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    摘要：隨著無線技術的迅速發(fā)展，在工業(yè)自動化領域的應用越來越廣泛。本文介紹工業(yè)無線技術標準ISA100.11a及無線解決方案，霍尼韋爾基于ISA100.11a工業(yè)無線標準的解決方案在大型石油化工罐區(qū)自動化的應用。

    關鍵詞：工業(yè)無線標準；MESH主干網(wǎng)；無線網(wǎng)關；冗余路徑；無線儀表

   Abstract:With the rapid development of wireless technology, it is applied in the field of industrial automation more and more widely.   This paper introduces the ISA100.11a, a standard of industrial wireless technology, and its wireless solutions. As an application example, it also introduces the Honeywell solutions based on the industrial wireless standard ISA100.11a in the tank farm automation of large petrochemical.

    Key words:Industry wireless standard; Mesh network; Wireless gateways;   Redundant path; Wireless instruments

    某大型石油化工企業(yè)在大型乙烯項目中配套三個罐區(qū)，設計階段業(yè)主和設計單位對罐區(qū)的建設自動化和成本控制等課題進行詳細調研和論證，考慮到傳統(tǒng)罐區(qū)大量線纜布置，維護和擴展成本高等因素，本著資源節(jié)約和環(huán)境友好的建設方針，采用工業(yè)無線技術簡潔的安裝布置和易操作的調試、維護、擴展等獨特優(yōu)勢提升罐區(qū)自動化水平，節(jié)省建設投資成本。下面詳細介紹這個案例。

    1　工業(yè)無線技術標準ISA100.11a簡述

    ISA100.11a工業(yè)無線技術標準由國際自動化學會(ISA)下屬的ISA100工業(yè)無線委員會制定， 是開放的、面向多種工業(yè)應用的標準。主要特征包括:提供過程工業(yè)自動應用服務；使用隧道和映射技術，ISA100.11a能簡單地通過無線介質傳輸各種應用協(xié)議；主干網(wǎng)路由機制通過高效的主干網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)信息，減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)，網(wǎng)絡規(guī)模較大時優(yōu)勢明顯；靈活的時隙長度和超幀長度等。

    ISA100.11a標準將各種傳感器以無線方式集成到工業(yè)領域應用中，是工業(yè)傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡的多功能標準，為工業(yè)應用提供可靠安全的方案。ISA100.11a標準協(xié)議采用五層網(wǎng)絡體系結構，包括應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等，如圖1所示。

                            
                                圖1 ISA100.11a標準協(xié)議體系結構

    （1）應用層(Application Layer, AL)

    應用層包括應用子層、用戶應用進程和設備管理器進程。用戶應用進程是一個設備內的所有應用對象的總和。在ISA100.11a網(wǎng)絡中，一個設備只能通過應用子層(ASL)提供的數(shù)據(jù)服務訪問點與其它設備進行通信。應用子層不包含任何用戶應用，只提供用戶應用進程和設備管理進程各種服務，ISA100.11a中有7種服務，分別為讀、寫、發(fā)布、執(zhí)行、隧道、報警和報警接收等。

    （2）傳輸層(Transport Layer, TL)vvv傳輸層提供端到端的通信服務，負責傳輸層幀頭的裝載和解析，傳輸層的安全和信息庫的管理。傳輸層支持UDP協(xié)議，實現(xiàn)設備與其他網(wǎng)絡的統(tǒng)一編址和網(wǎng)絡的互通，支持IPv6。

    （3）網(wǎng)絡層(Network Layer, NL)

    網(wǎng)絡層負責選擇合適的網(wǎng)間路由和交換結點，確保數(shù)據(jù)及時傳送。網(wǎng)絡層將數(shù)據(jù)鏈路層提供的幀組成數(shù)據(jù)包，包中封裝有網(wǎng)絡層包頭，其中含有邏輯地址信息源站點和目的站點地址的網(wǎng)絡地址。由尋址、路由、分段與重組、管理服務等功能模塊構成，主要負責實現(xiàn)面向工業(yè)應用的端到端的可靠通訊。

    （4）數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer, DLL)

