無線通信標準融合對自控設計的影響

方原柏

(云南 昆明 650228)

國際電工委員會(IEC)自1984年開始制定現場總線國際標準，負責該項工作的IEC/TC 65(工業測量和控制的第65標準化技術委員會)于2000年初公布IEC 61158： 1999標準包含了8種類型的現場總線，多種總線并存這一結果違背了當初制定世界上單一現場總線標準的初衷。如Emerson公司主推的FF現場總線標準在過程自動化應用頗多，而Siemens公司Profibus現場總線早期主要用于工廠自動化，為擴展其影響，在Profibus-DP的基礎上又開發出Profibus-PA以適用于過程自動化。用戶如果同時使用了FF，Profibus-PA兩類現場總線設備，就必須分別使用這兩類現場總線的接口(如總線模塊、耦合器等)與上位控制系統連接。

流程工業無線通信標準也存在這個問題，IEC先后批準了3個標準： WirelessHART，WIA-PA和ISA100.11a，在工業無線領域形成了3個標準共存的局面，由此帶來了標準之間互通性差、多標準支持設備研發周期長、成本高昂等問題。用戶曾希望有統一的過程自動化行業無線通信標準，但是達到這一目標難度太大，到目前為止仍未做到。

大多數流程工業無線網絡的用戶可能會選擇三種主流無線技術中的一種，并接受排它性的選擇。在許多情況下，這種選擇可能是用戶選擇DCS的直接結果，比如選擇了Emerson公司的Delta V DCS，就要用WirelessHART，選擇了Honeywell公司的Experion DCS，就要用ISA100.11a。這樣會導致部分現場儀表供應商所支持的無線通信標準和DCS供應商所支持的無線通信標準并不一致。

1 流程工業無線通信標準的融合

從2017年1月開始，流程工業無線通信標準出現了轉機，Honeywell公司在符合ISA100.11a標準的OneWireless產品中，給無線Cisco Aironet 1552S節點設備和現場設備接入點(FDAP)賦予多協議、多應用、多標準、現場無線網絡新的功能。

Cisco Aironet 1552S節點設備具備兼容IEEE 802.11a/n(5 GHz)和802.11b/g/n(2.4 GHz)的三個兩段式射頻，它還具備以太網、光纖以及小型可插拔(SFP)回程選項，可為ISA100.11a和WirelessHART現場儀表、使用平板電腦等設備的Wi-Fi客戶端和以太網設備等提供完美的解決方案。節點設備內配有ISA100.11a和WirelessHART多協議的無線通信，可為無線傳感器網絡傳輸提供回程鏈路。Cisco Aironet 1552S節點設備可提供單盒式解決方案，無需使用2個獨立的無線網絡： 用于802.11n網絡和無線傳感器網絡[2]。FDAP可以作為接入點、路由器或網關使用，可用于接入ISA100.11a和WirelessHART現場儀表，還可將無線網絡覆蓋范圍擴大[2]。融合WirelessHART的ISA100.11a無線通信網絡如圖1所示，在圖1中左側有2臺現場設備接入點FDAP，其中FDAP1接入WirelessHART現場儀表信號，FDAP2采用有線以太網方式接入1臺控制設備(PLC)，然后以ISA100.11a無線方式將信息傳送到Cisco Aironet 1552S節點設備1，該節點設備與Cisco Aironet 1552S節點設備2作為根接入點與Experion控制系統有線連接。圖1中右側Cisco Aironet 1552S節點設備3，以3種無線方式分別與3臺無線現場設備通信： 與WirelessHART現場儀表以WirelessHART無線方式通信，與ISA100.11a現場儀表以ISA100.11a 無線方式通信，與手持式現場巡檢儀以Wi-Fi無線方式通信。而在Cisco Aironet 1552S節點設備之間則以IEEE802.11無線回傳方式通信[3]。

圖1 融合WirelessHART的ISA100.11a無線通信網絡示意

Emerson公司在2017年6月宣布了一種新的雙模無線網關，支持WirelessHART和ISA100.11a工業無線通信標準，所采用的方案是將雙模無線網關集成到Cisco1552WU中，它結合了WirelessHART，ISA100.11a工業無線通信標準和Wi-Fi的解決方案[4]。

