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案例頻道 摘要：隨著無線技術的迅速發展，在工業自動化領域的應用越來越廣泛。本文介紹工業無線技術標準ISA100.11a及無線解決方案，霍尼韋爾基于ISA100.11a工業無線標準的解決方案在大型石油化工罐區自動化的應用。
關鍵詞：工業無線標準；MESH主干網；無線網關；冗余路徑；無線儀表
Abstract:With the rapid development of wireless technology, it is applied in the field of industrial automation more and more widely. This paper introduces the ISA100.11a, a standard of industrial wireless technology, and its wireless solutions. As an application example, it also introduces the Honeywell solutions based on the industrial wireless standard ISA100.11a in the tank farm automation of large petrochemical.
Key words:Industry wireless standard; Mesh network; Wireless gateways; Redundant path; Wireless instruments
某大型石油化工企業在大型乙烯項目中配套三個罐區，設計階段業主和設計單位對罐區的建設自動化和成本控制等課題進行詳細調研和論證，考慮到傳統罐區大量線纜布置，維護和擴展成本高等因素，本著資源節約和環境友好的建設方針，采用工業無線技術簡潔的安裝布置和易操作的調試、維護、擴展等獨特優勢提升罐區自動化水平，節省建設投資成本。下面詳細介紹這個案例。
1 工業無線技術標準ISA100.11a簡述
ISA100.11a工業無線技術標準由國際自動化學會(ISA)下屬的ISA100工業無線委員會制定， 是開放的、面向多種工業應用的標準。主要特征包括:提供過程工業自動應用服務；使用隧道和映射技術，ISA100.11a能簡單地通過無線介質傳輸各種應用協議；主干網路由機制通過高效的主干網傳遞數據信息，減少數據無線傳輸的跳數，網絡規模較大時優勢明顯；靈活的時隙長度和超幀長度等。
ISA100.11a標準將各種傳感器以無線方式集成到工業領域應用中，是工業傳感器和執行器網絡的多功能標準，為工業應用提供可靠安全的方案。ISA100.11a標準協議采用五層網絡體系結構，包括應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層等，如圖1所示。
圖1 ISA100.11a標準協議體系結構
（1）應用層(Application Layer, AL)
應用層包括應用子層、用戶應用進程和設備管理器進程。用戶應用進程是一個設備內的所有應用對象的總和。在ISA100.11a網絡中，一個設備只能通過應用子層(ASL)提供的數據服務訪問點與其它設備進行通信。應用子層不包含任何用戶應用，只提供用戶應用進程和設備管理進程各種服務，ISA100.11a中有7種服務，分別為讀、寫、發布、執行、隧道、報警和報警接收等。
（2）傳輸層(Transport Layer, TL)vvv傳輸層提供端到端的通信服務，負責傳輸層幀頭的裝載和解析，傳輸層的安全和信息庫的管理。傳輸層支持UDP協議，實現設備與其他網絡的統一編址和網絡的互通，支持IPv6。
（3）網絡層(Network Layer, NL)
網絡層負責選擇合適的網間路由和交換結點，確保數據及時傳送。網絡層將數據鏈路層提供的幀組成數據包，包中封裝有網絡層包頭，其中含有邏輯地址信息源站點和目的站點地址的網絡地址。由尋址、路由、分段與重組、管理服務等功能模塊構成，主要負責實現面向工業應用的端到端的可靠通訊。
（4）數據鏈路層(Data Link Layer, DLL)
數據鏈路層包括IEEE 802.15.4的MAC子層、 ISA100.11a的MAC擴展層和數據鏈路層上層。IEEE 802.15.4的MAC子層通過數據服務訪問點(MLDESAP)和管理服務訪問點(MLMESAP)給ISA100.11a的MAC擴展層提供了服務接口。ISA100.11a的MAC擴展層主要負責時間同步、跳信道和通信調度，提供點對點的重傳機制，TDMA和CSMA信道訪問機制，在兩個對等的ISA100.11a的MAC擴展層實體之間提供一個可靠的通信鏈路。數據鏈路子層(DLL) 通過數據服務訪問點 (DLDESAP) 給網絡層提供服務接口，通過管理服務訪問點 (DLMESAP) 給系統管理器或設備管理應用進程提供服務接口。DLL子層主要負責DLL幀頭的裝載和解析、DLL層的安全、ISA100.11a DL子網內的路由、鄰居發現及 ISA100.11a的MAC擴展層的時間同步、跳信道和通信調度能夠正常工作。
