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    江天生

    男，清華大學(xué)工商管理碩士，霍尼韋爾（中國）有限公司中國區(qū)無線產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理，研究方向為無線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和技術(shù)特點，以及無線國際標準。



    摘  要：本文詳細闡述了霍尼韋爾公司OneWireless無線解決方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一個無線平臺支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表的特點，以及同DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。

    關(guān)鍵詞：無線主干網(wǎng)絡(luò)；OneWireless；多功能無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)； 解決方案；ISA100； Wireless HART

    Abstract: This paper mainly focuses on the multifunctional wireless network structure and the advantages of one structure that supports multi protocol wireless instruments of Honeywell’s OneWireless Solution. The integration with DCS system is also mentioned as well.
Key words: Mesh Wireless Network; OneWireless; Multifunctional Wireless Network; Wireless Solution; ISA100; Wireless HART

1 工業(yè)無線潛在的應(yīng)用場合

    在過程控制行業(yè)，實現(xiàn)對全廠的監(jiān)測和控制，通常采用有線的方式，采集過程數(shù)據(jù)。但是，我們經(jīng)常會遇到電纜和接線帶來的許多問題，如對分散測點的數(shù)據(jù)采集時，敷設(shè)電纜和橋架非常困難，如何低成本和經(jīng)濟地實現(xiàn)監(jiān)控就是非常困難的問題；如轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)爐等旋轉(zhuǎn)的設(shè)備如何有效監(jiān)測？改造項目如何快速實施、沒有供電的區(qū)域如何實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的測量？遠程區(qū)域的有效監(jiān)測如何實現(xiàn)？歸納起來，傳統(tǒng)的、有線的方式有如下不足之處：

    （1）工程實施較為麻煩：分散的測點、旋轉(zhuǎn)的測點、移動的測點、被道路河流鐵路等分隔的測點；現(xiàn)有橋架和電纜溝已經(jīng)接近滿負荷的測點，沒有供電的測點、需要快速增加測點的場合，敷設(shè)電纜、安裝橋架和保護管較為麻煩；

    （2）現(xiàn)場施工時間和調(diào)試時間較長：有線方案時，需要敷設(shè)電纜、橋架、保護管等，需要大量的安裝時間和調(diào)試時間；

    （3）安裝成本較高：需要支持有線連接的相關(guān)安裝材料和人工；

    （4）維護費用較高：需要維護支持有線連接的相關(guān)設(shè)備和線纜；

    （5）不支持現(xiàn)場移動作業(yè)：需多次從現(xiàn)場往返控制室，以獲取控制系統(tǒng)過程信息；

    （6）現(xiàn)場和控制室需要支持有線方案的基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)場布置較為復(fù)雜；

    （7）系統(tǒng)未來擴展較不方便。

    如果采用無線的方式，那么上述的困難就可以輕易地解決了。事實也證明無線技術(shù)可以更方便、更經(jīng)濟地改進工廠的管理和控制水平。工業(yè)無線解決方案的優(yōu)勢有：

    （1）工程實施簡單、便捷：無需敷設(shè)電纜、橋架、保護管；無需卡件、機柜；無需擔(dān)心鐵路造成的困難；無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，高度智能；

    （2）節(jié)省大量安裝和調(diào)試時間：快速安裝，僅需在測點安裝無線變送器即可；

    （3）節(jié)省大量的安裝成本：無需敷設(shè)電纜、橋架、保護管、卡件、機柜、安全柵，節(jié)省相關(guān)的安裝人工費用；

    （4）后期維護費用很低：維護方便，只需維護無線變送器本身即可，無需擔(dān)心接線進水、連接松動、電纜損壞；

    （5）移動工作站，支持現(xiàn)場無線、移動作業(yè)；

    （6）控制室和現(xiàn)場布置更為簡潔：無接線盒、安全柵、I/O卡件、降低DCS負荷、減少維護工作量和減少故障點；

    （7）無線網(wǎng)絡(luò)擴展非常方便：增加測點時，直接安裝無線變送器即可，更換容易、即插即用、靈活，未來改造可以有效利用現(xiàn)有無線設(shè)備；

    （8）符合開放的國際工業(yè)無線標準，支持互操和兼容，有效保護現(xiàn)有投資。

    基于上述相對于有線方式，工業(yè)無線所帶來的優(yōu)勢，工業(yè)無線應(yīng)用在下列流程控制領(lǐng)域的場合，非常合適。可以想象，有線和無線的解決方案共同服務(wù)于工廠的各個場合，然后同DCS控制系統(tǒng)無縫式數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)對工廠關(guān)鍵設(shè)備和輔助設(shè)備更加安全、高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制。這些適合工業(yè)無線應(yīng)用的典型場合有：

