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：本文針對工業(yè)無(wú)線(xiàn)應用場(chǎng)合對單一無(wú)線(xiàn)架構的需要，即一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構同時(shí)支持多種無(wú)線(xiàn)應用和多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表。也詳細闡述單一無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構的優(yōu)勢和價(jià)值，以及霍尼韋爾公司One Wireless無(wú)線(xiàn)解決方案的一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構支持多種無(wú)線(xiàn)應用、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊的工業(yè)等級的安全性和可靠性、以及同DCS控制系統無(wú)縫式數據集成等技術(shù)特點(diǎn)。

    關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )；One Wireless；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 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(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于過(guò)程控制的領(lǐng)先者，是全球第一個(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。

    霍尼韋爾的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品符合開(kāi)放的ISA100工業(yè)無(wú)線(xiàn)國際標準，支持基于ISA100標準的前后兼容和互操，能夠有效保護用戶(hù)的投資。ISA100標準實(shí)現一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )同時(shí)支持多種無(wú)線(xiàn)應用、同時(shí)支持多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表。同時(shí)配置一個(gè)無(wú)線(xiàn)管理平臺即可以實(shí)現對現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的安全管理、通訊管理和設備管理。

    1 工業(yè)無(wú)線(xiàn)應用場(chǎng)合的對單一無(wú)線(xiàn)架構的需求

    當前工業(yè)流程的過(guò)程控制非常復雜，其中一個(gè)主要方面就是采用了很多種有線(xiàn)通信協(xié)議，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet、ControlNet以及其他類(lèi)似的標準和專(zhuān)用協(xié)議。工業(yè)應用場(chǎng)合通常都會(huì )有若干個(gè)有線(xiàn)協(xié)議并存。每個(gè)協(xié)議都基于各自的專(zhuān)用架構（最典型的就是銅導線(xiàn)），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(xiàn)應用的每個(gè)協(xié)議都有自己的架構或傳導介質(zhì)，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)應用在工廠(chǎng)控制領(lǐng)域的應用時(shí)，就需要一個(gè)單一架構，即在一個(gè)工廠(chǎng)，通過(guò)構建一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，來(lái)同時(shí)支持多種應用和多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表。這既可以減少不必要的相互干擾，確保無(wú)線(xiàn)通訊更加可靠，同時(shí)也節省了用戶(hù)的投資，減少用戶(hù)因為一個(gè)工廠(chǎng)建立多個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺帶來(lái)的管理上的困難。

    Honeywell公司的One Wireless無(wú)線(xiàn)方案就是一個(gè)多功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現一個(gè)平臺支持全廠(chǎng)的多種應用，如過(guò)程參數的監控、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（如振動(dòng)、轉速、位移）等等；一個(gè)平臺支持多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表：如HART，Modbus，FF，4~20mA等；工廠(chǎng)運行維護人員不必面對多個(gè)單獨的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺，不必為管理不同的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )而煩惱。

     2 ISA100工業(yè)標準，實(shí)現單一無(wú)線(xiàn)架構支持多種無(wú)線(xiàn)應用

    目前把無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于工業(yè)控制的技術(shù)方案主要有2類(lèi)，即通過(guò)無(wú)線(xiàn)儀表本身路由或通過(guò)節點(diǎn)來(lái)路由。其中WirelessHART標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，就是依靠無(wú)線(xiàn)變送器本身路由來(lái)實(shí)現的；而ISA100工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準的整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是依靠節點(diǎn)路由來(lái)實(shí)現的。

    兩種解決方案都為了達到工業(yè)等級的無(wú)線(xiàn)應用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴頻通訊技術(shù)以及基于精確時(shí)間同步的通訊和基于數據碰撞的通訊技術(shù)。但是兩種方案的技術(shù)設計理念和技術(shù)特點(diǎn)卻有很大的差別。

    （a）以WirelessHART為代表的，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )依靠無(wú)線(xiàn)儀表路由來(lái)實(shí)現

                  