    數(shù)據(jù)鏈路層包括IEEE 802.15.4的MAC子層、 ISA100.11a的MAC擴展層和數(shù)據(jù)鏈路層上層。IEEE 802.15.4的MAC子層通過數(shù)據(jù)服務訪問點(MLDESAP)和管理服務訪問點(MLMESAP)給ISA100.11a的MAC擴展層提供了服務接口。ISA100.11a的MAC擴展層主要負責時間同步、跳信道和通信調度，提供點對點的重傳機制，TDMA和CSMA信道訪問機制，在兩個對等的ISA100.11a的MAC擴展層實體之間提供一個可靠的通信鏈路。數(shù)據(jù)鏈路子層(DLL) 通過數(shù)據(jù)服務訪問點 (DLDESAP) 給網(wǎng)絡層提供服務接口，通過管理服務訪問點 (DLMESAP) 給系統(tǒng)管理器或設備管理應用進程提供服務接口。DLL子層主要負責DLL幀頭的裝載和解析、DLL層的安全、ISA100.11a DL子網(wǎng)內的路由、鄰居發(fā)現(xiàn)及 ISA100.11a的MAC擴展層的時間同步、跳信道和通信調度能夠正常工作。

    （5）物理層(Physical Layer, PHY)

    物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務訪問點(PLDESAP)和物理層管理服務訪問點(PLMESAP)給IEEE 802.15.4的MAC子層提供了服務接口。物理層主要功能有激活和休眠射頻收發(fā)器，發(fā)射功率控制，信道能量檢測(ED)，檢測接受數(shù)據(jù)包的鏈路質量指示(Link Quality Indication, LQI)，空閑信道評估(Clear Channel Assessment, CCA)和收發(fā)數(shù)據(jù)。

    每一層定義了兩種服務實體：數(shù)據(jù)服務實體(Data Entity, DE)和管理服務實體(Management Entity, ME),DE用于為上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務，ME用于提供管理服務，相應地有兩種服務訪問點(Service Access Point, SAP)，分別是數(shù)據(jù)服務實體訪問點(DESAP)和管理服務實體訪問點(MESAP)。上層通過DESAP使用下層提供的數(shù)據(jù)傳輸服務，定義一個具有管理功能的實體設備管理應用進程 (Device Management Application Process, DMAP) 來統(tǒng)一地訪問各層的MESAP，從而對協(xié)議棧各層進行管理和配置；系統(tǒng)管理器下發(fā)的管理信息都通過設備的DMAP對本設備的每一層進行管理和配置；在一個設備中，DMAP會設置一個專門的通道通向較低的協(xié)議層，對這些層的操作提供直接的控制，并且能對診斷和狀態(tài)信息提供直接的接口。

    ISA100.11a支持多種網(wǎng)絡拓撲，如星型拓撲、網(wǎng)狀拓撲等。星型網(wǎng)絡拓撲結構，容易實現(xiàn)，實時性高。網(wǎng)狀結構拓撲結構靈活，便于配置和擴展，同時具備良好的穩(wěn)定性。為了擴大網(wǎng)絡覆蓋面積，在ISA100.11a網(wǎng)絡結構中引入了主干網(wǎng)，主干網(wǎng)是一個高速網(wǎng)絡，可以減小數(shù)據(jù)時延。所有現(xiàn)場設備通過主干路由器接入主干網(wǎng)，現(xiàn)場設備和主干路由器組成的網(wǎng)絡為ISA100.11a DL子網(wǎng)。

    2　基于ISA100.11a標準的無線技術解決方案

    工業(yè)無線標準ISA100.11a所構建的無線網(wǎng)絡架由5個單元組成：

    （1）無線管理平臺

    無線管理平臺是用戶和工程師與ISA100.11a系統(tǒng)交互的平臺，包括安全管理平臺和系統(tǒng)管理平臺。安全管理平臺支持授權設備，對即將加入工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡的無線設備進行物理授權；同時管理每個設備的主要安全密鑰并為每個密鑰制定安全策略。系統(tǒng)管理平臺管理包括設備和通信在內的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡。根據(jù)策略控制網(wǎng)絡的運行組態(tài)，監(jiān)控和報告通信組態(tài)、性能和運行狀態(tài)，并提供與時間相關的服務。

    （2）無線網(wǎng)關(Gateway)

    無線網(wǎng)關提供無線管理平臺和網(wǎng)絡的接口，也是無線網(wǎng)絡與工廠網(wǎng)絡或工廠網(wǎng)絡的終端應用之間的接口。一個ISA100.11a網(wǎng)絡系統(tǒng)中可存在有多個網(wǎng)關。無線網(wǎng)關用于該標準與其他通信標準之間的通信轉換，充當ISA-10011a與其他協(xié)議（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的轉換器。