    （1）分散的測點：用于高位置、交叉路口、電纜難以敷設(shè)的地方，例如塔、罐等；用于測點分散、被鐵路、圍墻等分割的地方，無需敷設(shè)橋架、電纜和接線。

    （2）用于安裝和維護危險的區(qū)域：沒有電纜和接線，減少產(chǎn)生火花的可能；無需因為電纜維護而進入危險場所。

    （3）移動的測點、臨時測點、旋轉(zhuǎn)的測點、沒有電源供應(yīng)的測點。

    （4）更多的設(shè)備診斷數(shù)據(jù)，用于過程優(yōu)化和控制、工藝改進。

     ·  獲取更多的預(yù)測性的狀態(tài)監(jiān)測的區(qū)域，如軸振動，潤滑油溫度、過濾器壓差；

     ·  收集更多的機械設(shè)備的在線數(shù)據(jù)，減少離線數(shù)據(jù)采集：泵振動、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)監(jiān)測、手動閥門閥位采集；

     ·  收集大范圍分布式的數(shù)據(jù)，例如洗眼器、電伴熱、環(huán)境大氣監(jiān)測；

     ·  關(guān)鍵設(shè)備的輔助信息監(jiān)控，例如閥門跳閘后的位置。

    （5）現(xiàn)場移動作業(yè)的需要。

    （6）工廠安全、泄露排放、火災(zāi)，更好的環(huán)境監(jiān)測 、更快的事故反應(yīng)能力：可燃氣體監(jiān)測、無線視頻、無線拍照、無線開關(guān)量變送器；用于采樣、泄漏數(shù)據(jù)監(jiān)控。

    （7）罐區(qū)儲罐溢流或儲備狀況：無線雷達液位計，監(jiān)測實時液位。

    （8）改造項目時：電纜橋架負荷已滿、不想破壞現(xiàn)場現(xiàn)有環(huán)境、機柜卡件和機柜已滿、控制室空間有限等；安裝時間緊等等。

2 霍尼韋爾無線解決方案

    霍尼韋爾公司是把工業(yè)無線技術(shù)應(yīng)用于過程控制的領(lǐng)先者，全球第一個提供工業(yè)無線解決方案的DCS供應(yīng)商，全球第一個在業(yè)內(nèi)推出工業(yè)無線變送器，全球第一個推出能夠應(yīng)用于控制的無線冗余網(wǎng)關(guān)。自2003年，受美國能源部委托研發(fā)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的無線技術(shù)以來，已經(jīng)獲得300余項工業(yè)無線專利以及正在申請的專利。霍尼韋爾的無線產(chǎn)品符合ISA100工業(yè)無線國際標準，支持無線設(shè)備的免費在線軟件升級以符合最新的ISA100標準，能夠有效保護用戶的投資。

    霍尼韋爾OneWireless無線解決方案，是由多功能節(jié)點（Multinode）構(gòu)建一個通訊速度非常快的無線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場無線變送器可以自動選擇與任何一個多功能節(jié)點進行無線通訊。整個無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合、冗余網(wǎng)關(guān)的設(shè)計、沒有單點故障，同時采用了2.4GHz ISM頻段DSSS跳頻通訊，確保無線通訊能夠達到工業(yè)等級的可靠性和安全。

                    

    無線主干網(wǎng)絡(luò)的通訊速度最快可達54Mbps，現(xiàn)場無線變送器的通訊速度250Kbps，由于主干網(wǎng)絡(luò)的強大功能，無線變送器只需要一跳“Hop”就可以把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)酵ㄓ嵥俣确浅？斓闹鞲删W(wǎng)上，因此無線通訊時間的滯后非常短、支持無線變送器更快的刷新速度，如1秒、5秒、10秒、30秒等。未來可以支持無線變送器250毫秒的刷新速度。