終上所述，Honeywell公司和Emerson公司所宣布的并不是流程工業無線通信標準的統一，ISA100.11a和WirelessHART兩個標準都沒有觸動。但是兩家公司都做到了另外一點： 流程工業無線通信標準的融合，即在一個底層的無線通信網絡里，采用ISA100.11a和WirelessHART通信標準的無線現場設備可以共存，可以通過各自的無線通信協議將信息傳送到同一個網關，再轉送到上位控制系統。而現場總線，標準不但統一不了，也不可能在一個最底層網段里同時接入兩類現場總線的設備。所以流程工業無線通信標準的融合也是一個進步，是領先于現場技術標準的。

2 流程工業無線通信標準的融合對自控設計思路的影響

流程工業無線通信標準發展到融合這一步，對自控設計人員的工作思路，至少帶來一些影響。

2.1 思路的拓展

以往流程工業無線通信標準的選型往往依據控制系統的選型而定，大多數主流自動化廠家都按無線通信標準站隊，比如選擇WirelessHART標準的有Emerson，ABB，E+H，MACTek，P+F，Phoenix和Siemens等公司，選擇ISA100.11a標準的有Honeywell，YOKOGAWA，Azbil，GE，Fuji，PEPPERL+FUCHS等公司。這樣設計人員做設計時，只收集其中一個標準的資料，只了解一個標準產品的性能。而現在需要拓展思路，要收集兩個標準的資料，了解兩個標準產品的性能。

2.2 深度學習

以往當選定無線通信標準后，該標準產品的性能可不做深入研究，甚至廠家還會幫助用戶選定無線儀表設備；而現在可能需要在兩個標準的同類型產品中作性能對比，以確定到底選哪個標準的產品更合適。

比如WirelessHART的網絡拓撲結構以網狀拓撲結構為主，所有的無線現場設備都兼有路由器功能，信息傳送的路徑常常要經歷多“跳”才能傳送到網關；而ISA100.11a的網絡拓撲結構以星型拓撲結構為主，無線現場設備的路由器功能只是一個選項，信息傳送的路徑常常只經歷一兩“跳”就能傳送到網關。所以WirelessHART網絡傳送稍滯后，無線現場設備耗電多，而ISA100.11a網絡傳送滯后小，無線現場設備耗電少。

2.3 單一網絡結構的突破

當然，一般情況下設計的無線網絡可能仍然是單一無線標準的產品，就像大多數工程項目儀表選型一樣： 統一供貨商。但針對一些特殊情況、有一些具體要求時，是否也可以跳出這個約束，必要時是否在設計的無線網絡里選用兩個無線標準的產品呢？如前文所述，無線通信標準的融合允許這樣做，遇到特殊情況，不妨試一試。

3 根據現場需求和無線現場設備的性能選型

生產現場如果對無線通信網絡及設備的特定性能有要求，那么就可以對比兩個無線通信標準產品的特定性能進行選型。

3.1 刷新率

當用于提供控制回路測量值的無線現場設備時，要求刷新率盡量高，目前Emerson的WirelessHART無線現場設備刷新率最短的為1 s，而Honeywell，YOKOGAWA提供的ISA100.11a無線現場設備刷新率最短的為0.5 s。

3.2 電池

當要求無線現場設備的電池可在市場選購時， Emerson的WirelessHART無線現場設備的電池盒是專用的，用戶不能在市場采購，而ISA100.11a無線現場設備的電池可在市場選購，這樣有可能優先選用支持ISA100.11a標準的無線現場設備。

3.3 供電

當要求無線現場設備的供電采用24 V(DC)時，Honeywell提供支持的ISA100.11a標準的SmartLine無線變送器[5]、YOKOGAWA支持的ISA100.11a標準設備中新版本的EJX系列無線壓力/差壓變送器和YTMX580無線溫度變送器[6]，都帶外部24 V電源選項，而WirelessHART暫時沒有該選項，只能選用支持ISA100.11a標準的相關產品。ABB公司推出的WirelessHART無線溫度變送器的儀表選項中可配備能量采集器，如果溫度檢測元件所處環境的工藝過程溫度和環境溫度之間存在大于30 ℃的溫差，則可通過能量采集器采集熱能并轉換成無線變送器工作所需的電能[7]。

3.4 障礙物

當無線現場設備安裝位置障礙物較多時，由于WirelessHART無線現場設備都帶路由器功能，可提供較多的路徑避開障礙物，而ISA100.11a無線現場設備路由器功能需組態確定，或者提供專用的無線路由器，這樣有可能優先選用WirelessHART無線現場設備。

