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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(guó)）有限公司中國(guó)區(qū)無線產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理，研究方向?yàn)闊o線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和技術(shù)特點(diǎn)，以及無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

    摘要：本文針對(duì)工業(yè)無線應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)單一無線架構(gòu)的需要，即一個(gè)無線架構(gòu)同時(shí)支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。也詳細(xì)闡述單一無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，以及霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持多種無線應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)通訊的工業(yè)等級(jí)的安全性和可靠性、以及同DCS控制系統(tǒng)無縫式數(shù)據(jù)集成等技術(shù)特點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：無線主干網(wǎng)絡(luò)；One Wireless；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 One Wireless Solution. The integration with DCS system is also mentioned as well.

    Key words: Mesh Wireless Network; One Wireless; Multifunctional Wireless Network; Wireless Solution; ISA100; Wireless HART

    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，是全球第一個(gè)提供工業(yè)無線解決方案的DCS供應(yīng)商，全球第一個(gè)在業(yè)內(nèi)推出工業(yè)無線變送器，全球第一個(gè)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(guó)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(xiàng)工業(yè)無線專利以及正在申請(qǐng)的專利。

    霍尼韋爾的無線產(chǎn)品符合開放的ISA100工業(yè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支持基于ISA100標(biāo)準(zhǔn)的前后兼容和互操，能夠有效保護(hù)用戶的投資。ISA100標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持多種無線應(yīng)用、同時(shí)支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。同時(shí)配置一個(gè)無線管理平臺(tái)即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的安全管理、通訊管理和設(shè)備管理。

    1 工業(yè)無線應(yīng)用場(chǎng)合的對(duì)單一無線架構(gòu)的需求

    當(dāng)前工業(yè)流程的過程控制非常復(fù)雜，其中一個(gè)主要方面就是采用了很多種有線通信協(xié)議，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet、ControlNet以及其他類似的標(biāo)準(zhǔn)和專用協(xié)議。工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合通常都會(huì)有若干個(gè)有線協(xié)議并存。每個(gè)協(xié)議都基于各自的專用架構(gòu)（最典型的就是銅導(dǎo)線），因此多個(gè)協(xié)議可以輕松地共存而不會(huì)相互影響。

    不同于有線應(yīng)用的每個(gè)協(xié)議都有自己的架構(gòu)或傳導(dǎo)介質(zhì)，無線版本的這些協(xié)議卻需要共享一種公共介質(zhì)——空氣，這些協(xié)議必須在這種公共介質(zhì)中共存，而且會(huì)由于處于同一個(gè)物理空間而相互干擾。因此，把工業(yè)無線應(yīng)用在工廠控制領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，就需要一個(gè)單一架構(gòu)，即在一個(gè)工廠，通過構(gòu)建一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，來同時(shí)支持多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。這既可以減少不必要的相互干擾，確保無線通訊更加可靠，同時(shí)也節(jié)省了用戶的投資，減少用戶因?yàn)橐粋€(gè)工廠建立多個(gè)無線平臺(tái)帶來的管理上的困難。

    Honeywell公司的One Wireless無線方案就是一個(gè)多功能的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)支持全廠的多種應(yīng)用，如過程參數(shù)的監(jiān)控、安全視頻監(jiān)視、支持流動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)設(shè)備即時(shí)定位、管道腐蝕監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)診斷（如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、位移）等等；一個(gè)平臺(tái)支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表：如HART，Modbus，F(xiàn)F，4~20mA等；工廠運(yùn)行維護(hù)人員不必面對(duì)多個(gè)單獨(dú)的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不必為管理不同的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)而煩惱。

    2   I S A100工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)單一無線架構(gòu)支持多種無線應(yīng)用

    目前把無線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制的技術(shù)方案主要有2類，即通過無線儀表本身路由或通過節(jié)點(diǎn)來路由。其中WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)，就是依靠無線變送器本身路由來實(shí)現(xiàn)的；而ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)是依靠節(jié)點(diǎn)路由來實(shí)現(xiàn)的。
兩種解決方案都為了達(dá)到工業(yè)等級(jí)的無線應(yīng)用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴(kuò)頻通訊技術(shù)以及基于精確時(shí)間同步的通訊和基于數(shù)據(jù)碰撞的通訊技術(shù)。但是兩種方案的技術(shù)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特點(diǎn)卻有很大的差別。

    （a）以WirelessHART為代表的，無線網(wǎng)絡(luò)依靠無線儀表路由來實(shí)現(xiàn)
                         
    該解決方案的主要特征是現(xiàn)場(chǎng)儀表配置路由功能，即每臺(tái)無線儀表不僅測(cè)量自己的過程參數(shù)，而且同時(shí)為其它儀表的通訊進(jìn)行路由。通常配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，所以優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)施較為簡(jiǎn)單。

    但是這種技術(shù)路徑的缺點(diǎn)也非常明顯。首先網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后較大、無線變送器通訊速度較慢：因?yàn)檎麄€(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的通訊是通過低速通訊的無線變送器路由來實(shí)現(xiàn)的，所以整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的通訊速度必然受到限制，從而無線變送器的刷新速度不可能做到很快，典型的是1分鐘，也可以做到16秒和8秒。