（5）物理層(Physical Layer, PHY)
物理層通過物理層數據服務訪問點(PLDESAP)和物理層管理服務訪問點(PLMESAP)給IEEE 802.15.4的MAC子層提供了服務接口。物理層主要功能有激活和休眠射頻收發器，發射功率控制，信道能量檢測(ED)，檢測接受數據包的鏈路質量指示(Link Quality Indication, LQI)，空閑信道評估(Clear Channel Assessment, CCA)和收發數據。
每一層定義了兩種服務實體：數據服務實體(Data Entity, DE)和管理服務實體(Management Entity, ME),DE用于為上層提供數據傳輸服務，ME用于提供管理服務，相應地有兩種服務訪問點(Service Access Point, SAP)，分別是數據服務實體訪問點(DESAP)和管理服務實體訪問點(MESAP)。上層通過DESAP使用下層提供的數據傳輸服務，定義一個具有管理功能的實體設備管理應用進程 (Device Management Application Process, DMAP) 來統一地訪問各層的MESAP，從而對協議棧各層進行管理和配置；系統管理器下發的管理信息都通過設備的DMAP對本設備的每一層進行管理和配置；在一個設備中，DMAP會設置一個專門的通道通向較低的協議層，對這些層的操作提供直接的控制，并且能對診斷和狀態信息提供直接的接口。
ISA100.11a支持多種網絡拓撲，如星型拓撲、網狀拓撲等。星型網絡拓撲結構，容易實現，實時性高。網狀結構拓撲結構靈活，便于配置和擴展，同時具備良好的穩定性。為了擴大網絡覆蓋面積，在ISA100.11a網絡結構中引入了主干網，主干網是一個高速網絡，可以減小數據時延。所有現場設備通過主干路由器接入主干網，現場設備和主干路由器組成的網絡為ISA100.11a DL子網。
2 基于ISA100.11a標準的無線技術解決方案
工業無線標準ISA100.11a所構建的無線網絡架由5個單元組成：
（1）無線管理平臺
無線管理平臺是用戶和工程師與ISA100.11a系統交互的平臺，包括安全管理平臺和系統管理平臺。安全管理平臺支持授權設備，對即將加入工業無線傳感器網絡的無線設備進行物理授權；同時管理每個設備的主要安全密鑰并為每個密鑰制定安全策略。系統管理平臺管理包括設備和通信在內的工業用無線傳感器網絡。根據策略控制網絡的運行組態，監控和報告通信組態、性能和運行狀態，并提供與時間相關的服務。
（2）無線網關(Gateway)
無線網關提供無線管理平臺和網絡的接口，也是無線網絡與工廠網絡或工廠網絡的終端應用之間的接口。一個ISA100.11a網絡系統中可存在有多個網關。無線網關用于該標準與其他通信標準之間的通信轉換，充當ISA-10011a與其他協議（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的轉換器。
（3）無線主干網絡設備
無線主干網絡設備也稱作多功能節點，是ISA100.11a主干網絡的基礎設施，負責主干網中的數據路由，相互無線通訊，構建無線主干網絡，并支持同現場無線儀表的無線通訊。主干網絡設備的傳輸協議數據單元，支持主干網絡傳輸本地內嵌式的ISA100.11a協議。主干網是一個數據網絡，包括工業以太網、基于IEEE 802.11的無線網狀網絡、Wi-MAX網絡等。
（4）現場無線設備
現場無線設備分為無線I/O設備和無線路由設備兩種。無線I/O設備是安裝在現場的數據輸入或輸出的現場儀表，包括無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線雷達液位計和無線腐蝕變送器等。無線路由設備具有路由功能，可從其他ISA100.11a I/O 設備接收到數據，并無線路由到其它ISA100.11a設備，擴展網絡通訊范圍，實現無線通訊路徑冗余設計。無線路由設備也可以是無線I/O設備，可以自己采集過程數據，并無線傳輸，而且同時可為其他I/O設備進行路由。現場路由器除了具有傳感器/執行器外，還具有路由功能，可在ISA100.11a DLL子網內，路由終端節點設備的數據。
（5）便攜式組態工具