3.5 傳輸距離

當傳輸距離要求較遠時，WirelessHART給出的視準線無障礙最遠傳輸距離為230 m，ISA100.11a標準給出的傳輸距離為400～600 m無線現場設備。

3.6 壓力表

Honeywell提供的ISA100.11a的無線讀表器是與生產現場原有機械壓力表配套使用的，它采用圖像識別方法在原有壓力表上讀數，并將機械壓力表的讀數值數字化后傳送到控制室，但整體準確度受限于機械壓力表的準確度(通常為1.0級)，只能達到1.5級；Emerson提供的WirelessHART無線壓力表則是全新的儀表，同時它還帶確保設備與人員安全的雙層流程隔離、高達量程范圍150倍的過壓保護等性能，其0.5級的準確度和可靠性也遠優于由機械壓力表及配套無線讀表器的組合[8]。

3.7 流量變送器

Emerson提供了WirelessHART無線一體化孔板流量計、無線調節孔板流量計、無線緊湊型阿牛巴流量計、無線累計變送器[9]等，這些在ISA100.11a無線產品系列中均找不到對應的產品，因此只能選用WirelessHART的產品了。

3.8 機械設備健康狀態監測變送器

以往WirelessHART和ISA100.11a兩個標準都可提供旋轉機械設備健康狀態監測的變送器，如Emerson的WirelessHART AMS9420無線振動變送器可提供包括總體水平、能帶、高分辨率光譜和波形在內的完整振動數據診斷技術，Honeywell的ISA100.11a的設備振動(健康狀態)監測變送器可監測動設備的振動、位移、轉速、軸瓦溫度的狀態信息，上述兩款變送器均可根據振動波形頻譜分析進行精細診斷，目標對象都是關鍵大型旋轉設備，價格很高。而YOKOGAWA在2018年開發的無線壽司(Sushi)傳感器是一款緊湊型無線設備，可根據設備的振動和表面溫度監測設備健康狀態，用在工廠非關鍵旋轉設備運行的健康狀態監測，如普通的電機、風機、水泵等[10]，價格較低。

3.9 適配器

采用WirelessHART和ISA100.11a兩個標準的適配器，都能用于有線HART設備的信息轉換，而YOKOGAWA提供的ISA100.11a的FN310現場無線多協議模塊，除了支持HART協議轉換外，還支持RS-485接口 Modbus協議轉換，FN510現場無線多功能模塊除可選擇模擬輸入、數字輸入、脈沖輸入外，還可輸入專用加速度傳感器信息以檢測加速度和速度。Honeywell的XYR400E無線轉接模塊，可以無線轉接如下協議的第3方設備： RS-232，RS-485，Ethernet。

3.10 溫度變送器

大部分無線溫度變送器是與熱電偶、熱電阻配合使用的常規溫度檢測儀表，但一些性能特殊的溫度檢測儀表值得關注，比如2014年ABB公司推出的SensyTemp TSP341-W無線非插入式溫度測量裝置，采用了雙傳感器設計，同時檢測管道的表面溫度和環境溫度，再與專門開發的補償計算模型結合準確計算管道內介質溫度，在多數測量場合與傳統插入式測溫裝置具有相同的準確度、響應時間[11]。2016年Emerson生產的WirelessHART產品中也推出非插入式無線溫度變送器，工作原理與ABB公司上述產品類似[12]。

3.11 網絡容量

2019年Emerson推出的新型無線接入點是由無線1410S網關、781S智能天線以及Cisco Catalyst IW6300 Heavy Duty系列接入點整合而成，新型無線接入點可以支持WirelessHART，ISA100.11A，Wi-Fi三網通信，而值得注意的是網絡容量由原來接入100臺WirelessHART無線現場設備增加到200臺或200臺WirelessHART加ISA100.11A無線現場設備[13]。在一些無線現場設備密集安裝的場合，接入容量加大一倍的接入點無疑是最佳的選擇。

4 結束語

流程工業無線通信標準的融合對自控工程設計的影響是深遠的，要求自控設計工程師對多個無線通信標準及其產品比以前更深入地了解并融會貫通，還要經常關注無線通信標準及其產品的發展動態，掌握最新的信息，使完成的自控工程設計更優化、更合理、更經濟。