒng)設備

從DeltaV 11版開始，提供了DeltaV S系列無線I/O卡(Wireless I/O Card)和781遠程鏈路(Wireless Field Link)組成的全冗余Wireless HART解決方案。在新的架構方案中，還可以看到采用Cisco AP節(jié)點設備作為主干網絡節(jié)點，按其在網絡中的功能也分為MAP和RAP。

3.2.2系統(tǒng)組成

上述新的結構將現有的1420無線網關的功能分為兩個部件： 無線I/O卡和781遠程鏈路，無線I/O卡有2個Ethernet I/O口實現與控制系統(tǒng)DeltaV局域網的有線連接，由遠程鏈路實現與Wireless HART無線現場網絡連接，這兩者之間采用4根導線連接，最遠距離達到200 m。其中一對導線為無線I/O卡電源線，另一對導線為遠程鏈路的通信線。雖然無線I/O卡可以安裝在1級2區(qū)危險的環(huán)境中，但一般安裝在控制室內，遠程鏈路則遠離控制室，可安裝在防爆等級更高的危險的環(huán)境中，如1級1區(qū)。

DeltaV S系列可接入最多120個無線I/O卡和781遠程鏈路，每對冗余的781遠程鏈路可接入最多100臺無線變送器。

采用接入點的方式時，某應用于油井的工業(yè)無線系統(tǒng)設備組成如圖3所示。MAP安裝在Wireless HART原有網關附近，以有線以太網方式與網關連接，采集該井口區(qū)域無線現場設備的信息；多個MAP又以WiFi無線方式將多個井口的無線現場設備的信息傳送到RAP，然后與控制系統(tǒng)以Modbus TCP/IP，OPC等方式連接。

3.2.3與DeltaV主機系統(tǒng)集成

從DeltaV 11版開始，提供了DeltaV S系列無線I/O卡和781遠程鏈路組成的完全冗余的Wireless HART解決方案，如圖4所示，可與所有的DeltaV和AMS的應用實現本地集成。無線I/O卡直接掛在控制網絡上，本身就是控制器的一個節(jié)點，DeltaV提供的組態(tài)工具也完全支持無線I/O卡和無線儀表的組態(tài)、設備監(jiān)視等功能，系統(tǒng)還可以自動識別無線I/O卡和無線設備，可方便快捷地進行安裝和調試。

圖4　Wireless HART工業(yè)無線通信網絡

新的DeltaV架構以冗余遠程鏈路的形式實現全冗余無線網絡，全冗余包括DeltaV通信網絡、24V(DC)電源、無線I/O卡遠程鏈路以及自適應Mesh網絡本身的多條通信路徑。

3.3橫河電機公司產品

3.3.1新開發(fā)的現場無線通信網絡設備

該公司早期開發(fā)的現場無線系統(tǒng)設備包括YFGW710無線現場集成網關和無線現場設備，YFGW710提供網關功能和系統(tǒng)管理器的功能，并直接連接無線現場設備。

新開發(fā)的現場無線設備有YFGW410現場無線管理站、YFGW510現場無線接入點、YFGW610現場無線介質轉換器。YFGW410具有ISA100.11a無線網絡管理功能(即系統(tǒng)管理器和安全管理器的功能)和網關功能；YFGW510現場無線接入點為主干路由器，除可接入現場無線設備外，還可提供IEEE802.11a/b/g(無線局域網)及100BASE-TX和100BASE-FX有線連接；現場無線介質轉換器YFGW610在YFGW410和YFGW510之間主干通信的連接接口作連接轉換，4端口介質轉換器YFGW610安裝在YFGW410和 YFGW510之間，將YFGW410下層的金屬網絡連接(100BASE-TX)的接口轉換成與遠程YFGW510的光纖網絡接口連接(100BASE-FX)。