便攜式組態工具用于組態配置ISA100.11a無線設備，即物理授權，將所需的組態數據（包括安全密鑰）輸入無線設備使其可加入到無線網絡。便攜式設備是訪問ISA100.11a系統的設備，用于現場維護與配置設備。其典型網絡架構如圖2所示。
圖2 基于ISA100.11a標準的典型網絡架構
霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案符合開放的ISA100工業無線標準，是一個多功能的工業無線網絡，由多功能節點構建一個快速通訊的無線MESH主干網絡，現場無線變送器可自動選擇與任何一個多功能節點進行無線通訊，整個無線網絡自組織自愈合。支持多種無線應用，包括無線變送器（如溫度、壓力、閥位、雷達液位計等）、WiFi設備、移動工作站、煙氣探測等；支持多種通訊協議，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。
3 大型石油化工罐區自動化無線技術應用
3.1 無線技術解決方案
某大型石油化工罐區自動化無線儀表系統由原料罐區、中間罐區和產品罐區3個區域組成，包括溫度和壓力共276測點。在3個罐區安裝共21臺多功能節點和7對冗余網關，構建快速通訊的三個無線MESH主干網絡。
（1）在原料罐區現場設置7臺多功能節點和現場機柜間內的2對冗余網關共11臺主干網路由設備構建無線MESH主干網絡，覆蓋原料罐區的67臺無線壓力變送器和22臺無線溫度變送器；
（2）在中間罐區現場設置6臺多功能節點和現場機柜間頂上2對冗余網關共10臺主干網路由設備構建無線MESH主干網絡，覆蓋中間罐區的33臺無線壓力變送器和38臺無線溫度變送器；
（3）在產品罐區現場設置8臺多功能節點和現場機柜間頂上3對冗余網關共14臺主干網路由設備構建無線MESH主干網絡，覆蓋產品罐區的75臺無線壓力變送器和45臺無線溫度變送器。
無線壓力變送器和無線溫度變送器自主選擇多功能節點進行無線通訊，所有無線變送器只需1跳Hop即可連接到快速通訊的無線MESH主干網絡，路由選擇優化機制使其能夠始終采用與周邊多功能節點中最優的路徑進行數據傳輸，自組織和自愈合的網絡特性使其能夠有效的避免故障以及提高快速恢復能力，無線變送器的刷新速度根據工藝要求靈活設置，譬如泵出口壓力變送器均設定為1秒，罐頂的壓力變送器設定為10秒，無線溫度變送器設定為30秒等。
三個罐區的無線儀表系統分別獨立，由各自的無線工作站管理無線網絡的通訊和安全，由各自的無線工作站對無線網關、多功能節點和無線變送器等無線設備進行遠程在線組態和診斷。各個罐區的無線網關連接到各個現場機柜間獨立的無線交換機，通過無線防火墻連接到DCS系統的二層容錯以太網（FTE）交換機；所有的無線設備在各個現場機柜間里與現場儀表設備管理系統（FDM）客戶端建立HART數據通訊，提供與FDM的通訊接口，實現對無線儀表系統的管理。無線儀表系統與DCS系統的數據集成采用Modbus TCP的通訊協議，網絡結構圖如圖3所示。
圖3 罐區無線儀表系統網絡結構圖
3.2 無線技術解決方案的信息安全
冗余網關和MESH主干網的設計保證工業等級的可靠。主備網關無擾切換確保數據不丟失，主網關和備網關無需安裝在同一物理位置，只要處于同一網絡即可，當主網關故障或手動切換時觸發冗余切換，主網關和備用網關的IP地址自動更換，備用網關成為主網關承擔通訊的任務；MESH主干網絡中的每個多功能節點均可發送和接收信號，當無線環境發生變化時，數據路徑會根據時延、吞吐量和噪聲等因素進行重新評估，MESH主干網會自動地進行自我調節將性能維持在最佳性能，網絡快速自組織和自愈合有效保證網絡的穩定性；現場無線變送器選擇最優的多功能節點進行數據傳輸，選擇冗余的備份通訊路徑確保通訊鏈路信息安全。
直接序列/跳頻混合擴頻技術有效保障無線網絡無擾運行，它集合了跳頻通訊技術FHSS較強的抗定頻干擾的能力和直接序列擴頻技術DSSS的隱蔽性和抗多頻干擾的能力，以及它們共有的較高的通訊安全保密性等特點，具有多址接入和較強的抗干擾能力等優勢，與其它無線網絡友好共存，同時能夠有效避免現場大功率的電氣設備的干擾，確保無線網絡運行可靠。
端到端的一體化安全措施確保工業等級的安全。無線網絡的安全措施包括端對端的數據通訊，自動數據重傳請求，數據包的加密，CRC碼校驗，數據源驗證，抵抗網絡拒絕服務攻擊以及組態安全保護等。整個無線儀表采用一套完整的密鑰授權認證系統，專用的授權設備和軟件數據庫確保密鑰系統的唯一性和保密性。
無線系統和DCS系統之間配置無線防火墻確保有線控制網絡和無線網絡的安全。無線防火墻支持Experion控制系統把控制網絡延伸至無線網絡并保證高度安全；無線防火墻安裝在無線交換機和FTE交換機之間；無線防火墻是預組態好的，即插即用；無線防火墻只允許無線 I/O 數據雙向通過，阻隔不必要的網絡風暴和垃圾信息，保護FTE網絡和無線網絡，避免有害網絡風暴、病毒、通訊中斷和數據丟失等。