    無線主干網(wǎng)最多可以由40個多功能節(jié)點構(gòu)成，每個多功能節(jié)點都可以同時做為網(wǎng)關(guān)有線接入控制系統(tǒng)，采用標準通訊協(xié)議 Modbus TCP / IP、OPC、Modbus RTU （RS485）等。如果同霍尼韋爾Experion控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，則還可以采用完全一體化的CDA通訊方式，無線網(wǎng)關(guān)（多功能節(jié)點）可以直接同Experion控制系統(tǒng)的C300控制器、Server等點對點、對等通訊。每個無線網(wǎng)關(guān)都可以冗余配置。每個多功能節(jié)點都可以帶400臺無線變送器（30秒刷新時）或100臺無線變送器（5秒刷新時）或20臺無線變送器（1秒刷新時）。因此無線主干網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常靈活，可以帶數(shù)以千、萬臺的無線儀表。

    無線主干網(wǎng)覆蓋的范圍非常大，可以覆蓋全廠數(shù)十公里廠區(qū)。多功能節(jié)點之間的無線通訊距離為1公里延伸或10公里延伸（選型高增益天線時）；現(xiàn)場儀表同任何一個多功能節(jié)點之間的通訊距離為305米、610米或3公里（選型高增益天線時）。

    無線主干網(wǎng)絡(luò)支持多種應(yīng)用，多功能節(jié)點不僅支持同無線變送器的無線通訊，如3通道無線溫度變送器、無線壓力變送器（絕壓、表壓、差壓）、3通道無線開關(guān)量輸入變送器（3個DI或 1個TC + 2 DI）；3通道無線模擬量輸入變送器（3個AI或1AI+2個TC、DI的組合）；3通道無線開關(guān)量輸出變送器（1個DO+2個AI、TC、DI的組合）；無線腐蝕變送器；無線閥門定位器（測量閥門的實時開度）；無線雷達液位計（Honeywell Enraf）等等，而且同時支持無線振動監(jiān)視、移動工作站、無線視頻監(jiān)視、無線讀表器、無線通話等等。無線主干網(wǎng)絡(luò)還可以同時支持現(xiàn)場Ethernet設(shè)備的無線轉(zhuǎn)接，這些第3方設(shè)備直接有線接入多功能節(jié)點進入無線網(wǎng)絡(luò)或配置無線轉(zhuǎn)接模塊，然后同多功能節(jié)點無線通訊。

    無線主干網(wǎng)絡(luò)支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表，而不會局限于某種單一的通訊協(xié)議。ISA100工業(yè)無線標準規(guī)定，無線網(wǎng)絡(luò)同時支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。

    無線主干網(wǎng)絡(luò)的特殊設(shè)計能夠應(yīng)用在屏蔽的區(qū)域。多功能節(jié)點既可以無線延伸，也可以有線互聯(lián)。在屏蔽區(qū)域的應(yīng)用場合時，只需要把屏蔽區(qū)域里的某個多功能節(jié)點和屏蔽區(qū)域與之外某個多功能節(jié)點有線互聯(lián)，那么屏蔽區(qū)域里面的無線網(wǎng)絡(luò)和屏蔽區(qū)域之外的無線網(wǎng)絡(luò)就是一個無線網(wǎng)絡(luò)了。

    配置一個無線管理平臺，可視化管理現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)、支持對無線網(wǎng)絡(luò)的診斷和維護；支持對現(xiàn)場無線變送器的在線遠程組態(tài)、負責(zé)統(tǒng)一管理整個網(wǎng)絡(luò)的安全；運行人員通過這一個平臺即可管理這個支持全廠多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議現(xiàn)場儀表的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)同霍尼韋爾Experion控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成時，這個無線管理平臺的所有功能都完全一體化集成在控制系統(tǒng)的Control Builder中。

3 霍尼韋爾無線解決方案的優(yōu)勢

    霍尼韋爾OneWireless無線解決方案通過多功能節(jié)點構(gòu)建的快速無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，支持全廠多種無線應(yīng)用，通用、簡單、高效。OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)通訊時間滯后短、通訊速度快、無線儀表自恢復(fù)速度快、網(wǎng)關(guān)冗余設(shè)計，支持在控制上的應(yīng)用。優(yōu)勢如下：

    （1）通用性：多功能的網(wǎng)絡(luò)，既支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也支持802.11 WiFi無線通訊設(shè)備，統(tǒng)一的通訊管理、安全管理和設(shè)備管理，使得網(wǎng)絡(luò)管理更簡單。OneWireless一個平臺支持的多種應(yīng)用包括：安全視頻監(jiān)視、支持流動作業(yè)、移動設(shè)備即時定位、管道腐蝕監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)診斷等等，而不僅僅是過程參數(shù)如壓力、溫度、流量的測量。

