無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線通信和有線通信的結(jié)合

方原柏

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引言

工業(yè)無(wú)線通信是聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)的橋梁，用于將分布在生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)儀表所收集到的信息傳送到控制系統(tǒng)。以往，工業(yè)通信普遍采用有線連接，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)接線箱、電纜、電纜橋架等將信息有線傳送到控制室。而無(wú)線通信技術(shù)能將現(xiàn)場(chǎng)儀表所收集到的信息以無(wú)線方式傳送到控制系統(tǒng)，省去了有線連接所需的大量接線箱、電纜、電纜橋架。

但在工業(yè)無(wú)線通信系統(tǒng)中，仍然有部分有線連接。本文將介紹在設(shè)計(jì)和應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)時(shí)，有線通信連接和無(wú)線通信連接的結(jié)合方式。這種結(jié)合使無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用更加合理、經(jīng)濟(jì)，信息傳送質(zhì)量更高。

1 早期無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有線連接

以一個(gè)小型現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為例，其通常包括網(wǎng)關(guān)和數(shù)臺(tái)至數(shù)十臺(tái)無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如圖1所示。設(shè)備之間采用無(wú)線通信，然后由網(wǎng)關(guān)以有線方式(例如Modbus、TCP/IP、OPC、以太網(wǎng)等)連接到控制系統(tǒng)[1]。

圖1 小型現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)圖

無(wú)線通信技術(shù)具有無(wú)需敷設(shè)電纜，現(xiàn)場(chǎng)施工節(jié)省人力、物力，安裝投運(yùn)快速、方便等優(yōu)勢(shì)。但從無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用的目標(biāo)來(lái)看，它絕不是要全面取代現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)，而只是為有線網(wǎng)絡(luò)提供一種有益的補(bǔ)充。也就是說(shuō)，從安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等方面考慮，必要時(shí)還是應(yīng)該采用有線；只有在滿足安全、可靠的前提下，如采用有線方式實(shí)施困難或不經(jīng)濟(jì)，可采用無(wú)線通信技術(shù)。正因?yàn)槿绱耍瑹o(wú)線通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，大多為有線通信和無(wú)線通信的結(jié)合。

霍尼韋爾公司2004年推出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 早期無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成圖

當(dāng)時(shí)的工業(yè)無(wú)線變送器是基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的XYR5000系列產(chǎn)品，其載頻為902～928 MHz。作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的無(wú)線基站(wireless base radio,WBR)可與各種類型的XYR5000無(wú)線變送器直接通信，最大數(shù)量為50臺(tái)，最大距離為610 m。基站與控制系統(tǒng)的連接有RS-485 Modbus 遠(yuǎn)程終端單元(romote terminal unit,RTU)接口，還可提供RS-232與無(wú)線管理工具(wireless management toolkit,WMT)連接的RS-232接口。作為由有線向無(wú)線系統(tǒng)過(guò)渡的產(chǎn)品，基站還可有線接入最多25個(gè)AO/DO組件。這是一個(gè)很典型的無(wú)線通信連接和有線通信連接相結(jié)合的例子[2]。

2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中常規(guī)有線連接

無(wú)線通信系統(tǒng)中的常規(guī)有線連接通常是在系統(tǒng)的兩端：一端是網(wǎng)關(guān)與有線控制系統(tǒng)的連接，另一端是無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝時(shí)可能存在的有線連接。網(wǎng)關(guān)與有線控制系統(tǒng)連接時(shí)，通常采用多種通信協(xié)議的接口，如Modbus、TCP/IP、OPC、以太網(wǎng)等。有的公司可以將網(wǎng)關(guān)設(shè)備以控制系統(tǒng)I/O卡有線連接的形式直接掛在控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)上，如艾默生過(guò)程管理公司的無(wú)線I/O卡就可以直接掛在DeltaV控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)上。無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝時(shí)可能存在有線連接，如多點(diǎn)無(wú)線溫度變送器與多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的連接、無(wú)線開(kāi)關(guān)量變送器與多個(gè)開(kāi)關(guān)量節(jié)點(diǎn)的連接等。

另外，網(wǎng)關(guān)、接入點(diǎn)、專用路由設(shè)備等都需要由工業(yè)電網(wǎng)線路供電，電壓等級(jí)有110/220 VAC、24 VDC等，這也需要有線連接。

3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中其他有線連接

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，還存在其他有線通信連接方式，如同HART適配器與有線HART設(shè)備的連接、無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊有線接入各類通信協(xié)議、接入點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的有線連接、接入點(diǎn)相互間的有線連接、視頻信號(hào)的有線連接等。

