工業無線網絡的設備類型

Device Types of Industrial Wireless Network

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，云南 昆明　650051)

工業無線網絡的設備類型

Device Types of Industrial Wireless Network

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，云南 昆明650051)

摘要：工業無線網絡技術是當前工業自動化領域關注的熱點之一，工業無線網絡包括多種設備類型。針對某個具體應用、不同的工業無線網絡標準、不同公司的工業無線網絡產品，組成工業無線網絡的設備類型也有所不同。初步了解工業無線網絡的各種設備類型，能較為深入地理解不同標準的特點。

關鍵詞：工業無線網絡工業無線網絡標準設備類型工業自動化

Abstract：At present, the technology of industrial wireless network is one of the hot spots in the field of process automation, while the industrial wireless network includes a variety of device types. For a specific application, different industrial wireless network standard, with products of industrial wireless network from different manufacturer, the device types composing industrial wireless network may also be different. Preliminary understanding of various device types of industrial wireless network will be helpful to understand the features of different standards in-depth.

Keywords：Industrial wireless networkIndustrial wireless network standardsDevice typesProcess automation

0引言

國際上目前引起業界廣泛關注的工業無線網絡通信標準主要有Wireless HART、ISA 100.11a和WIA-PA。這些標準雖然各有特點，但從構成無線網絡通信的設備類型上講，還是差別小而共同點更多。

一般來說，工業無線網絡包括以下設備類型。

① 現場設備：是連接到工業過程上用來測量或者控制工業過程，實現現場檢測、數據處理、執行機構等的終端節點。

② 路由設備：是一種能為一個網絡設備轉發數據到另一個設備的網絡設備，即提供路由器服務的設備。路由設備可以由支持路由功能的現場設備承擔，也可以是獨立的路由設備。

③ 適配器：將有線HART協議的設備或其他協議的設備連接到無線網絡的設備，使有線HART設備或其他協議的有線設備升級為無線現場設備。

④ 中繼器：用于強化無線現場網絡，如用于擴展無線網絡通信范圍或改善通信質量的網絡設備。

⑤ 手持設備：操作人員現場移動時隨身攜帶的可連接到無線網狀網絡的設備，用于網絡設備的安裝、維護和操作。

⑥ 接入點：是一種位于網關和工業無線網絡之間的網絡設備。接入點的一側與工業無線網絡相連，另外一側是與網關的外部連接，如以太網、WiFi網絡或專用網絡連接。

⑦ 網關：作為上位機與工業無線網絡之間的橋梁設備，能用于兩個不同網絡間的協議轉換，使兩個或多個不同協議的網絡看起來像同種協議的網絡一樣，并且還能實現命令和數據的格式轉換。

⑧ 網絡管理器：負責整個網絡的管理、調度和優化的網絡設備，如網絡的形成、配置新網絡設備、讓新網絡設備加入網絡以及監測網絡。

⑨ 安全管理器：一種應用程序，用于管理網絡設備的安全資源和監控網絡安全狀態，如生成和管理工業無線網絡所用到的密碼信息，也負責生成、存儲和管理各種密鑰。

1工業無線網絡的設備類型

1.1　現場設備

現場設備是變送器、執行機構等終端設備，即能夠提供測量值或能夠向執行器給出指令的設備。通常現場設備是生產廠家在原有有線現場設備的基礎上進行一些優化改造(如低功耗改造)而成的。變送器通常用來測量溫度、壓力、流量、物位、成分、振動、腐蝕量等生產過程中涉及到的參數，執行機構包括閥門之類的終端控制設備。

Wireless HART工業無線網絡的現場設備要求首先是HART現場設備，遵守HART現場設備的要求，支持所有HART通用命令、一些HART常規命令及針對Wireless HART設備定義的標準化的命令和程序。Wireless HART工業無線網絡的現場設備包括各種無線壓力、溫度、分析、閥門位置、振動、開關量等參數的變送器。

ISA 100.11a(One Wireless)工業無線網絡的無線現場設備的品種有兩類，一類為支持ISA 100.11a通信的無線變送器，一類為支持802.11 WiFi通信的無線設備。支持ISA 100.11a的無線變送器包括無線壓力、溫度、腐蝕量、開關量、模擬量、多輸入組合、雷達、閥門回訊等變送器。支持802.11WiFi的無線設備包括無線設備振動(健康狀態)監測變送器、無線讀表器、無線視頻、移動工作站、無線巡檢等。

