基于工業無線網絡WIA—PA的項目實施與應用研究

李旭初

摘要：該文介紹了工業無線網絡在能源計量上的應用，從采集層和應用層詳細描述了系統架構和數據流，分析了基于無線網絡的軟硬件組成和各模塊功能的實現，系統總結了無線網絡的特點和適用范圍。

關鍵詞： WIA；工業無線網絡；能源；儀表；采集

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0046-03

1 概述

隨著以太網技術的不斷發展和應用范圍越來越廣，21世紀初產生了工業無線網絡，該網絡是通過設備間的交互過程，提供低成本、高靈活的泛在制造信息系統和環境，代表著工業物聯網技術和產業發展的重點方向。

2011年，中國科學院沈陽自動化研究所推出了具有自主知識產權的傳感器信息采集和傳輸的智能組網和高可靠性、高安全性的無線通信技術WIA-PA（即Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）。該技術已成為國際主流的三大工業級無線傳輸協議標準之一，作為我國唯一擁有自主知識產權的國際標準，目前已被廣泛應用在石油、化工、電力等流程工業以及離散加工制造業。WIA-PA采用了工業無線網絡WIA和高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網絡技術，提供了一種自組織、自治愈的智能Mesh網絡（無線網格網絡）路由機制，能夠針對應用條件和環境的動態變化，保持網絡性能的高可靠性和強穩定性。特別適合偏遠、惡劣地區，無法鋪設局域網的環境。

為解決安慶石化公用工程水、電、蒸汽計量儀表分布分散，安裝位置偏僻，人工抄錄費時費力的實際問題。2015年，安慶石化率先將工業無線網絡應用在能源儀表，實施了能源儀表無線采集項目，將分散在外圍界區內的48塊水、電、汽表安裝了工業無線遠傳裝置，實現界區儀表的數字化無線傳輸與自動抄錄，既降低了抄表工作復雜度，又節約了施工成本。

安慶石化的能源計量儀表，尤其是外供能源儀表大多位于廠區2-5公里之外，距離生產裝置和控制室比較遠，將信號接入DCS系統不現實；但工業無線網絡由于安裝方便、無須布線等特點可以滿足現有能源儀表對數據采集的要求。目前，安慶石化公用工程的能源介質有生產水、生活水、電、蒸汽（高中低壓）等，現場儀表主要有橫河、菲波、中自、博思達等流量計。經過現場調研確認，儀表大多配備了RS485通信口，極個別是頻率輸出。通過接口完全可以采集瞬時量、累計量、溫度、壓力等信號，現場儀表具備了自動采集的條件。

2 系統組成

2.1 總體架構

安慶石化的數據采集系統，大多基于傳統的DCS控制和實時數據庫采集，DCS上的工藝、質量數據通過CIMIO數采站和OPC協議，發往Aspen IP.21服務器，數據完全通過生產專網傳輸。由于能源儀表所處位置偏僻，重新架設生產專用網絡無論從費用和效果上來說都不劃算。再加上能源儀表的數據量不大，實時性要求不高，且沒有控制要求，故底層采用無線網絡傳輸比較合適。采集的數據通過就近的管理網匯總到無線網絡管理平臺，經處理后再通過工業防火墻將數據送往IP.21數據庫。既節約了資金，又利用了現有硬件資源。

安慶石化能源計量無線數采系統的總體架構如圖1所示。

圖中最底層是現場數據采集層，無線IO模塊與現場流量計通過RS485或HART接口連接，由無線IO模塊將儀表數據通過無線電波發射到WIA-PA智能無線網關，構成了現場數據采集層；其次是WIA-PA無線網關通過雙絞線接入工廠局域網，通過局域網將采集的數據上傳至后臺服務器或中心站。最上層是數據采集應用系統，主要實現人機交互和WEB數據展示功能，將現場采集數據集中顯示、綜合分析。

2.2 現場采集

WIA-PA現場數據采集系統，主要由WIA-PA無線適配器或WIA-PA無線IO與WIA-PA網關兩部分組成，WIA-PA無線適配器或WIA-PA無線IO用來周期性從現場儀表采集數據，通過無線電波發送給WIA無線網關；WIA無線網關主要功能是對整個數據采集子網絡進行管理及維護，針對用戶提供系統分析、診斷功能和實時數據。WIA無線適配器或無線IO采用了嵌入式μcos實時操作系統開發，一個無線IO或適配器可接8～16臺儀表。圖2為現場數據采集結構圖：

2.3 無線IO模塊

安慶石化能源儀表大多具備RS485輸出，接口比較統一，為此，我們采用了WIA無線IO模塊。該模塊是一種能夠將現場有線設備的狀態信息和工藝參數遠程傳送，并支持設備參數遠程設定的WIA無線產品，具有實時數據采集功能，能夠通過RS485、AI、DI接口采集現場有線設備的監測信息。該模塊支持1路RS485、2路AI和2路DI接口，支持通過RS232接口進行本地維護，以及遠程維護等。無線IO模塊采用導軌設計，安裝非常方便，且具防爆功能。

2.4 無線網關

無線網關是一種集成工業無線網絡核心協議的短程無線通信設備，需要外接電源供電，工作在全球免費的基于工業標準802.15.4的2.4GHz頻段，在沒有中繼器的情況下，最遠通信距離可達1000米。

無線網關負責整個網絡的管理、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，配置網絡的運行，調度網絡設備間的通信，監控并報告網絡的運行狀態。無線網關還作為全網的時間同步源及均衡網絡負載，提供消息緩沖與保存，橋接所有網絡設備，它的作用至關重要，是整個無線網絡的核心。