    該解決方案的主要特征是現場(chǎng)儀表配置路由功能，即每臺無(wú)線(xiàn)儀表不僅測量自己的過(guò)程參數，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)現同DCS的數據集成。無(wú)線(xiàn)變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合，所以?xún)?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(wú)線(xiàn)變送器通訊速度較慢：因為整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊是通過(guò)低速通訊的無(wú)線(xiàn)變送器路由來(lái)實(shí)現的，所以整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊速度必然受到限制，從而無(wú)線(xiàn)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。設定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò )的通訊時(shí)間滯后也越長(cháng)；網(wǎng)絡(luò )所帶設備的數量愈多，需要路由和中轉的次數愈多，網(wǎng)絡(luò )通訊時(shí)間的滯后也越長(cháng)。

    其次，無(wú)線(xiàn)變送器的電池壽命也會(huì )因為儀表的路由而受到影響。當一臺無(wú)線(xiàn)變送器為其它無(wú)線(xiàn)變送器進(jìn)行路由時(shí)，需要消耗額外的電池能量。由于無(wú)線(xiàn)變送器電池90%的能量都是消耗在無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)設備路由的次數，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的規模和測點(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)顯示報警，但是電池什么時(shí)候電壓低是不可預測的，即電池的壽命很難預測。

    而且由于鋰電池本身屬于高蓄能設備，不可能做到本質(zhì)安全，所以在石油化工廠(chǎng)的應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 )在現場(chǎng)后期的維護時(shí)帶來(lái)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(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )的通訊路由次數必需有所限制，即最遠的儀表到網(wǎng)關(guān)的路由次數不能大于多少次，否則通訊時(shí)間滯后會(huì )很長(cháng)；同時(shí)通訊時(shí)間滯后的因素也決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的規模，如無(wú)線(xiàn)儀表1秒刷新時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)所帶的設備可能非常有限。

    當在大項目中應用時(shí)，可能需要配置很多網(wǎng)關(guān)，分別構建很多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)時(shí)候，就會(huì )遇到不同無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的干擾問(wèn)題，以及如何統一管理多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的問(wèn)題。

    最后，這種以WirelessHART為代表的通過(guò)無(wú)線(xiàn)儀表本身路由來(lái)構建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)解決方案，一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構只支持某種通訊協(xié)議的無(wú)線(xiàn)儀表無(wú)線(xiàn)通訊，如WirelessHART僅僅支持HART儀表的無(wú)線(xiàn)通訊。這沒(méi)有考慮到支持其它協(xié)議的現場(chǎng)儀表和其它無(wú)線(xiàn)應用（如移動(dòng)工作站、可燃氣體監測、無(wú)線(xiàn)視頻監視、無(wú)線(xiàn)音頻通訊等等），也是其不足之處。

    當然這個(gè)單一無(wú)線(xiàn)架構的優(yōu)勢就是，其應用范圍集中、實(shí)施簡(jiǎn)單，適合小規模、刷新速度要求不高、對電池壽命要求不長(cháng)的場(chǎng)合。而且由于其支持單一的通訊協(xié)議，所以可以繼續支持原有協(xié)議的管理工具，如WirelessHART支持HART儀表的無(wú)線(xiàn)通訊，可以繼續利用現有的HART管理工具。

    （b）以ISA100為代表的，通過(guò)節點(diǎn)路由來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊

                 

    該方案主要是由節點(diǎn)構建一個(gè)通訊速度非?？焖俚臒o(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò )，而且這個(gè)無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合，同時(shí)支持多種無(wú)線(xiàn)應用和多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表?，F場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表可以自動(dòng)選擇同任意一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，自組織、自愈合。但是現場(chǎng)儀表不配置路由功能。通常任何一個(gè)節點(diǎn)都可以或同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現同DCS的數據集成。無(wú)線(xiàn)變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

