江天生

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



    摘  要：本文詳細闡述了霍尼韋爾公司OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案的網(wǎng)絡(luò )架構，一個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺支持多種無(wú)線(xiàn)應用和多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表的特點(diǎn)，以及同DCS控制系統的數據集成。

    關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )；OneWireless；多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(yè)無(wú)線(xiàn)潛在的應用場(chǎng)合

    在過(guò)程控制行業(yè)，實(shí)現對全廠(chǎng)的監測和控制，通常采用有線(xiàn)的方式，采集過(guò)程數據。但是，我們經(jīng)常會(huì )遇到電纜和接線(xiàn)帶來(lái)的許多問(wèn)題，如對分散測點(diǎn)的數據采集時(shí)，敷設電纜和橋架非常困難，如何低成本和經(jīng)濟地實(shí)現監控就是非常困難的問(wèn)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(shí)施、沒(méi)有供電的區域如何實(shí)現過(guò)程數據的測量？遠程區域的有效監測如何實(shí)現？歸納起來(lái)，傳統的、有線(xiàn)的方式有如下不足之處：

    （1）工程實(shí)施較為麻煩：分散的測點(diǎn)、旋轉的測點(diǎn)、移動(dòng)的測點(diǎn)、被道路河流鐵路等分隔的測點(diǎn)；現有橋架和電纜溝已經(jīng)接近滿(mǎn)負荷的測點(diǎn)，沒(méi)有供電的測點(diǎn)、需要快速增加測點(diǎn)的場(chǎng)合，敷設電纜、安裝橋架和保護管較為麻煩；

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

    （3）安裝成本較高：需要支持有線(xiàn)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(xiàn)連接的相關(guān)設備和線(xiàn)纜；

    （5）不支持現場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)：需多次從現場(chǎng)往返控制室，以獲取控制系統過(guò)程信息；

    （6）現場(chǎng)和控制室需要支持有線(xiàn)方案的基礎設施，現場(chǎng)布置較為復雜；

    （7）系統未來(lái)擴展較不方便。

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

    （1）工程實(shí)施簡(jiǎn)單、便捷：無(wú)需敷設電纜、橋架、保護管；無(wú)需卡件、機柜；無(wú)需擔心鐵路造成的困難；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合，高度智能；

    （2）節省大量安裝和調試時(shí)間：快速安裝，僅需在測點(diǎn)安裝無(wú)線(xiàn)變送器即可；

    （3）節省大量的安裝成本：無(wú)需敷設電纜、橋架、保護管、卡件、機柜、安全柵，節省相關(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(wú)線(xiàn)變送器本身即可，無(wú)需擔心接線(xiàn)進(jìn)水、連接松動(dòng)、電纜損壞；

    （5）移動(dòng)工作站，支持現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)、移動(dòng)作業(yè)；

    （6）控制室和現場(chǎng)布置更為簡(jiǎn)潔：無(wú)接線(xiàn)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(diǎn)；

    （7）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )擴展非常方便：增加測點(diǎn)時(shí)，直接安裝無(wú)線(xiàn)變送器即可，更換容易、即插即用、靈活，未來(lái)改造可以有效利用現有無(wú)線(xiàn)設備；

    （8）符合開(kāi)放的國際工業(yè)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)方式，工業(yè)無(wú)線(xiàn)所帶來(lái)的優(yōu)勢，工業(yè)無(wú)線(xiàn)應用在下列流程控制領(lǐng)域的場(chǎng)合，非常合適?？梢韵胂?，有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的解決方案共同服務(wù)于工廠(chǎng)的各個(gè)場(chǎng)合，然后同DCS控制系統無(wú)縫式數據集成，實(shí)現對工廠(chǎng)關(guān)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(yè)無(wú)線(xiàn)應用的典型場(chǎng)合有：

    （1）分散的測點(diǎn)：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(diǎn)分散、被鐵路、圍墻等分割的地方，無(wú)需敷設橋架、電纜和接線(xiàn)。

    （2）用于安裝和維護危險的區域：沒(méi)有電纜和接線(xiàn)，減少產(chǎn)生火花的可能；無(wú)需因為電纜維護而進(jìn)入危險場(chǎng)所。