3.1 HART適配器與有線HART設(shè)備的連接

HART適配器與有線HART設(shè)備都需要有線連接，連接方式可分為三類：第一類是直接安裝，HART適配器的外連接螺紋直接插入有線HART設(shè)備的螺紋接線口，接線很短；第二類是帶安裝附件，HART適配器通過(guò)安裝附件與有線HART設(shè)備分離安裝，以便為適配器的天線尋找更為合適的安裝位置，接線距離通常為數(shù)米[3-4]；第三類是多點(diǎn)HART設(shè)備，部分廠家的HART適配器支持多臺(tái)有線HART設(shè)備，需采用多分枝方式(multi-drop mode,MDM)有線連接，接線距離可達(dá)數(shù)十米。

3.2 有線接入各類通信協(xié)議

無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊可以有線接入第三方設(shè)備。比如霍尼韋爾公司XYR400E無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊，它可以無(wú)線轉(zhuǎn)接如下協(xié)議的第三方設(shè)備：RS-232、RS-485、Ethernet。當(dāng)?shù)谌皆O(shè)備，如PLC、分析儀、流量計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、報(bào)警盤等，以上述協(xié)議有線接入時(shí)，XYR400E無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊可以通過(guò)多功能節(jié)點(diǎn)等設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信，再將第三方設(shè)備的信息送入控制系統(tǒng)。

橫河電機(jī)的RS-485 Modbus協(xié)議無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊可以與帶RS-485 Modbus協(xié)議的第三方設(shè)備有線連接。先將第三方設(shè)備的信息以RS-485 Modbus協(xié)議方式傳送到Y(jié)FGW510現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線接入點(diǎn)，然后再傳送到控制系統(tǒng)。

沈陽(yáng)中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中有一款RS-485/232無(wú)線透?jìng)髂K。這是一款針對(duì)現(xiàn)有RS-485/232總線開(kāi)發(fā)的無(wú)線解決方案，可實(shí)現(xiàn)RS-485總線和無(wú)線通信之間的透明傳輸，并將PLC等控制系統(tǒng)的RS-485總線以有線形式接入無(wú)線透?jìng)髂K，從而實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)等多種模式的數(shù)據(jù)通信。

霍尼韋爾公司的多功能節(jié)點(diǎn)、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備有Modbus TCP/IP以太網(wǎng)通信接口，可以接入有線以太網(wǎng)設(shè)備，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信，將第三方設(shè)備的信息傳送到工廠的控制系統(tǒng)。無(wú)線轉(zhuǎn)接以太網(wǎng)通信如圖3所示。

圖3 無(wú)線轉(zhuǎn)接以太網(wǎng)通信示意圖

在中石油西北銷售公司蘭州西固油庫(kù)，控制室安裝的DCS系統(tǒng)是霍尼韋爾過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)(process knowledge system,PKS)，并在距離控制室8 km遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程油庫(kù)安裝了計(jì)量PLC系統(tǒng)。項(xiàng)目改造時(shí)，希望實(shí)現(xiàn)油庫(kù)計(jì)量可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能以無(wú)線方式集成到控制室內(nèi)的PKS。

油庫(kù)無(wú)線通信如圖4所示[5-6]。

圖4 油庫(kù)無(wú)線通信示意圖

實(shí)施方案采用了霍尼韋爾公司的OneWireless無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。在油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)附近的高處安裝了多功能節(jié)點(diǎn)M5，并以Modbus TCP協(xié)議有線接入油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)的信息。系統(tǒng)包括5臺(tái)多功能節(jié)點(diǎn)、20臺(tái)無(wú)線壓力變送器、6臺(tái)無(wú)線閥門回訊變送器、4臺(tái)移動(dòng)工作站、無(wú)線管理平臺(tái)。多功能節(jié)點(diǎn)M1～M5構(gòu)成Mesh無(wú)線主干網(wǎng)絡(luò)。將無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳送至作為無(wú)線網(wǎng)關(guān)的多功能節(jié)點(diǎn)M1，M1也以Modbus TCP協(xié)議有線方式接入PKS，從而實(shí)現(xiàn)了油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無(wú)線轉(zhuǎn)接。多功能節(jié)點(diǎn)中，M2、M3、M5都采用定向大角度板狀高增益天線，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸。

3.3 接入點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的有線連接

一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間應(yīng)采用無(wú)線連接，但在很多場(chǎng)合，目前仍采用有線連接。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，需要將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)或幾個(gè)簇。由于無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)只需通過(guò)次數(shù)很少的幾“跳”，就可到達(dá)網(wǎng)關(guān)然后到主機(jī)，所以簇方式加快了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信速度。