WIA-PA工業無線網絡的無線現場設備目前提供的無線設備有無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線I/O設備(可接AI/AO/DI等類型信號)、無線稱重變送器、無線HART適配器、無線核探測頭變送器、無線油井示功儀、無線投入式液位計、無線紅外測溫變送器、無線溫濕度變送器、無線油井注水閥門控制器、無線可燃有毒氣體變送器等。

1.2　路由設備

路由是指從一個接口上收到數據包，根據數據包的目的地址進行定向發送并轉發到另一個接口的過程。完成這一過程的設備稱為路由設備或路由器。路由設備可以自尋相鄰的現場設備，形成工業無線現場設備網絡。所以，路由設備的工作包含兩個基本的動作：確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息(即數據交換)。

Wireless HART系統中的無線現場設備通常具有路由功能，距離無線網關較遠或與無線網關之間有障礙物的無線現場設備可通過確定最佳路徑由鄰近的無線現場設備路由，將其信息傳送到無線網關，這是路由功能最大的優點。解決方案的主要特征是現場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數，而且可以同時為其他儀表的通信進行路由。

WIA-PA系統早期有專用的路由設備，而且是可以接收多臺現場設備信號的路由設備。但據了解，目前路由功能均作為無線現場設備功能的一部分提供。

One Wireless的早期版本不支持路由功能，而無線現場設備不帶路由功能，這就要求作為無線網關的多功能節點Multinode以及隨后推出的現場設備接入點FDAP與所有無線現場設備之間沒有障礙物，能直接通信。2010年6月推出的版本R200中，無線現場設備通過組態可以執行路由功能或不執行路由功能。當組態為執行路由功能時，它與Wireless HART、WIA-PA系統在路由這一點上就沒有區別；當組態為不執行路由功能時，現場設備接入點FDAP和多功能節點等接入點設備應直接與區域內所有無線現場設備通信，其優點是減少數據無線傳輸的跳數，加快數據刷新率，降低數據傳輸的不確定性時延及安全風險，提高可靠性，同時減少無線現場設備電池能量的消耗，延長電池的使用壽命。

無線現場設備可以帶路由功能；路由設備也可以是專用的，它只完成路由功能；后面介紹的接入點、網關也可以作為路由器使用。3種路由設備方案的比較如表1所示。

表1　3種路由設備方案比較

根據路由器所處的位置，可將其劃分為傳感器網絡路由器和骨干網絡路由器。上述傳感器一般是傳感器網絡路由器。骨干網絡路由器指的是當接入點通過802.15.4無線傳感器網絡接收到無線現場設備傳送來的數據后，再采用以太網、WiFi網絡或一個專有網絡等傳送到網關。這些網絡稱為骨干網，骨干網絡路由器的功能則由接入點或網關承擔。

1.3　適配器

適配器可連接到有線HART設備上，可通過4~20 mA回路和工業無線網絡提供并行通信路徑。適配器有2種供電方式：由有線HART設備供電、外接24 VDC供電。

適配器主要有以下4個用法。

① 由于主機系統的限制，可能在4~20 mA回路上無法檢測到HART信號，不能進行HART診斷訪問。

② 向本身沒有無線功能的HART設備提供無線通信。

③ 設備信息可能沒有直接進控制系統的入口，啟用后可訪問多個用戶。在這種情況下4~20 mA信號發送到控制室，而無線HART信號用于維護人員或其他人員訪問的參數和診斷數據。

④ 作為無線中繼器。

已經在生產過程中使用的有線HART現場設備，或者某些檢測參數已經有HART現場設備但還沒有相對應的可用于工業無線網絡的無線現場設備，可以采用適配器與HART現場設備相連，然后通過工業無線網絡進行通信。適配器和在HART設備上的安裝示意圖如圖1所示。適配器支持與其相聯的現場設備之間的HART通信，從HART設備上獲得回路供電及HART信息，但它不影響HART設備原先的模擬信號傳送。也就是說，適配器允許現有的4~20 mA信號與數字無線信號同時運行。通過適配器可將任何一個普通的HART(可能要求HART5.0或以上版本)設備升級成準無線設備接入無線網絡。適配器的簡化版尺寸短小，可以直接通過螺紋接口擰在變送器本體上，近乎與有線HART現場設備實現一體化，甚至可以將這個一體化的有線HART現場設備當作是準無線現場設備接入無線網絡。