    （3）無線主干網(wǎng)絡設備

    無線主干網(wǎng)絡設備也稱作多功能節(jié)點，是ISA100.11a主干網(wǎng)絡的基礎設施，負責主干網(wǎng)中的數(shù)據(jù)路由，相互無線通訊，構建無線主干網(wǎng)絡，并支持同現(xiàn)場無線儀表的無線通訊。主干網(wǎng)絡設備的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元，支持主干網(wǎng)絡傳輸本地內嵌式的ISA100.11a協(xié)議。主干網(wǎng)是一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，包括工業(yè)以太網(wǎng)、基于IEEE 802.11的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡、Wi-MAX網(wǎng)絡等。

    （4）現(xiàn)場無線設備

    現(xiàn)場無線設備分為無線I/O設備和無線路由設備兩種。無線I/O設備是安裝在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入或輸出的現(xiàn)場儀表，包括無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線雷達液位計和無線腐蝕變送器等。無線路由設備具有路由功能，可從其他ISA100.11a I/O 設備接收到數(shù)據(jù)，并無線路由到其它ISA100.11a設備，擴展網(wǎng)絡通訊范圍，實現(xiàn)無線通訊路徑冗余設計。無線路由設備也可以是無線I/O設備，可以自己采集過程數(shù)據(jù)，并無線傳輸，而且同時可為其他I/O設備進行路由。現(xiàn)場路由器除了具有傳感器/執(zhí)行器外，還具有路由功能，可在ISA100.11a DLL子網(wǎng)內，路由終端節(jié)點設備的數(shù)據(jù)。

    （5）便攜式組態(tài)工具

    便攜式組態(tài)工具用于組態(tài)配置ISA100.11a無線設備，即物理授權，將所需的組態(tài)數(shù)據(jù)（包括安全密鑰）輸入無線設備使其可加入到無線網(wǎng)絡。便攜式設備是訪問ISA100.11a系統(tǒng)的設備，用于現(xiàn)場維護與配置設備。其典型網(wǎng)絡架構如圖2所示。

                         
                                 圖2 基于ISA100.11a標準的典型網(wǎng)絡架構

    霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案符合開放的ISA100工業(yè)無線標準，是一個多功能的工業(yè)無線網(wǎng)絡，由多功能節(jié)點構建一個快速通訊的無線MESH主干網(wǎng)絡，現(xiàn)場無線變送器可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)絡自組織自愈合。支持多種無線應用，包括無線變送器（如溫度、壓力、閥位、雷達液位計等）、WiFi設備、移動工作站、煙氣探測等；支持多種通訊協(xié)議，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

    3　大型石油化工罐區(qū)自動化無線技術應用

    3.1　無線技術解決方案

    某大型石油化工罐區(qū)自動化無線儀表系統(tǒng)由原料罐區(qū)、中間罐區(qū)和產(chǎn)品罐區(qū)3個區(qū)域組成，包括溫度和壓力共276測點。在3個罐區(qū)安裝共21臺多功能節(jié)點和7對冗余網(wǎng)關，構建快速通訊的三個無線MESH主干網(wǎng)絡。

    （1）在原料罐區(qū)現(xiàn)場設置7臺多功能節(jié)點和現(xiàn)場機柜間內的2對冗余網(wǎng)關共11臺主干網(wǎng)路由設備構建無線MESH主干網(wǎng)絡，覆蓋原料罐區(qū)的67臺無線壓力變送器和22臺無線溫度變送器；

    （2）在中間罐區(qū)現(xiàn)場設置6臺多功能節(jié)點和現(xiàn)場機柜間頂上2對冗余網(wǎng)關共10臺主干網(wǎng)路由設備構建無線MESH主干網(wǎng)絡，覆蓋中間罐區(qū)的33臺無線壓力變送器和38臺無線溫度變送器；

    （3）在產(chǎn)品罐區(qū)現(xiàn)場設置8臺多功能節(jié)點和現(xiàn)場機柜間頂上3對冗余網(wǎng)關共14臺主干網(wǎng)路由設備構建無線MESH主干網(wǎng)絡，覆蓋產(chǎn)品罐區(qū)的75臺無線壓力變送器和45臺無線溫度變送器。

    無線壓力變送器和無線溫度變送器自主選擇多功能節(jié)點進行無線通訊，所有無線變送器只需1跳Hop即可連接到快速通訊的無線MESH主干網(wǎng)絡，路由選擇優(yōu)化機制使其能夠始終采用與周邊多功能節(jié)點中最優(yōu)的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，自組織和自愈合的網(wǎng)絡特性使其能夠有效的避免故障以及提高快速恢復能力，無線變送器的刷新速度根據(jù)工藝要求靈活設置，譬如泵出口壓力變送器均設定為1秒，罐頂?shù)膲毫ψ兯推髟O定為10秒，無線溫度變送器設定為30秒等。