    這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是由于節點(diǎn)構建的快速的、mesh主干網(wǎng)絡(luò )，使得無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)變送器只需要1個(gè)“hop”就可以把數據傳輸到一個(gè)通訊速度非?？斓臒o(wú)線(xiàn)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。

    因為每臺無(wú)線(xiàn)變送器都不為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長(cháng)，常溫下1秒刷新的時(shí)候就可以達到5年。而且正是由于沒(méi)有配置路由功能，所以電池的電壓不僅可以隨時(shí)顯示報警，而且電池什么時(shí)候電池電壓低，即電池的壽命，都是可以預測的。

    而且這種解決方案由于整個(gè)架構的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò )的規模非常靈活，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )支持的無(wú)線(xiàn)儀表的數量可以達到上千臺。

    另外這個(gè)多功能的解決方案實(shí)現了一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構支持多種協(xié)議的現場(chǎng)儀表和多種工廠(chǎng)的無(wú)線(xiàn)應用。

    3 霍尼韋爾公司無(wú)線(xiàn)解決方案，支持ISA100工業(yè)無(wú)線(xiàn)國際標準，實(shí)現一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構支持多種無(wú)線(xiàn)應用，為用戶(hù)帶來(lái)優(yōu)勢

    霍尼韋爾公司的OneWireless無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構，是一個(gè)多功能的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，符合開(kāi)放的ISA100工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準，安全、通用、支持多種應用，可以支持的設備如變送器、閥門(mén)、WiFi設備、移動(dòng)工作站、即時(shí)定位設備、煙氣探測等等；支持多種現場(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(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 )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)語(yǔ)音通話(huà)等等。

    不僅如此，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，即現場(chǎng)的第3方設備可以直接有線(xiàn)接入多功能節點(diǎn)從而進(jìn)入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )?；蛘吲渲脽o(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 )所支持的現場(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(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。

    而且，還會(huì )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。

    通過(guò)構建一個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺，支持整個(gè)廠(chǎng)區的、大規模的無(wú)線(xiàn)應用；支持全廠(chǎng)的多種無(wú)線(xiàn)應用；使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)管理平臺統一管理整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的安全、通訊和設備組態(tài)、診斷等等，能夠為最終用戶(hù)帶來(lái)極大的便利。

    用戶(hù)無(wú)需為工廠(chǎng)的現場(chǎng)儀表建立很多個(gè)獨立的、同類(lèi)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；無(wú)需為工廠(chǎng)不同的無(wú)線(xiàn)應用而建立多個(gè)不同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；無(wú)需擔心很多同類(lèi)但獨立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的相互影響。工廠(chǎng)運行維護人員不必面對多個(gè)單獨的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺，不必為管理不同的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )而煩惱。這也大大降低了用戶(hù)的管理費用、維護費用、培訓費用、安裝費用等。

    One Wireless無(wú)線(xiàn)解決方案的優(yōu)勢，不僅在于降低安裝成本，更體現在支持充分利用工廠(chǎng)工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，支持更多的應用，提高和優(yōu)化工廠(chǎng)管控水平。One Wireless無(wú)線(xiàn)解決方案靈活、開(kāi)放的基礎構架，能夠支持工廠(chǎng)實(shí)施先進(jìn)的高級優(yōu)化應用?；裟犴f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(guò)認證的第三方符合標準的變送器以及其它符合IEEE 802.11的第三方產(chǎn)品，保護用戶(hù)的投資。

    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)議和多種無(wú)線(xiàn)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。

    通過(guò)把有線(xiàn)的控制網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)延伸到現場(chǎng)，可以經(jīng)濟、高效的優(yōu)化工廠(chǎng)的運行，提高可靠性和安全水平，以及更加環(huán)保，節能減排。One Wireless網(wǎng)絡(luò )統一的端對端的安全管理，可以確保通訊安全；電池管理也非常高效、可預測電池壽命；可設定的快速網(wǎng)絡(luò )監控速度，支持從監測到閉環(huán)控制的所有應用。

參考文獻：

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

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                                                                                       源自《自動(dòng)化博覽》