圖1　適配器(左)和在HART設備上的安裝(右)

適配器通常由以下幾部分組成：與有線HART現場設備連接的FSK(頻移鍵控)端口、工業無線網絡協議棧和天線、對外的FSK端口。

一般1臺適配器支持1臺HART設備。菲尼克斯公司的RAD-WHA適配器支持最多4臺HART設備；西門子公司SITRANS AW200 Wireless HART適配器在多線路模式下支持最多4臺HART設備；SITRANS AW210 Wireless HART適配器在多線路模式下支持最多8臺HART設備。

對工業無線網絡來說，適配器往往是一個最基礎的產品。以Wireless HART產品為例，除了艾默生過程管理有較完整的各種現場設備類型之外，目前另外一些生產廠商推出的產品只有適配器、網關或者再加上壓力、溫度無線現場設備。如ABB公司、E+H公司、菲尼克斯公司的Wireless HART產品僅有無線適配器和網關，P+F公司的Wireless HART產品僅有適配器、網關、溫度無線現場設備，西門子公司的WirelessHART產品僅有適配器、網關、溫度無線現場設備、壓力無線現場設備。

當需要將有線HART設備開發成高度集成的無線HART設備時，可在HART適配器的基礎上作如下的改動：去除內部的FSK連接，將HART設備和適配器的電路整合成一塊電路，將大部分軟件(如堆棧)保留在適配器中。

還有一些廠商推出連接其他標準的適配器，如橫河電機2014年推出的適配器除支持有線HART協議外，還有支持RS- 485 Modbus標準的適配器，近期還將推出覆蓋其他標準，如FF、Profibus-PA等現場總線的多協議無線適配器產品。中國中科博微公司的RS-485/232無線透傳模塊是一款針對現有的RS- 485/RS-232總線開發的適配器無線解決方案，可實現RS- 485總線和無線通信之間的透明傳輸。

1.4　中繼器

中繼器是通過增加額外的通信路徑來加強無線現場網絡的，或者是擴大網絡覆蓋區域的一種無線現場設備。

中繼器沒有特殊的要求，中繼器設備的管理應像任何其他無線現場網絡設備一樣，且受所有無線現場網絡設備技術特性的制約。

在現有工業無線網絡的產品系列中，還沒有找到中繼器這一名稱的產品，替代的方案是采用有路由器功能的現場設備或適配器。采用有路由器功能的現場設備時，通常選用價格較低的類別，如艾默生過程管理的648無線溫度變送器、702型無線開關量變送器。

1.5　手持設備

手持設備是由工廠人員操作的便攜式設備，例如加固的或防爆的個人數字助埋(PDA)、移動PC等。手持設備由無線操作者用來與無線網絡連接，這些設備可以移動，當它移動到某個位置時，就會建立與本地網絡的連接，并與一個或更多的網絡設備通信；當通信結束時，它將斷開與網絡的連接。手持設備被用于網絡設備的安裝、維護、操作。它是一種口袋大小的計算設備，通常有一個小的顯示屏幕、小型的鍵盤輸入或觸控輸入，它通過網關來實現與工業無線網絡設備的通信。對于工業無線網絡而言，這類手持設備就像另一個上位機，操作人員在離開控制室之后仍能從工廠內的任何地點獲得過程參數、維護數據、畫面、報警、組態信息，并監測報警和事件；也可按照實時運行工況來執行操作，使用過程數據或設備數據進行故障排查、了解文檔工作狀態，或者使用集成的條形碼技術采集信息。

One Wireless工業無線網絡手持設備有IntelaTrac PKS無線手持巡檢設備、移動氣體檢測儀、現場巡檢儀和移動工作站，如圖2所示。無線巡檢儀支持采集現場數據，安排巡檢人員嚴格按照規定的線路及內容巡檢，當發現現場異常工況時，可為關鍵設備提供最新的狀態數據。移動工作站支持運行人員在現場(甚至在危險區域)使用，以無線的方式獲取控制系統的實時視圖。移動氣體檢測儀、現場巡檢儀可以通過無線網絡自動收集現場數據。移動工作站有以下3種版本：①無線接入eServer標準版——支持設備通過網絡單獨訪問過程信息，查看工廠數據；②無線接入eServer增強版——支持動態讀取過程信息，只支持讀取功能；③無線接入工作站——基于手持設備的功能完善的Experion工作站。對于由專門操作人員和手持設備許可系統嚴格控制的各種操作變化，Experion系統同樣可以支持。