艾默生過(guò)程管理公司W(wǎng)irelessHART無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用簇方式后，要求網(wǎng)關(guān)盡量安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的地方，然后采用有線方式與網(wǎng)格接入點(diǎn)(mesh access point,MAP)連接，多個(gè)網(wǎng)格接入點(diǎn)通過(guò)WiFi連接，以提供過(guò)程無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量與過(guò)程控制系統(tǒng)的集成。

無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳解決方案架構(gòu)如圖5所示[7]。

圖5 無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳解決方案架構(gòu)圖

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有2種類型：①通過(guò)智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)采集WirelessHART無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)；②通過(guò)無(wú)線I/O卡(wireless I/O card,WIOC)和遠(yuǎn)程鏈路采集無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)和WIOC以有線以太網(wǎng)的方式將采集數(shù)據(jù)回傳到WiFi無(wú)線主干網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)MAP，最終網(wǎng)格接入點(diǎn)通過(guò)WiFi匯集到根接入點(diǎn)(root access point，RAP)，與有線網(wǎng)絡(luò)連接。

采用有線以太網(wǎng)的連接簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，大大減少了無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳送時(shí)的路由次數(shù)(即“跳”的次數(shù))，降低了網(wǎng)絡(luò)的管理難度，減少了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)量，使網(wǎng)絡(luò)性能可靠、穩(wěn)定。

無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制系統(tǒng)的信息傳送方式，經(jīng)歷了“無(wú)線-有線-無(wú)線-有線”。無(wú)線信號(hào)傳送方式如圖6所示。

圖6 無(wú)線信號(hào)傳送方式示意圖

艾默生過(guò)程管理公司的WIOC和遠(yuǎn)程鏈路，其結(jié)構(gòu)是將原有的1420智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)的功能分為WIOC和781遠(yuǎn)程鏈路兩個(gè)部件。有2個(gè)Ethernet I/O口實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)DeltaV局域網(wǎng)的有線連接，而781遠(yuǎn)程鏈路實(shí)現(xiàn)與WirelessHART的無(wú)線連接。WIOC和781遠(yuǎn)程鏈路之間采用2對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行有線連接，最遠(yuǎn)距離達(dá)到200 m。其中：一對(duì)導(dǎo)線是WIOC提供的電源線，另一對(duì)導(dǎo)線為遠(yuǎn)程鏈路的通信線。這實(shí)際上也是一種無(wú)線連接和有線連接結(jié)合的范例。

3.4 接入點(diǎn)相互間的有線連接

霍尼韋爾公司的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳解決方案中采用多功能節(jié)點(diǎn)或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它們相互之間通常采用WiFi通信。由于多功能節(jié)點(diǎn)或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備都提供了有線以太網(wǎng)的通信接口，因此單一設(shè)備之間或兩種設(shè)備之間也可以通過(guò)有線以太網(wǎng)方式連接。據(jù)霍尼韋爾公司介紹：通過(guò)有線以太網(wǎng)方式有線連接，能夠更好地改善數(shù)據(jù)集成的速度和通信帶寬。

3.5 視頻信號(hào)的有線連接

無(wú)線視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于無(wú)需布線，以及終端攝像頭移動(dòng)方便。新建項(xiàng)目施工投運(yùn)過(guò)程中，這種優(yōu)勢(shì)非常明顯。但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供應(yīng)商的意見(jiàn)是不鼓勵(lì)所有的視頻信號(hào)都占用廠區(qū)的無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)，而且即使視頻信號(hào)采用無(wú)線傳輸，也要限制視頻數(shù)據(jù)的傳輸速度，因而也限制了視頻信號(hào)的清晰度或無(wú)線視頻的節(jié)點(diǎn)數(shù)。其目的都是為了確保無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性。

中聯(lián)煤層氣山西沁縣氣田10口煤層氣井分布的區(qū)域方圓5 km，2010年11月實(shí)施的無(wú)線系統(tǒng)包括各類過(guò)程參數(shù)(壓力、溫度、流量、開(kāi)關(guān)量)數(shù)據(jù)采集，以及視頻監(jiān)控。過(guò)程參數(shù)(壓力、溫度、流量、開(kāi)關(guān)量)的數(shù)據(jù)采集中：5口煤層氣井的溫度、壓力、流量的測(cè)量值選用無(wú)線變送器采集；另5口煤層氣井的溫度、壓力、流量的測(cè)量值選用常規(guī)儀表以有線方式采集后，再通過(guò)多點(diǎn)無(wú)線模擬量輸入變送器轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)后輸出。視頻監(jiān)控中，IP攝像機(jī)與多功能節(jié)點(diǎn)有2種通信方式：距離很近的5口直接采用有線接入方式；距離較遠(yuǎn)的采用WiFi通信方式[8]。

4 有線無(wú)線連接的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整

由于現(xiàn)場(chǎng)條件是千變?nèi)f化的，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，確定某一環(huán)節(jié)是采用有線連接還是無(wú)線連接。以下是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中作出調(diào)整的例子。

