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    江天生

    男，清華大學工商管理碩士，霍尼韋爾（中國）有限公司中國區無線產品業務經理，研究方向為無線技術在工業領域的應用和技術特點，以及無線國際標準。



    摘  要：本文詳細闡述了霍尼韋爾公司OneWireless無線解決方案的網絡架構，一個無線平臺支持多種無線應用和多種通訊協議的現場儀表的特點，以及同DCS控制系統的數據集成。

    關鍵詞：無線主干網絡；OneWireless；多功能無線網絡架構； 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 工業無線潛在的應用場合

    在過程控制行業，實現對全廠的監測和控制，通常采用有線的方式，采集過程數據。但是，我們經常會遇到電纜和接線帶來的許多問題，如對分散測點的數據采集時，敷設電纜和橋架非常困難，如何低成本和經濟地實現監控就是非常困難的問題；如轉窯和轉爐等旋轉的設備如何有效監測？改造項目如何快速實施、沒有供電的區域如何實現過程數據的測量？遠程區域的有效監測如何實現？歸納起來，傳統的、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、旋轉的測點、移動的測點、被道路河流鐵路等分隔的測點；現有橋架和電纜溝已經接近滿負荷的測點，沒有供電的測點、需要快速增加測點的場合，敷設電纜、安裝橋架和保護管較為麻煩；

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

    （3）安裝成本較高：需要支持有線連接的相關安裝材料和人工；

    （4）維護費用較高：需要維護支持有線連接的相關設備和線纜；

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

    （6）現場和控制室需要支持有線方案的基礎設施，現場布置較為復雜；

    （7）系統未來擴展較不方便。

    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可以更方便、更經濟地改進工廠的管理和控制水平。工業無線解決方案的優勢有：

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

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

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

    （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，無需擔心接線進水、連接松動、電纜損壞；

    （5）移動工作站，支持現場無線、移動作業；

    （6）控制室和現場布置更為簡潔：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）無線網絡擴展非常方便：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有無線設備；

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

    基于上述相對于有線方式，工業無線所帶來的優勢，工業無線應用在下列流程控制領域的場合，非常合適。可以想象，有線和無線的解決方案共同服務于工廠的各個場合，然后同DCS控制系統無縫式數據集成，實現對工廠關鍵設備和輔助設備更加安全、高效的數據采集和監測控制。這些適合工業無線應用的典型場合有：

    （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，無需敷設橋架、電纜和接線。

    （2）用于安裝和維護危險的區域：沒有電纜和接線，減少產生火花的可能；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、旋轉的測點、沒有電源供應的測點。

    （4）更多的設備診斷數據，用于過程優化和控制、工藝改進。

     ·  獲取更多的預測性的狀態監測的區域，如軸振動，潤滑油溫度、過濾器壓差；

     ·  收集更多的機械設備的在線數據，減少離線數據采集：泵振動、轉速等狀態監測、手動閥門閥位采集；

     ·  收集大范圍分布式的數據，例如洗眼器、電伴熱、環境大氣監測；

     ·  關鍵設備的輔助信息監控，例如閥門跳閘后的位置。

    （5）現場移動作業的需要。

    （6）工廠安全、泄露排放、火災，更好的環境監測 、更快的事故反應能力：可燃氣體監測、無線視頻、無線拍照、無線開關量變送器；用于采樣、泄漏數據監控。

    （7）罐區儲罐溢流或儲備狀況：無線雷達液位計，監測實時液位。

    （8）改造項目時：電纜橋架負荷已滿、不想破壞現場現有環境、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無線技術應用于過程控制的領先者，全球第一個提供工業無線解決方案的DCS供應商，全球第一個在業內推出工業無線變送器，全球第一個推出能夠應用于控制的無線冗余網關。自2003年，受美國能源部委托研發應用于工業領域的無線技術以來，已經獲得300余項工業無線專利以及正在申請的專利。霍尼韋爾的無線產品符合ISA100工業無線國際標準，支持無線設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，是由多功能節點（Multinode）構建一個通訊速度非常快的無線Mesh主干網絡，現場無線變送器可以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、冗余網關的設計、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等級的可靠性和安全。

                    

    無線主干網絡的通訊速度最快可達54Mbps，現場無線變送器的通訊速度250Kbps，由于主干網絡的強大功能，無線變送器只需要一跳“Hop”就可以把數據包傳輸到通訊速度非常快的主干網上，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。

    無線主干網最多可以由40個多功能節點構成，每個多功能節點都可以同時做為網關有線接入控制系統，采用標準通訊協議 Modbus TCP / IP、OPC、Modbus RTU （RS485）等。如果同霍尼韋爾Experion控制系統進行數據集成，則還可以采用完全一體化的CDA通訊方式，無線網關（多功能節點）可以直接同Experion控制系統的C300控制器、Server等點對點、對等通訊。每個無線網關都可以冗余配置。每個多功能節點都可以帶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）。因此無線主干網絡的規模非常靈活，可以帶數以千、萬臺的無線儀表。