    （3）移動(dòng)的測點(diǎn)、臨時(shí)測點(diǎn)、旋轉的測點(diǎn)、沒(méi)有電源供應的測點(diǎn)。

    （4）更多的設備診斷數據，用于過(guò)程優(yōu)化和控制、工藝改進(jìn)。

     ·  獲取更多的預測性的狀態(tài)監測的區域，如軸振動(dòng)，潤滑油溫度、過(guò)濾器壓差；

     ·  收集更多的機械設備的在線(xiàn)數據，減少離線(xiàn)數據采集：泵振動(dòng)、轉速等狀態(tài)監測、手動(dòng)閥門(mén)閥位采集；

     ·  收集大范圍分布式的數據，例如洗眼器、電伴熱、環(huán)境大氣監測；

     ·  關(guān)鍵設備的輔助信息監控，例如閥門(mén)跳閘后的位置。

    （5）現場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)的需要。

    （6）工廠(chǎng)安全、泄露排放、火災，更好的環(huán)境監測 、更快的事故反應能力：可燃氣體監測、無(wú)線(xiàn)視頻、無(wú)線(xiàn)拍照、無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)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(wú)線(xiàn)雷達液位計，監測實(shí)時(shí)液位。

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

2 霍尼韋爾無(wú)線(xiàn)解決方案

    霍尼韋爾公司是把工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于過(guò)程控制的領(lǐng)先者，全球第一個(gè)提供工業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案的DCS供應商，全球第一個(gè)在業(yè)內推出工業(yè)無(wú)線(xiàn)變送器，全球第一個(gè)推出能夠應用于控制的無(wú)線(xiàn)冗余網(wǎng)關(guān)。自2003年，受美國能源部委托研發(fā)應用于工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)技術(shù)以來(lái)，已經(jīng)獲得300余項工業(yè)無(wú)線(xiàn)專(zhuān)利以及正在申請的專(zhuān)利?；裟犴f爾的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品符合ISA100工業(yè)無(wú)線(xiàn)國際標準，支持無(wú)線(xiàn)設備的免費在線(xiàn)軟件升級以符合最新的ISA100標準，能夠有效保護用戶(hù)的投資。

    霍尼韋爾OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案，是由多功能節點(diǎn)（Multinode）構建一個(gè)通訊速度非?？斓臒o(wú)線(xiàn)Mesh主干網(wǎng)絡(luò )，現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)變送器可以自動(dòng)選擇與任何一個(gè)多功能節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊。整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合、冗余網(wǎng)關(guān)的設計、沒(méi)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(wú)線(xiàn)通訊能夠達到工業(yè)等級的可靠性和安全。

                    

    無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )的通訊速度最快可達54Mbps，現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)變送器的通訊速度250Kbps，由于主干網(wǎng)絡(luò )的強大功能，無(wú)線(xiàn)變送器只需要一跳“Hop”就可以把數據包傳輸到通訊速度非?？斓闹鞲删W(wǎng)上，因此無(wú)線(xiàn)通訊時(shí)間的滯后非常短、支持無(wú)線(xiàn)變送器更快的刷新速度，如1秒、5秒、10秒、30秒等。未來(lái)可以支持無(wú)線(xiàn)變送器250毫秒的刷新速度。

    無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)最多可以由40個(gè)多功能節點(diǎn)構成，每個(gè)多功能節點(diǎn)都可以同時(shí)做為網(wǎng)關(guān)有線(xiàn)接入控制系統，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控制系統進(jìn)行數據集成，則還可以采用完全一體化的CDA通訊方式，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)（多功能節點(diǎn)）可以直接同Experion控制系統的C300控制器、Server等點(diǎn)對點(diǎn)、對等通訊。每個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)都可以冗余配置。每個(gè)多功能節點(diǎn)都可以帶400臺無(wú)線(xiàn)變送器（30秒刷新時(shí)）或100臺無(wú)線(xiàn)變送器（5秒刷新時(shí)）或20臺無(wú)線(xiàn)變送器（1秒刷新時(shí)）。因此無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )的規模非常靈活，可以帶數以千、萬(wàn)臺的無(wú)線(xiàn)儀表。