WIA無線網關支持一個或多個網絡接入點和服務接入點。網絡接入點提供連接其他網絡的接口，比如工廠自動化網絡，提供串口、以太網等多種連接方式，服務接入點為上位機應用提供訪問和管理網絡的接口。無線網關采用32位高性能ARM9處理器，運行Linux嵌入式實時操作系統，外擴豐富的存儲資源及對外接口，支持Modbus TCP通信協議及定制協議。考慮到現場環境，我們采用了防護等級為IP65的防爆型無線網關。無線網關數據傳輸率為250kbps，一個無線網關下行可支持多達40個無線IO模塊，完全滿足現場儀表數據采集的需要。為了提高設備安全性以及方便無線網關的安裝，我們在網關供電上采用了最新POE技術，通過POE-MH模塊，利用雙絞線多余的線傳輸直流電壓供給網關，無需另外接入220V交流電。與此同時POE-MH模塊還兼具防雷功能，能確保網絡設備免受雷電、工業干擾等引起的過電壓和過電流的損壞。

2.5 工業防火墻

為了及時給MES用戶提供能源儀表數據，現場數據采集完畢，必須將數據傳輸到IP.21實時數據庫。為了提高生產專網的安全性，系統需隔離生產網與管理網，為此，我們在無線數據采集平臺與生產網之間加裝了防火墻。防火墻采用了沈陽自動化所自主研發的工業級防火墻，該防火墻是一款面向工業控制領域的工業防火墻。它根據“縱深防御”的安全原則，通過對工業控制系統進行安全區域劃分，建立不同區域之間的數據通訊管道，對管道數據進行全面的分析與管控，可對數據包進行深度檢查，主要體現在：一是只允許OPC標準格式DCE/RPC訪問請求；二是只允許特定客戶端與服務器之間通訊；三是只允許客戶端使用指定的端口通訊；四是只允許TCP通訊發生在特定的OPC連接時間內。

2.6 管理平臺

采集管理平臺安裝了國產工業組態軟件“組態王V6.55”、網頁發布管理服務Tomcat和SQL Server 2008數據庫。組態王通過MODBUS TCP將無線網關采集的數據報文進行解析，然后將每塊儀表的數據寫到組態王的數據字典中，同時存入SQL Server 2008，目前現場數據采集周期為5分鐘一次。為了便于跟蹤現場采集情況，在管理平臺上開發了監控畫面。另外，組態王本身向外提供了OPC服務，通過配置OPC Server，可將所需的變量通過OPC提供給IP.21實時數據庫。此外，為便于用戶對歷史數據的查詢和跟蹤，在管理平臺上通過Java 的ExtJS框架開發了B/S架構管理系統。頁面發布是由Apache Tomcat 6.0完成，該軟件功能與微軟的IIS類似。用戶通過瀏覽器可在互聯網上查詢實時數據和歷史趨勢圖。

3 系統功能

安慶石化能源計量無線數據采集系統面向安慶石化實際情況，采用了定制的客戶化開發，建立了計量儀表無線數據采集、設備維護與管理、WIA網絡信息維護以及遠程數據監控等功能的綜合管理平臺，系統主要由遠程數據監控、網絡管理、設備管理、后臺管理四個模塊組成。同時系統通過組態王的標準OPC方式連接了AspenIP.21數據庫，實現能源無線采集系統與MES系統的數據交互。圖3是系統與實時數據庫、MES的接口流程圖。

3.1遠程監控

遠程監控負責對水電氣等多種能源介質的工藝過程進行計量與管理，設備遠程監控支持設備變量的實時數據展示，功能導航顯示實施的無線采集區域，在區域節點下顯示了各儀表位號，通過選擇位號可顯示儀表的當前數據，按時間段可顯示儀表的歷史數據和趨勢圖。

3.2設備管理

設備管理界面為用戶提供了設備的狀態管理信息，通過列表可增刪改查更多的設備詳細信息，包括設備ID、出廠編號、設備型號、安裝地點、啟用時間、采樣頻率等。

3.3網絡管理

網絡管理部分的網關參數暫不支持界面配置，此頁面僅作為網關參數的顯示界面，包括：序號、IP地址、安裝地點、Modbus端口、UDP端口、網絡ID、廣播信道、可用信道、超幀長度等信息。網絡管理界面支持實時網絡拓撲顯示，可以顯示網關、無線適配器以及儀表的網絡拓撲結構。如有設備上線或下線，拓撲圖能夠實時反映網絡狀態。

3.4后臺管理

后臺管理支持信息修改，所屬部門、密碼、權限認證等信息的增刪改查，在現有信息列表的基礎上提供下拉菜單的信息配置選項。增加用戶操作記錄，包括設備配置、網絡配置、數據采集配置等所有操作的歷史記錄。角色分為管理員與普通用戶，從配置、遠控、監測等多種功能上限制不同用戶的權限，從計量中心、信息中心不同部門的業務角度區分用戶角色。

3.5性能特點

經過一段時間的運行，工業無線網絡在安裝位置偏僻、網絡條件差的儀表進行數據采集和監控應用方面，優勢明顯，主要體現在：一是該網絡可針對應用條件和環境的動態變化，始終保持網絡性能的可靠性和穩定性；二是能夠在低成本的器件上實現，降低了技術開發與實現難度；三是用戶能以較低的投入換來易于使用和維護的工業數據監控系統。

4 結束語

系統經過兩個多月的運行，軟硬件系統工作穩定，經受住了各種惡劣環境的考驗。該系統的投用大大提高了能源計量工作的效率與設備檢測的實時性，降低了人工抄表的錯誤率，同時其無線設備無需布線的優點也使得現場安裝、移動、維護更加方便。2016年6月大檢修期間，還有38塊電能表準備實施，項目全部完工后，會極大改善安慶石化能源計量狀況，進一步提升MES應用水平。