3.3 無線儀表系統的實施
無線儀表系統的實施內容包括現場勘查落實無線解決方案的細則，安裝無線操作站，配置無線主干網路由設備，組態無線網關和所有的無線變送器，授權所有的無線設備，現場安裝和調試，與PKS系統和現場儀表設備管理系統（FDM）數據集成等。
MESH主干網路由設備安裝位置對于無線儀表系統的實施尤為重要，其合理性直接影響到與無線變送器的通信質量，多功能節點的使用數量以及網絡結構的優化等因素。在安裝過程中遵循安裝位置有開闊的視野，與網關和其他主干網路由設備之間的第一菲涅耳區域（Fresnel Zone）最少60％的范圍內沒有阻擋物，提供視距傳播，增加設備覆蓋范圍，減少節點數量；主干網路由設備設置在所覆蓋無線儀表的中心，和覆蓋區域的任意無線儀表建立良好的連接；依據多功能節點的射頻發射功率和接收靈敏度，兩個多功能節點使用標配天線時有效通訊距離可達1公里，采用高增益天線時可達10公里；還應考慮多功能節點所處位置的防爆等級，多功能節點的防爆認證等級為1級2區，在更高級別的防爆區域必須安裝在防爆箱內等。
無線變送器的天線與就近的主干網路由設備可視，當測點處于與任意主干網路由設備的連接被嚴重阻隔時，可使用延長電纜和高增益天線的方式；無線儀表與多功能節點均采用標配天線時可傳輸610米，采用高增益天線時可達4公里；全向天線保持豎直方向的通訊效果最佳，定向天線需要調準最佳的通訊方向；無線溫度和壓力變送器使用電池供電，無需外接24V直流電源，供電單元采用本安設計，無線變送器采用隔爆，無線變送器的防爆認證等級為1級1區。現場安裝如圖4所示。
圖4 現場安裝圖示
無線儀表系統的調試界面友好方便易懂，IE瀏覽器的方式訪問多功能節點頁面，可以修改多功能節點的IP地址、通訊頻率和通信密鑰等重要參數；專用的無線系統授權認證系統有效保證無線網絡的安全，授權設備PDA簡單易操作，對無線網關、多功能節點和所有的無線變送器進行授權，經過授權的無線設備才能融入到無線儀表系統與其他無線設備進行數據通訊；無線軟件組態無線網關和無線變送器，設置位號、量程范圍、刷新速率和傳感器的類型等重要參數；無線網絡管理與診斷工具能實時監控無線網絡運行的狀況，檢測無線變送器與多功能節點以及多功能節點之間的無線通訊的信號強度和通訊質量等參數。無線儀表系統監視管理畫面如圖5所示。
圖5 無線儀表系統監視管理畫面
無線儀表系統與DCS系統的數據集成采用Modbus TCP協議，冗余的無線網關作為控制器將數據傳輸給DCS服務器，并且在DCS流程圖畫面上顯示實時PV值及歷史趨勢等，如圖6所示。無線網關提供與現場儀表設備管理系統FDM的HART通訊接口，各個罐區的無線儀表系統與現場機柜間的FDM客戶端進行數據傳輸，所有無線設備的過程參數和診斷信息在資產管理平臺實時監測。
圖6 DCS流程圖畫面
4 結束語
實踐證明，工業無線解決方案在安裝調試的方便快捷和項目成本的節省等方面具有明顯優勢：（1）節省大量I/O卡件、安全柵和線纜等硬件成本；（2）節省大量施工人力成本，無需敷設大量的線纜，無線變送器安裝簡單易操作；（3）節省大量的調試維護成本，設置量程范圍等參數、校驗無線變送器的精度以及故障診斷等工作都能在控制室操作，無需現場作業，調試簡單維護方便；（4）無線儀表擴展方便，增加測點時直接安裝無線變送器，完成授權和軟件組態工作即可使用。
隨著工業無線技術的日漸成熟，無線儀表系統將會深入到工業自動化領域的各個方面，工業無線技術將成為工業控制領域一個新的引擎。
參考文獻：
[1] International Society of Automation. ISA100, Wireless Systems for Automation.
[2] Honeywell. OneWireless Network - ISA100.11a-Compliant Wireless Mesh Network.
[3] Soroush Amidi. Introduction internal standard Industry wireless ISA-100.11a.
作者簡介
王愛華（1973-），女，山東菏澤人，大專學歷，現任中石化武漢乙烯公用工程分部和物資流通部區域儀表工程師，主管區域內DCS、SIS及PLC的維護，并負責區域內現場儀表的維護管理工作，目前致力于研究無線儀表在罐區的應用推廣項目。
楊建新（1980-），男，四川平昌人，本科學士，霍尼韋爾公司高級無線工程師，主要研究方向為無線技術在工業自動化領域的應用。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號