    無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)覆蓋的范圍非常大，可以覆蓋全廠(chǎng)數十公里廠(chǎng)區。多功能節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通訊距離為1公里延伸或10公里延伸（選型高增益天線(xiàn)時(shí)）；現場(chǎng)儀表同任何一個(gè)多功能節點(diǎn)之間的通訊距離為305米、610米或3公里（選型高增益天線(xiàn)時(shí)）。

    無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )支持多種應用，多功能節點(diǎn)不僅支持同無(wú)線(xiàn)變送器的無(wú)線(xiàn)通訊，如3通道無(wú)線(xiàn)溫度變送器、無(wú)線(xiàn)壓力變送器（絕壓、表壓、差壓）、3通道無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸入變送器（3個(gè)DI或 1個(gè)TC + 2 DI）；3通道無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)量輸出變送器（1個(gè)DO+2個(gè)AI、TC、DI的組合）；無(wú)線(xiàn)腐蝕變送器；無(wú)線(xiàn)閥門(mén)定位器（測量閥門(mén)的實(shí)時(shí)開(kāi)度）；無(wú)線(xiàn)雷達液位計（Honeywell Enraf）等等，而且同時(shí)支持無(wú)線(xiàn)振動(dòng)監視、移動(dòng)工作站、無(wú)線(xiàn)視頻監視、無(wú)線(xiàn)讀表器、無(wú)線(xiàn)通話(huà)等等。無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )還可以同時(shí)支持現場(chǎng)Ethernet設備的無(wú)線(xiàn)轉接，這些第3方設備直接有線(xiàn)接入多功能節點(diǎn)進(jìn)入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或配置無(wú)線(xiàn)轉接模塊，然后同多功能節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通訊。

    無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )支持多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表，而不會(huì )局限于某種單一的通訊協(xié)議。ISA100工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準規定，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )同時(shí)支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表。

    無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )的特殊設計能夠應用在屏蔽的區域。多功能節點(diǎn)既可以無(wú)線(xiàn)延伸，也可以有線(xiàn)互聯(lián)。在屏蔽區域的應用場(chǎng)合時(shí)，只需要把屏蔽區域里的某個(gè)多功能節點(diǎn)和屏蔽區域與之外某個(gè)多功能節點(diǎn)有線(xiàn)互聯(lián)，那么屏蔽區域里面的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和屏蔽區域之外的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )就是一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )了。

    配置一個(gè)無(wú)線(xiàn)管理平臺，可視化管理現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、支持對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的診斷和維護；支持對現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)變送器的在線(xiàn)遠程組態(tài)、負責統一管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的安全；運行人員通過(guò)這一個(gè)平臺即可管理這個(gè)支持全廠(chǎng)多種應用和多種通訊協(xié)議現場(chǎng)儀表的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。當同霍尼韋爾Experion控制系統數據集成時(shí)，這個(gè)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)解決方案的優(yōu)勢

    霍尼韋爾OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案通過(guò)多功能節點(diǎn)構建的快速無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò )，支持全廠(chǎng)多種無(wú)線(xiàn)應用，通用、簡(jiǎn)單、高效。OneWireless無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊時(shí)間滯后短、通訊速度快、無(wú)線(xiàn)儀表自恢復速度快、網(wǎng)關(guān)冗余設計，支持在控制上的應用。優(yōu)勢如下：

    （1）通用性：多功能的網(wǎng)絡(luò )，既支持無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，也支持802.11 WiFi無(wú)線(xiàn)通訊設備，統一的通訊管理、安全管理和設備管理，使得網(wǎng)絡(luò )管理更簡(jiǎn)單。OneWireless一個(gè)平臺支持的多種應用包括：安全視頻監視、支持流動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)設備即時(shí)定位、管道腐蝕監測、設備狀態(tài)診斷等等，而不僅僅是過(guò)程參數如壓力、溫度、流量的測量。