    無線主干網覆蓋的范圍非常大，可以覆蓋全廠數十公里廠區。多功能節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）；現場儀表同任何一個多功能節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）。

    無線主干網絡支持多種應用，多功能節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視、移動工作站、無線視頻監視、無線讀表器、無線通話等等。無線主干網絡還可以同時支持現場Ethernet設備的無線轉接，這些第3方設備直接有線接入多功能節點進入無線網絡或配置無線轉接模塊，然后同多功能節點無線通訊。

    無線主干網絡支持多種通訊協議的現場儀表，而不會局限于某種單一的通訊協議。ISA100工業無線標準規定，無線網絡同時支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多種通訊協議的現場儀表。

    無線主干網絡的特殊設計能夠應用在屏蔽的區域。多功能節點既可以無線延伸，也可以有線互聯。在屏蔽區域的應用場合時，只需要把屏蔽區域里的某個多功能節點和屏蔽區域與之外某個多功能節點有線互聯，那么屏蔽區域里面的無線網絡和屏蔽區域之外的無線網絡就是一個無線網絡了。

    配置一個無線管理平臺，可視化管理現場無線網絡、支持對無線網絡的診斷和維護；支持對現場無線變送器的在線遠程組態、負責統一管理整個網絡的安全；運行人員通過這一個平臺即可管理這個支持全廠多種應用和多種通訊協議現場儀表的無線網絡。當同霍尼韋爾Experion控制系統數據集成時，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的Control Builder中。

3 霍尼韋爾無線解決方案的優勢

    霍尼韋爾OneWireless無線解決方案通過多功能節點構建的快速無線mesh主干網絡，支持全廠多種無線應用，通用、簡單、高效。OneWireless無線網絡通訊時間滯后短、通訊速度快、無線儀表自恢復速度快、網關冗余設計，支持在控制上的應用。優勢如下：

    （1）通用性：多功能的網絡，既支持無線傳感器網絡，也支持802.11 WiFi無線通訊設備，統一的通訊管理、安全管理和設備管理，使得網絡管理更簡單。OneWireless一個平臺支持的多種應用包括：安全視頻監視、支持流動作業、移動設備即時定位、管道腐蝕監測、設備狀態診斷等等，而不僅僅是過程參數如壓力、溫度、流量的測量。

     OneWireless支持開放的多種通訊協議：一個平臺支持現場儀表的通訊協議有HART，Modbus，FF，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，只需要一個網絡平臺，即可支持全廠的無線應用，管理整個網絡的安全通訊；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，同時確保無線網絡工業等級的安全通訊。

    OneWireless同控制系統的集成完全是標準化的通訊接口：Modbus TCP 、Modbus RTU、OPC等，實現無線世界同有線世界的無縫式數據集成。

    （3）可靠性：OneWireless可靠、功能強大的 “mesh” 主干網，和冗余的現場設備通訊網絡確保網絡通訊可靠，幾乎適應所有的干擾環境，能同其它無線網絡友好共存；優化的跳頻通訊，使得效率更高，更加可靠 ，智能化的網絡，自組織、自愈合、自動重新組態，無需人工介入。端對端的、工業等級的安全措施可以保證通訊的安全。從儀表到網關的冗余的數據通訊路徑，可以消除系統單點故障。目前快速的1秒的網絡刷新速度支持快速的監測和開環控制。具有網絡傳輸時間滯后管理的網絡通訊技術支持在控制的應用。

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

    OneWireless規模擴展靈活，只有一個架構需要實施，不需要復雜的現場勘測，統一的安全措施管理整個架構的所有設備和應用的安全；它符合開放的標準，支持同第三方的符合ISA100標準產品通訊、互相操作、兼容，充分保護用戶的投資。無線方案能節省大量的安裝成本，能以無線的方式在最短的時間內、以最方便的方式、以最低的成本，把過程數據集成到現有控制系統和高級應用中。

    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方案，而且，正是由于這個支持全廠所有應用的無線網絡規模擴展靈活、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
 
    霍尼韋爾的OneWireless無線解決方案符合開放的ISA 100工業無線標準，實現一個無線網絡架構同時支持多種通訊協議和多種應用，并通過開放的標準通訊接口實現同控制系統的無縫式數據集成。由多功能節點搭建的無線主干mesh網絡，自組織、自愈合，通訊速度快；多功能節點之間的通訊距離遠。多功能節點也可以有線mesh，這種獨特的設計支持在屏蔽區域的無線應用。任何一個多功能節點都可以作為網關同DCS控制系統有線連接進行數據集成。網關可以冗余配置，避免無線網絡的單點故障。

    OneWireless無線方案，安全可靠、端對端的、時間滯后管理的通訊，支持應用在監測、開環控制、閉環控制等場合，能夠解決有線方式所不能解決的問題，實現工業無線和傳統有線方式在工廠的完美共存。



                                                          源自：《自動化博覽》