圖2　One Wireless無線網絡手持設備

艾默生過程管理者采用加固的或防爆的PC或PDA等手持設備供移動作業人員使用，以訪問過程數據、排除故障或執行操作。

1.6　接入點

接入點是負責從無線現場設備網絡接收數據包的設備，起到無線現場設備與網關之間的橋梁作用。當系統規模很小時，網關可以直接連接為數不多的無線現場設備；當系統規模增大時，往往需要有多個接入點。接入點將眾多的無線現場設備數據采集后送到網關，這種情況下可以提高網絡的有效吞吐量和可靠性，特別適合于要求更快刷新率、更高性能的網絡。所以接入點是一種位于網關和工業無線網絡現場設備之間的一種網絡設備。

接入點的一邊與工業無線網絡現場設備相連，另外一邊是一個外部連接。這個外部連接可以是一個以太網、WiFi網絡或一個專有網絡。但接入點通常不直接與過程控制設備相連，而是通過一個工業無線網關和上位機或控制系統連接。

流程行業無線網絡產品早期都只有網關，稍后One Wireless工業無線網絡增加了現場設備接入點FDAP，再往后又增加了Cisco AP節點設備作為接入點。接入點又分為網格接入點(mesh access point，MAP)、根接入點(root access point，RAP)。網格接入點是Mesh網絡的遠程接入點，它作為無線現場設備網絡和WiFi網絡的接入點，這是所有接入點的默認角色。根接入點具有到有線網絡或服務器的光纖、有線以太網或電纜連接器連接，作為到有線網絡的“根”或“網關”。

網格接入點用于采集無線現場設備的信息，多個網格接入點又以WiFi無線方式將多個無線現場設備的信息傳送到根接入點，根接入點與控制系統以有線Modbus TCP/IP、OPC等方式連接。

現場設備數量不多的ISA 100.11a現場設備中小型網絡，通常用于非關鍵、不需要快速更新率的監控系統。這類小型網絡可以采用現場設備接入點(field device access point，FDAP)覆蓋ISA 100.11a網絡，然后現場設備接入點FDAP作為路由器將信息傳送到作為網關的多功能節點，也可以直接通過以太網交換機連接到無線管理平臺WDM，這樣的系統可以不用網關。

One Wireless工業無線網絡可以有多種接入點選擇。如選擇現場設備接入點FDAP，只能接收從ISA 100.11a無線現場設備來的數據。如選擇多功能節點作為接入點，除ISA 100.11a無線現場設備來的數據外，還可作為IEEE 802.11a/b/g WiFi客戶端基礎設施的接入點，支持無線視頻、移動工作站、振動監測等多種無線通信。如選擇思科公司Cisco1552S AP作為接入點，則又增加了IEEE 802.11a/n(Mesh網絡)，且帶寬加大、通信速度加快、通信距離加長。

當需要強化無線網絡功能時，可選擇路由器或接入點。但考慮到接入點能提高網絡的吞吐量和實現網絡冗余，選擇1臺接入點優于選擇1臺路由器。

接入點也可以看成網關的I/O模塊，只不過在物理位置上可以相互分開。當有多個子網時，多個接入點接入各個子網的無線現場設備的信息后，相互間構成骨干網，骨干網采用無線或有線通信的方式將信息傳送到網關，但這里所采用的通信方式不是由該無線通信標準所授權的。

1.7　網關

網關是一種網絡設備。這種網絡設備包含了至少一個上位機接口(如串行口或以太網口)，并充當上位機和無線現場設備間通信的出入口。

網關將無線網絡接入有線網絡，實現異構網絡之間的協議轉換。通過連接以太網、串行口或其他現有控制裝置通信網絡，能在無線現場設備和主機之間通信，管理無線現場，管理網絡安全。從概念上講，網關是配線柜和接線箱的無線版本。

每個網絡可以安裝一個或多個網關，多個網關間可以相互冗余。

Wireless HART工業無線網絡1420智能無線網關(西門子公司有IE/WSN-PA LINK網關，E+H公司有Fieldgate SWG70網關等)是現場無線網絡和主機控制系統多種通信協議的接口，1420智能無線網關接口類型有Modbus、TCP/IP、OPC、以太網等。與DeltaV或Ovation的集成可以選擇Modbus或OPC的方式，如果DeltaV是10.3以后的版本，智能無線網關可以像控制器一樣直接掛在DeltaV的控制網絡上。