    整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后可能很明顯，典型的是10秒。設(shè)定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后也越長(zhǎng)；網(wǎng)絡(luò)所帶設(shè)備的數(shù)量愈多，需要路由和中轉(zhuǎn)的次數(shù)愈多，網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間的滯后也越長(zhǎng)。

    其次，無線變送器的電池壽命也會(huì)因?yàn)閮x表的路由而受到影響。當(dāng)一臺(tái)無線變送器為其它無線變送器進(jìn)行路由時(shí)，需要消耗額外的電池能量。由于無線變送器電池90%的能量都是消耗在無線發(fā)射上的，所以電池的壽命比較短，典型的是常溫下1分鐘刷新速度時(shí)候電池可以使用5年。但是在快速刷新時(shí)，如8秒時(shí)電池的壽命會(huì)很短。

    而且由于無線設(shè)備路由的次數(shù)，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和測(cè)點(diǎn)的分布相關(guān)，是不確定的，所以即使電池的電壓可以隨時(shí)顯示報(bào)警，但是電池什么時(shí)候電壓低是不可預(yù)測(cè)的，即電池的壽命很難預(yù)測(cè)。

    而且由于鋰電池本身屬于高蓄能設(shè)備，不可能做到本質(zhì)安全，所以在石油化工廠的應(yīng)用需要隔爆的變送器選型。但是由于需要頻繁更換電池（儀表刷新速度快時(shí)，如8秒），所以會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)后期的維護(hù)時(shí)帶來很多不便之處。

    其三，也正是由于考慮到網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間滯后和通訊速度的因素，整個(gè)無線mesh網(wǎng)絡(luò)的通訊路由次數(shù)必需有所限制，即最遠(yuǎn)的儀表到網(wǎng)關(guān)的路由次數(shù)不能大于多少次，否則通訊時(shí)間滯后會(huì)很長(zhǎng)；同時(shí)通訊時(shí)間滯后的因素也決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，如無線儀表1秒刷新時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)所帶的設(shè)備可能非常有限。

    當(dāng)在大項(xiàng)目中應(yīng)用時(shí)，可能需要配置很多網(wǎng)關(guān)，分別構(gòu)建很多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)時(shí)候，就會(huì)遇到不同無線網(wǎng)絡(luò)之間的干擾問題，以及如何統(tǒng)一管理多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的問題。

    最后，這種以WirelessHART為代表的通過無線儀表本身路由來構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的無線解決方案，一個(gè)無線架構(gòu)只支持某種通訊協(xié)議的無線儀表無線通訊，如WirelessHART僅僅支持HART儀表的無線通訊。這沒有考慮到支持其它協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表和其它無線應(yīng)用（如移動(dòng)工作站、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、無線視頻監(jiān)視、無線音頻通訊等等），也是其不足之處。

    當(dāng)然這個(gè)單一無線架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就是，其應(yīng)用范圍集中、實(shí)施簡(jiǎn)單，適合小規(guī)模、刷新速度要求不高、對(duì)電池壽命要求不長(zhǎng)的場(chǎng)合。而且由于其支持單一的通訊協(xié)議，所以可以繼續(xù)支持原有協(xié)議的管理工具，如WirelessHART支持HART儀表的無線通訊，可以繼續(xù)利用現(xiàn)有的HART管理工具。

    （b）以ISA100為代表的，通過節(jié)點(diǎn)路由來實(shí)現(xiàn)
                      
    無線通訊該方案主要是由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)通訊速度非常快速的無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，而且這個(gè)無線主干網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，同時(shí)支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。現(xiàn)場(chǎng)無線儀表可以自動(dòng)選擇同任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，自組織、自愈合。但是現(xiàn)場(chǎng)儀表不配置路由功能。通常任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以或同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

    這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的快速的、mesh主干網(wǎng)絡(luò)，使得無線變送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于無線變送器只需要1個(gè)“hop”就可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)通訊速度非常快的無線主干網(wǎng)上，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后也很短。

    因?yàn)槊颗_(tái)無線變送器都不為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長(zhǎng)，常溫下1秒刷新的時(shí)候就可以達(dá)到5年。而且正是由于沒有配置路由功能，所以電池的電壓不僅可以隨時(shí)顯示報(bào)警，而且電池什么時(shí)候電池電壓低，即電池的壽命，都是可以預(yù)測(cè)的。

    而且這種解決方案由于整個(gè)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常靈活，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持的無線儀表的數(shù)量可以達(dá)到上千臺(tái)。

    另外這個(gè)多功能的解決方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線架構(gòu)支持多種協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表和多種工廠的無線應(yīng)用。

    3 霍尼韋爾公司無線解決方案，支持ISA100工業(yè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持多種無線應(yīng)用，為用戶帶來優(yōu)勢(shì)

    霍尼韋爾公司的OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是一個(gè)多功能的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，符合開放的ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，安全、通用、支持多種應(yīng)用，可以支持的設(shè)備如變送器、閥門、WiFi設(shè)備、移動(dòng)工作站、即時(shí)定位設(shè)備、煙氣探測(cè)等等；支持多種現(xiàn)場(chǎng)儀表的通訊協(xié)議，如HART、FOUNDATION Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

    霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案，是由多功能節(jié)點(diǎn)（Multinode）構(gòu)建一個(gè)通訊速度非常快的無線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)無線變送器可以自動(dòng)選擇與任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊。整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)自組織，自愈合，冗余網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，沒有單點(diǎn)故障，同時(shí)采用了2.4GHz ISM頻段DSSS跳頻通訊，確保無線通訊能夠達(dá)到工業(yè)等級(jí)的可靠性和安全。

    無線主干網(wǎng)絡(luò)支持多種應(yīng)用，多功能節(jié)點(diǎn)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(gè)DI或 1個(gè)TC + 2 DI）；3通道無線模擬量輸入變送器（3個(gè)AI或1AI+2個(gè)TC、DI的組合）；3通道無線開關(guān)量輸出變送器（1個(gè)DO+2個(gè)AI、TC、DI的組合） ；無線腐蝕變送器；無線閥門定位器（測(cè)量閥門的實(shí)時(shí)開度）；無線雷達(dá)液位計(jì)（Honeywell Enraf）等等，而且同時(shí)支持無線振動(dòng)監(jiān)視、移動(dòng)工作站、無線視頻監(jiān)視、無線讀表器、無線語(yǔ)音通話等等。

    不僅如此，無線主干網(wǎng)絡(luò)還可以同時(shí)支持現(xiàn)場(chǎng)Ethernet設(shè)備的無線轉(zhuǎn)接，即現(xiàn)場(chǎng)的第3方設(shè)備可以直接有線接入多功能節(jié)點(diǎn)從而進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)。或者配置無線轉(zhuǎn)接模塊，然后同多功能節(jié)點(diǎn)無線通訊。

    無線主干網(wǎng)絡(luò)所支持的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以符合多種通訊協(xié)議，而不會(huì)局限于某種單一的通訊協(xié)議。如無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。

    而且，還會(huì)配置一個(gè)無線管理平臺(tái)，可視化管理現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)，支持對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的診斷和維護(hù)；支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線變送器的在線遠(yuǎn)程組態(tài)、負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全；運(yùn)行人員通過這一個(gè)平臺(tái)即可管理這個(gè)支持全廠多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，這個(gè)無線管理平臺(tái)的所有功能都完全一體化集成在控制系統(tǒng)的Control Builder中。

    通過構(gòu)建一個(gè)無線平臺(tái)，支持整個(gè)廠區(qū)的、大規(guī)模的無線應(yīng)用；支持全廠的多種無線應(yīng)用；使用一個(gè)無線管理平臺(tái)統(tǒng)一管理整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的安全、通訊和設(shè)備組態(tài)、診斷等等，能夠?yàn)樽罱K用戶帶來極大的便利。

    用戶無需為工廠的現(xiàn)場(chǎng)儀表建立很多個(gè)獨(dú)立的、同類無線網(wǎng)絡(luò)；無需為工廠不同的無線應(yīng)用而建立多個(gè)不同的無線網(wǎng)絡(luò)；無需擔(dān)心很多同類但獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響。工廠運(yùn)行維護(hù)人員不必面對(duì)多個(gè)單獨(dú)的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不必為管理不同的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)而煩惱。這也大大降低了用戶的管理費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、培訓(xùn)費(fèi)用、安裝費(fèi)用等。

    One Wireless無線解決方案的優(yōu)勢(shì)，不僅在于降低安裝成本，更體現(xiàn)在支持充分利用工廠工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，支持更多的應(yīng)用，提高和優(yōu)化工廠管控水平。One Wireless無線解決方案靈活、開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，能夠支持工廠實(shí)施先進(jìn)的高級(jí)優(yōu)化應(yīng)用。霍尼韋爾公司在產(chǎn)品上向下和向上的兼容，支持霍尼韋爾公司的已有產(chǎn)品、經(jīng)過認(rèn)證的第三方符合標(biāo)準(zhǔn)的變送器以及其它符合IEEE 802.11的第三方產(chǎn)品，保護(hù)用戶的投資。

    4 總結(jié)

    霍尼韋爾的OneWireless無線解決方案符合開放的ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同時(shí)支持多種通訊協(xié)議和多種無線應(yīng)用，并通過開放的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口實(shí)現(xiàn)同控制系統(tǒng)的無縫式數(shù)據(jù)集成。

    通過把有線的控制網(wǎng)絡(luò)無線延伸到現(xiàn)場(chǎng)，可以經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)化工廠的運(yùn)行，提高可靠性和安全水平，以及更加環(huán)保，節(jié)能減排。One Wireless網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的端對(duì)端的安全管理，可以確保通訊安全；電池管理也非常高效、可預(yù)測(cè)電池壽命；可設(shè)定的快速網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控速度，支持從監(jiān)測(cè)到閉環(huán)控制的所有應(yīng)用。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] Deborah Hairston AuthorJeff Becker，Honeywell Process Solutions，Chemical Engineering www.che.com November 2007.

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     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第二期