3.3.2系統(tǒng)組成

圖5　全集成式多應用無線通信網絡設備組成示意

新開發(fā)的全集成式多應用無線通信網絡設備組成如圖5所示。其中，現場無線子網A由YFGW510的現場無線接入點接入子網內現場無線設備的數據，再通過光纖通信傳至YFGW610現場無線介質轉換器，轉換成YFGW410現場無線管理站可接收的下層金屬網絡連接信號(100BASE-TX)；現場無線子網B由YFGW510的現場無線接入點接入子網內現場無線設備的數據，再通過100BASE-TX直接接入YFGW410現場無線管理站；現場無線子網C由YFGW510的現場無線接入點接入子網內現場無線設備的數據后，再通過無線LAN傳到無線LAN接入點，然后與YFGW410現場無線管理站連接。當然，也可通過早期的YFGW710無線現場集成網關以Modbus/TCP的方式接入主機系統(tǒng)。在信息網絡層次，設有現場無線OPC服務器、現場無線管理器、NTP服務器，現場無線OPC服務器的軟件，提供一個基于OPC基金會規(guī)格創(chuàng)建的接口。該服務器軟件通過OPC接口與帶現場無線管理站或現場無線集成網關系統(tǒng)的主機連接。現場無線管理器用來執(zhí)行現場無線網絡的設置和管理。NTP服務器是網絡時間協(xié)議服務器，用于現場無線系統(tǒng)進行精確的時間管理，現場無線系統(tǒng)要求NTP服務器與現場無線管理站或現場無線集成網關相連以共享NTP服務器。1對YFGW410現場無線管理站通過同步電纜彼此連接，對主機系統(tǒng)和YFGW510的現場無線接入點提供冗余的無線網絡管理和網關功能。在圖5所示的每一個現場無線子網中，可安裝1個或多個YFGW510現場無線接入點，可連接多達100臺現場無線設備。1對YFGW410現場無線管理站可以連接多達20個現場無線子網以及500多臺現場無線設備。

3.3.3與主機系統(tǒng)集成

無線系統(tǒng)可與橫河電機目前主要的CENTUM VP DCS連接，即可在CENTUM VP操作和監(jiān)視屏幕上顯示現場設備的測量數據。無線系統(tǒng)與CENTUM VP連接有兩種方式： 在FCS現場控制站通過子系統(tǒng)以太網通信模塊通信(見圖6)和通過通用子系統(tǒng)網關(GSGW)通信。在FCS現場控制站通過子系統(tǒng)以太網通信模塊(ALE111)通信,要求CENTUM VP為R4版本。

3.4菲尼克斯公司產品

該公司的WLAN接入點可與多臺RAD無線網關組成回傳網絡，這些設備都集成了802.11b/g WLAN收發(fā)器，通過WiFi將采集的所有信息傳送到WLAN接入點，然后以標準的Ethernet接口與主機系統(tǒng)相連，如圖7所示。

4結束語

隨著流程行業(yè)無線通信技術的迅猛發(fā)展，無線網關加無線現場設備的簡單架構的無線網絡已經發(fā)展到全集成式多應用無線通信網絡。使得僅支持無線變送器應用擴展到支持移動工作站、無線巡檢、人員安全系統(tǒng)、工廠安全系統(tǒng)、視頻監(jiān)控的應用，提高了無線通信速率，擴大了應用規(guī)模，并提供了覆蓋從主機系統(tǒng)到現場無線網絡的全面冗余配置。

圖6　CENTUM VP DCS采用FCS通過子系統(tǒng)通信示意

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Fully Integrated Multi-application Wireless Communication Network for Process Industry

Fang Yuanbai

(Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co. Ltd.,

Kunming, 650051, China)

Abstract：With rapid development of wireless communication technology in process industry, wireless network with simple architecture of wireless gateway and wireless field devices has been developed to a fully integrated multi-application wireless communication network. The characteristics of fully integrated multi-application wireless communication network are briefly summarized. On site wireless communication network devices, system composition and integration with host system for newly developed fully integrated multi-application wireless communication network from a number of manufacturers are introduced with emphasis.

Key words：process industry; wireless communication; fully integrated; multi-application

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)02-0001-06

作者簡介：方原柏(1942—)，男，湖北黃岡人，發(fā)表論文280余篇，出版《電子皮帶秤的原理及應用》、《電子皮帶秤》、《流程行業(yè)無線通信技術及應用》三本專著，任昆明有色冶金設計研究院教授級高級工程師，昆明儀器儀表學會理事長，《冶金自動化》、《衡器》、《儀器儀表用戶》、《自動化與儀器儀表》、《自動化信息》等雜志編委，中國衡器協(xié)會技術專家委員會顧問。

稿件收到日期： 2015-02-02。