One Wireless工業無線網絡多功能節點可以作為網關同DCS、PLC進行數據集成，兩個10/100 Mbit/s以太網通信口可以同時接在一個交換機上，用于控制系統的通信。Modbus、TCP/IP、OPC用于多功能節點與控制系統的有線互聯。在最新采用Cisco Aironet 1552S AP構建的One Wireless工業無線架構中，現場設備接入點(FDAP)、多功能節點、思科Cisco 1552s AP均稱之為接入點，而無線管理平臺WDM則稱之為網關。它是單一的ISA 100.11a無線現場設備網絡中心管理組件，負責組態、調度和無線現場設備網絡的安全。采用工業標準協議，如HART、Modbus TCP、Modbus RTU、OPC，支持ISA 100.11a的數據與現有的控制系統集成，WDM主機的接口將現場設備數據連接到控制應用中。

WIA網關負責整個WIA網絡的管理、調度和優化，設定和維護網絡通信參數，統一為網絡設備分配通信資源和路由，配置WIA網絡的運行，調度WIA網絡設備間的通信，監控并報告WIA網絡的運行狀態。WIA網關支持一個或多個網格接入點和服務接入點，網格接入點提供連接其他網絡的接口，如串口和以太網，服務接入點為上位機提供訪問和管理WIA網絡的接口，如OPC、XML、HART。

1.8　網絡管理器

網絡管理器負責工業無線網絡的形成、配置新網絡設備、讓新網絡設備加入網絡以及監測網絡。網絡管理器還可以收集無線網絡性能和診斷信息，當網絡運行時，獲取的這些信息用于觀察和分析無線網絡行為。如果發現了問題，可執行對無線網絡重新配置。

1.9　安全管理器

安全管理器生成并管理網絡所用到的密碼信息，也負責生成、存儲和管理各種密鑰。安全管理器和網絡管理器應在彼此間建立連接，并維護這個連接以支持設備入網請求和建立會話。安全管理器與網絡管理器協同工作，以保證網絡免受外來威脅。

2工業無線網絡的設備組成及設備的邏輯角色

不同的工業無線網絡標準，不同公司的工業無線網絡產品，或者說某個具體應用，可能只有以上工業無線網絡設備類型的一部分，如只有現場設備、適配器、網關或只有現場設備、接入點、網絡管理器、安全管理器。

工業無線網絡的產品都有一個設備名稱，但如上所述，同一個名稱的設備可能扮演了不同的邏輯角色，如果一個設備扮演某種邏輯角色，那么它必須能夠實現邏輯角色要求的相應功能。如網關可同時承擔系統管理器和安全管理器的邏輯角色，專用路由器同時承擔了骨干路由器的邏輯角色，有的現場變送器承擔現場非路由設備的邏輯角色，有的現場變送器承擔現場路由設備的邏輯角色，掌上型計算機承擔了非路由手持設備的邏輯角色，低層的路由器承擔了配置邏輯角色，現場執行器承擔了非路由設備的邏輯角色。這些相應的功能往往需要在網絡組態時指定或授權，如ISA 100.11a工業無線網絡的無線現場設備組態時就需要對是否帶路由功能進行組態。

3結束語

工業無線網絡包括了多種設備類型，每一種設備類型往往還承擔其他設備類型的邏輯角色，如現場設備可承擔路由設備邏輯角色，如適配器可承擔路由設備邏輯角色、中繼器邏輯角色，如接入點可承擔網關邏輯角色等。制造商通常選擇將網絡管理器、安全管理器功能集成到網關中，如艾默生過程管理的Wireless HART 1420智能無線網關就包含了網絡管理器、安全管理器的邏輯

角色。One Wireless工業無線網絡的無線管理平臺(WDM)也承擔了網關、系統管理器以及安全管理器的邏輯角色。

當對各種工業無線網絡標準的設備類型作了一些初步了解和分析后，可以知道不同標準之間或同一標準不同架構產品之間的差異，從而能較為深入地理解不同標準、不同架構產品的特點，可以讓我們在設計及生產現場調試時能靈活應用這些設備，真正用好工業無線網絡。

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中圖分類號：TH89;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508007

修改稿日期：2014-05-13。

作者方原柏(1942-)，男，昆明有色冶金設計研究院教授級高級工程師，發表論文260余篇;長期從事冶金自動化系統的研究與設計。