    三個罐區(qū)的無線儀表系統(tǒng)分別獨立，由各自的無線工作站管理無線網(wǎng)絡的通訊和安全，由各自的無線工作站對無線網(wǎng)關、多功能節(jié)點和無線變送器等無線設備進行遠程在線組態(tài)和診斷。各個罐區(qū)的無線網(wǎng)關連接到各個現(xiàn)場機柜間獨立的無線交換機，通過無線防火墻連接到DCS系統(tǒng)的二層容錯以太網(wǎng)（FTE）交換機；所有的無線設備在各個現(xiàn)場機柜間里與現(xiàn)場儀表設備管理系統(tǒng)（FDM）客戶端建立HART數(shù)據(jù)通訊，提供與FDM的通訊接口，實現(xiàn)對無線儀表系統(tǒng)的管理。無線儀表系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成采用Modbus TCP的通訊協(xié)議，網(wǎng)絡結構圖如圖3所示。

                     
                                 圖3 罐區(qū)無線儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

    3.2　無線技術解決方案的信息安全

    冗余網(wǎng)關和MESH主干網(wǎng)的設計保證工業(yè)等級的可靠。主備網(wǎng)關無擾切換確保數(shù)據(jù)不丟失，主網(wǎng)關和備網(wǎng)關無需安裝在同一物理位置，只要處于同一網(wǎng)絡即可，當主網(wǎng)關故障或手動切換時觸發(fā)冗余切換，主網(wǎng)關和備用網(wǎng)關的IP地址自動更換，備用網(wǎng)關成為主網(wǎng)關承擔通訊的任務；MESH主干網(wǎng)絡中的每個多功能節(jié)點均可發(fā)送和接收信號，當無線環(huán)境發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)路徑會根據(jù)時延、吞吐量和噪聲等因素進行重新評估，MESH主干網(wǎng)會自動地進行自我調節(jié)將性能維持在最佳性能，網(wǎng)絡快速自組織和自愈合有效保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性；現(xiàn)場無線變送器選擇最優(yōu)的多功能節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，選擇冗余的備份通訊路徑確保通訊鏈路信息安全。

    直接序列/跳頻混合擴頻技術有效保障無線網(wǎng)絡無擾運行，它集合了跳頻通訊技術FHSS較強的抗定頻干擾的能力和直接序列擴頻技術DSSS的隱蔽性和抗多頻干擾的能力，以及它們共有的較高的通訊安全保密性等特點，具有多址接入和較強的抗干擾能力等優(yōu)勢，與其它無線網(wǎng)絡友好共存，同時能夠有效避免現(xiàn)場大功率的電氣設備的干擾，確保無線網(wǎng)絡運行可靠。

    端到端的一體化安全措施確保工業(yè)等級的安全。無線網(wǎng)絡的安全措施包括端對端的數(shù)據(jù)通訊，自動數(shù)據(jù)重傳請求，數(shù)據(jù)包的加密，CRC碼校驗，數(shù)據(jù)源驗證，抵抗網(wǎng)絡拒絕服務攻擊以及組態(tài)安全保護等。整個無線儀表采用一套完整的密鑰授權認證系統(tǒng)，專用的授權設備和軟件數(shù)據(jù)庫確保密鑰系統(tǒng)的唯一性和保密性。

    無線系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)之間配置無線防火墻確保有線控制網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的安全。無線防火墻支持Experion控制系統(tǒng)把控制網(wǎng)絡延伸至無線網(wǎng)絡并保證高度安全；無線防火墻安裝在無線交換機和FTE交換機之間；無線防火墻是預組態(tài)好的，即插即用；無線防火墻只允許無線 I/O 數(shù)據(jù)雙向通過，阻隔不必要的網(wǎng)絡風暴和垃圾信息，保護FTE網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡，避免有害網(wǎng)絡風暴、病毒、通訊中斷和數(shù)據(jù)丟失等。

    3.3　無線儀表系統(tǒng)的實施

    無線儀表系統(tǒng)的實施內容包括現(xiàn)場勘查落實無線解決方案的細則，安裝無線操作站，配置無線主干網(wǎng)路由設備，組態(tài)無線網(wǎng)關和所有的無線變送器，授權所有的無線設備，現(xiàn)場安裝和調試，與PKS系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表設備管理系統(tǒng)（FDM）數(shù)據(jù)集成等。