     OneWireless支持開(kāi)放的多種通訊協(xié)議：一個(gè)平臺支持現場(chǎng)儀表的通訊協(xié)議有HART，Modbus，FF，4~20mA等，而不僅僅支持HART。這既保證符合開(kāi)放的標準，也同時(shí)保護用戶(hù)的投資，為用戶(hù)帶來(lái)價(jià)值。

    （2）簡(jiǎn)單性：OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案簡(jiǎn)單易用，只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò )平臺，即可支持全廠(chǎng)的無(wú)線(xiàn)應用，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的安全通訊；無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電也非常簡(jiǎn)單，配置了安全、持久的電源管理，1秒刷新時(shí)電池壽命為4.5年；5秒刷新時(shí)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(jiǎn)單，同時(shí)確保無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )工業(yè)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(shí)現無(wú)線(xiàn)世界同有線(xiàn)世界的無(wú)縫式數據集成。

    （3）可靠性：OneWireless可靠、功能強大的 “mesh” 主干網(wǎng)，和冗余的現場(chǎng)設備通訊網(wǎng)絡(luò )確保網(wǎng)絡(luò )通訊可靠，幾乎適應所有的干擾環(huán)境，能同其它無(wú)線(xiàn)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(dòng)重新組態(tài)，無(wú)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)的冗余的數據通訊路徑，可以消除系統單點(diǎn)故障。目前快速的1秒的網(wǎng)絡(luò )刷新速度支持快速的監測和開(kāi)環(huán)控制。具有網(wǎng)絡(luò )傳輸時(shí)間滯后管理的網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)支持在控制的應用。

    （4）高效性：OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案，優(yōu)化的跳頻技術(shù)，優(yōu)化使用寶貴的無(wú)線(xiàn)通訊帶寬資源，并確保通訊可靠；一個(gè)平臺實(shí)現更多的無(wú)線(xiàn)應用，易于管理，綜合優(yōu)化工廠(chǎng)生產(chǎn)效率和可靠性、提高安全水平，以及優(yōu)化工廠(chǎng)污染排放。

    OneWireless規模擴展靈活，只有一個(gè)架構需要實(shí)施，不需要復雜的現場(chǎng)勘測，統一的安全措施管理整個(gè)架構的所有設備和應用的安全；它符合開(kāi)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(hù)的投資。無(wú)線(xiàn)方案能節省大量的安裝成本，能以無(wú)線(xiàn)的方式在最短的時(shí)間內、以最方便的方式、以最低的成本，把過(guò)程數據集成到現有控制系統和高級應用中。

    OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案的通用性、簡(jiǎn)單性和高效性，意味著(zhù)只需最低的啟動(dòng)成本即可采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)方案，而且，正是由于這個(gè)支持全廠(chǎng)所有應用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規模擴展靈活、開(kāi)放互操和容易升級，使得每一次投資都會(huì )在未來(lái)保值，從而降低了長(cháng)期的投資總成本。

4 總結
 
    霍尼韋爾的OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案符合開(kāi)放的ISA 100工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準，實(shí)現一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構同時(shí)支持多種通訊協(xié)議和多種應用，并通過(guò)開(kāi)放的標準通訊接口實(shí)現同控制系統的無(wú)縫式數據集成。由多功能節點(diǎn)搭建的無(wú)線(xiàn)主干mesh網(wǎng)絡(luò )，自組織、自愈合，通訊速度快；多功能節點(diǎn)之間的通訊距離遠。多功能節點(diǎn)也可以有線(xiàn)mesh，這種獨特的設計支持在屏蔽區域的無(wú)線(xiàn)應用。任何一個(gè)多功能節點(diǎn)都可以作為網(wǎng)關(guān)同DCS控制系統有線(xiàn)連接進(jìn)行數據集成。網(wǎng)關(guān)可以冗余配置，避免無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的單點(diǎn)故障。

    OneWireless無(wú)線(xiàn)方案，安全可靠、端對端的、時(shí)間滯后管理的通訊，支持應用在監測、開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制等場(chǎng)合，能夠解決有線(xiàn)方式所不能解決的問(wèn)題，實(shí)現工業(yè)無(wú)線(xiàn)和傳統有線(xiàn)方式在工廠(chǎng)的完美共存。



                                                          源自：《自動(dòng)化博覽》