中石化鎮(zhèn)海煉化修建一條低溫乙烯運(yùn)輸管線，總長(zhǎng)約為7 650 m，連接裝卸碼頭和低溫罐區(qū)。乙烯運(yùn)輸溫度要求為-150～-100 ℃。為確保管線運(yùn)輸正常工作，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管線溫度。管線兩端約500 m處各有一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，中間每隔1 km設(shè)置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，共有7個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(其中兩端2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)采用有線溫度變送器，中間5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)采用無(wú)線溫度變送器)。管線溫度數(shù)據(jù)要求傳輸至低溫罐區(qū)控制室DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用霍尼韋爾公司的OneWireless工業(yè)無(wú)線解決方案。

乙烯運(yùn)輸管線無(wú)線通信如圖7所示。

圖7 乙烯運(yùn)輸管線無(wú)線通信示意圖

圖8中：T1、T7為有線溫度變送器，T2～T6為無(wú)線溫度變送器，M1～M3為初期安裝的3臺(tái)多功能節(jié)點(diǎn)。初期安裝后，管線上的無(wú)線溫度變送器與多功能節(jié)點(diǎn)M2、M3進(jìn)行無(wú)線通信；多功能節(jié)點(diǎn)之間以無(wú)線通信構(gòu)建Mesh無(wú)線主干網(wǎng)絡(luò)；位于低溫罐區(qū)的多功能節(jié)點(diǎn)M1作為網(wǎng)關(guān)，以Modbus RS-485有線接口將M2、M3采集的所有數(shù)據(jù)傳輸至低溫罐區(qū)側(cè)DCS控制系統(tǒng)[9]。

由于多功能節(jié)點(diǎn)與無(wú)線溫度變送器之間的最遠(yuǎn)距離約為3 km，多功能節(jié)點(diǎn)M2與M3之間的距離約為6 km，所以多功能節(jié)點(diǎn)與無(wú)線溫度變送器均配置了定向板狀高增益天線，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信(通信距離分別可達(dá)4 km、10 km)。但在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于多功能節(jié)點(diǎn)M2與M3之間距離較遠(yuǎn)，且中間有一道鋼板圍裹的固體輸送棧橋，一定程度上阻擋了M2與M3之間的信號(hào)傳輸，造成了末端T5和T6兩點(diǎn)溫度在系統(tǒng)顯示的時(shí)有時(shí)無(wú)。當(dāng)T5和T6兩點(diǎn)溫度“丟失”后，M2會(huì)不斷嘗試建立與M3的聯(lián)系，加大了M2的工作負(fù)荷，加快了M2的損壞速度。

考慮到裝卸碼頭與低溫罐區(qū)DCS之間已有備用的通信光纖，在裝卸碼頭側(cè)PLC機(jī)柜室屋頂增設(shè)1個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)M4，接收相距較近的M3多功能節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳送過(guò)來(lái)的T5、T6兩點(diǎn)溫度信號(hào)。T5和T6兩點(diǎn)溫度信號(hào)反向傳送到裝卸碼頭PLC機(jī)柜，然后通過(guò)交換機(jī)及備用的光纖傳送到低溫罐區(qū)DCS。即通過(guò)M3-M4-裝卸碼頭側(cè)交換機(jī)-碼頭與罐區(qū)之間的光纖-低溫罐區(qū)交換機(jī)-無(wú)線設(shè)備管理器(wireless device manager,WDM)平臺(tái)-DCS

路徑，以無(wú)線方式采集T5和T6兩點(diǎn)無(wú)線溫度變送器信號(hào)，并以有線方式傳送到DCS，實(shí)現(xiàn)了全線溫度的檢測(cè)。改造后，該系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，解決了T5和T6兩點(diǎn)溫度“丟失”的問(wèn)題[9-10]。

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于有線系統(tǒng)，無(wú)線系統(tǒng)具有節(jié)省電纜、簡(jiǎn)化安裝、減少維護(hù)時(shí)間和停工時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)、安裝一個(gè)無(wú)線系統(tǒng)時(shí)，不是網(wǎng)絡(luò)中的所有連接全都要用無(wú)線方式解決，而應(yīng)該從安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等方面綜合考慮。當(dāng)控制系統(tǒng)有一些連接處必須采用有線方式時(shí)，如網(wǎng)關(guān)與控制系統(tǒng)的連接、供電連接及某些條件下接入點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的連接、接入點(diǎn)相互間連接，還是應(yīng)該采用有線方式；而只是在采用有線方式實(shí)施困難或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采用無(wú)線通信技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和系統(tǒng)的要求，可靈活地實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和有線通信的有機(jī)結(jié)合。