     OneWireless支持開放的多種通訊協(xié)議：一個平臺支持現(xiàn)場儀表的通訊協(xié)議有HART，Modbus，F(xiàn)F，4~20mA等，而不僅僅支持HART。這既保證符合開放的標準，也同時保護用戶的投資，為用戶帶來價值。

    （2）簡單性：OneWireless無線解決方案簡單易用，只需要一個網(wǎng)絡(luò)平臺，即可支持全廠的無線應(yīng)用，管理整個網(wǎng)絡(luò)的安全通訊；無線儀表的電池供電也非常簡單，配置了安全、持久的電源管理，1秒刷新時電池壽命為4.5年；5秒刷新時為10年，具有電源智能預(yù)測、報警管理；端對端的安全管理也非常簡單，同時確保無線網(wǎng)絡(luò)工業(yè)等級的安全通訊。

    OneWireless同控制系統(tǒng)的集成完全是標準化的通訊接口：Modbus TCP 、Modbus RTU、OPC等，實現(xiàn)無線世界同有線世界的無縫式數(shù)據(jù)集成。

    （3）可靠性：OneWireless可靠、功能強大的 “mesh” 主干網(wǎng)，和冗余的現(xiàn)場設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)確保網(wǎng)絡(luò)通訊可靠，幾乎適應(yīng)所有的干擾環(huán)境，能同其它無線網(wǎng)絡(luò)友好共存；優(yōu)化的跳頻通訊，使得效率更高，更加可靠 ，智能化的網(wǎng)絡(luò)，自組織、自愈合、自動重新組態(tài)，無需人工介入。端對端的、工業(yè)等級的安全措施可以保證通訊的安全。從儀表到網(wǎng)關(guān)的冗余的數(shù)據(jù)通訊路徑，可以消除系統(tǒng)單點故障。目前快速的1秒的網(wǎng)絡(luò)刷新速度支持快速的監(jiān)測和開環(huán)控制。具有網(wǎng)絡(luò)傳輸時間滯后管理的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)支持在控制的應(yīng)用。

    （4）高效性：OneWireless無線解決方案，優(yōu)化的跳頻技術(shù)，優(yōu)化使用寶貴的無線通訊帶寬資源，并確保通訊可靠；一個平臺實現(xiàn)更多的無線應(yīng)用，易于管理，綜合優(yōu)化工廠生產(chǎn)效率和可靠性、提高安全水平，以及優(yōu)化工廠污染排放。

    OneWireless規(guī)模擴展靈活，只有一個架構(gòu)需要實施，不需要復(fù)雜的現(xiàn)場勘測，統(tǒng)一的安全措施管理整個架構(gòu)的所有設(shè)備和應(yīng)用的安全；它符合開放的標準，支持同第三方的符合ISA100標準產(chǎn)品通訊、互相操作、兼容，充分保護用戶的投資。無線方案能節(jié)省大量的安裝成本，能以無線的方式在最短的時間內(nèi)、以最方便的方式、以最低的成本，把過程數(shù)據(jù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)和高級應(yīng)用中。

    OneWireless無線解決方案的通用性、簡單性和高效性，意味著只需最低的啟動成本即可采用無線技術(shù)方案，而且，正是由于這個支持全廠所有應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴展靈活、開放互操和容易升級，使得每一次投資都會在未來保值，從而降低了長期的投資總成本。

4 總結(jié)
 
    霍尼韋爾的OneWireless無線解決方案符合開放的ISA 100工業(yè)無線標準，實現(xiàn)一個無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同時支持多種通訊協(xié)議和多種應(yīng)用，并通過開放的標準通訊接口實現(xiàn)同控制系統(tǒng)的無縫式數(shù)據(jù)集成。由多功能節(jié)點搭建的無線主干mesh網(wǎng)絡(luò)，自組織、自愈合，通訊速度快；多功能節(jié)點之間的通訊距離遠。多功能節(jié)點也可以有線mesh，這種獨特的設(shè)計支持在屏蔽區(qū)域的無線應(yīng)用。任何一個多功能節(jié)點都可以作為網(wǎng)關(guān)同DCS控制系統(tǒng)有線連接進行數(shù)據(jù)集成。網(wǎng)關(guān)可以冗余配置，避免無線網(wǎng)絡(luò)的單點故障。

    OneWireless無線方案，安全可靠、端對端的、時間滯后管理的通訊，支持應(yīng)用在監(jiān)測、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等場合，能夠解決有線方式所不能解決的問題，實現(xiàn)工業(yè)無線和傳統(tǒng)有線方式在工廠的完美共存。



                                                          源自：《自動化博覽》