    MESH主干網(wǎng)路由設備安裝位置對于無線儀表系統(tǒng)的實施尤為重要，其合理性直接影響到與無線變送器的通信質量，多功能節(jié)點的使用數(shù)量以及網(wǎng)絡結構的優(yōu)化等因素。在安裝過程中遵循安裝位置有開闊的視野，與網(wǎng)關和其他主干網(wǎng)路由設備之間的第一菲涅耳區(qū)域（Fresnel Zone）最少60％的范圍內沒有阻擋物，提供視距傳播，增加設備覆蓋范圍，減少節(jié)點數(shù)量；主干網(wǎng)路由設備設置在所覆蓋無線儀表的中心，和覆蓋區(qū)域的任意無線儀表建立良好的連接；依據(jù)多功能節(jié)點的射頻發(fā)射功率和接收靈敏度，兩個多功能節(jié)點使用標配天線時有效通訊距離可達1公里，采用高增益天線時可達10公里；還應考慮多功能節(jié)點所處位置的防爆等級，多功能節(jié)點的防爆認證等級為1級2區(qū)，在更高級別的防爆區(qū)域必須安裝在防爆箱內等。

   無線變送器的天線與就近的主干網(wǎng)路由設備可視，當測點處于與任意主干網(wǎng)路由設備的連接被嚴重阻隔時，可使用延長電纜和高增益天線的方式；無線儀表與多功能節(jié)點均采用標配天線時可傳輸610米，采用高增益天線時可達4公里；全向天線保持豎直方向的通訊效果最佳，定向天線需要調準最佳的通訊方向；無線溫度和壓力變送器使用電池供電，無需外接24V直流電源，供電單元采用本安設計，無線變送器采用隔爆，無線變送器的防爆認證等級為1級1區(qū)。現(xiàn)場安裝如圖4所示。

                       
                                        圖4 現(xiàn)場安裝圖示

    無線儀表系統(tǒng)的調試界面友好方便易懂，IE瀏覽器的方式訪問多功能節(jié)點頁面，可以修改多功能節(jié)點的IP地址、通訊頻率和通信密鑰等重要參數(shù)；專用的無線系統(tǒng)授權認證系統(tǒng)有效保證無線網(wǎng)絡的安全，授權設備PDA簡單易操作，對無線網(wǎng)關、多功能節(jié)點和所有的無線變送器進行授權，經(jīng)過授權的無線設備才能融入到無線儀表系統(tǒng)與其他無線設備進行數(shù)據(jù)通訊；無線軟件組態(tài)無線網(wǎng)關和無線變送器，設置位號、量程范圍、刷新速率和傳感器的類型等重要參數(shù)；無線網(wǎng)絡管理與診斷工具能實時監(jiān)控無線網(wǎng)絡運行的狀況，檢測無線變送器與多功能節(jié)點以及多功能節(jié)點之間的無線通訊的信號強度和通訊質量等參數(shù)。無線儀表系統(tǒng)監(jiān)視管理畫面如圖5所示。

                      
                                      圖5 無線儀表系統(tǒng)監(jiān)視管理畫面

    無線儀表系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成采用Modbus TCP協(xié)議，冗余的無線網(wǎng)關作為控制器將數(shù)據(jù)傳輸給DCS服務器，并且在DCS流程圖畫面上顯示實時PV值及歷史趨勢等，如圖6所示。無線網(wǎng)關提供與現(xiàn)場儀表設備管理系統(tǒng)FDM的HART通訊接口，各個罐區(qū)的無線儀表系統(tǒng)與現(xiàn)場機柜間的FDM客戶端進行數(shù)據(jù)傳輸，所有無線設備的過程參數(shù)和診斷信息在資產(chǎn)管理平臺實時監(jiān)測。

                     
                                        圖6 DCS流程圖畫面

    4　結束語

    實踐證明，工業(yè)無線解決方案在安裝調試的方便快捷和項目成本的節(jié)省等方面具有明顯優(yōu)勢：（1）節(jié)省大量I/O卡件、安全柵和線纜等硬件成本；（2）節(jié)省大量施工人力成本，無需敷設大量的線纜，無線變送器安裝簡單易操作；（3）節(jié)省大量的調試維護成本，設置量程范圍等參數(shù)、校驗無線變送器的精度以及故障診斷等工作都能在控制室操作，無需現(xiàn)場作業(yè)，調試簡單維護方便；（4）無線儀表擴展方便，增加測點時直接安裝無線變送器，完成授權和軟件組態(tài)工作即可使用。

    隨著工業(yè)無線技術的日漸成熟，無線儀表系統(tǒng)將會深入到工業(yè)自動化領域的各個方面，工業(yè)無線技術將成為工業(yè)控制領域一個新的引擎。

    參考文獻：

    [1] International Society of Automation. ISA100, Wireless Systems for Automation.

    [2] Honeywell. OneWireless Network - ISA100.11a-Compliant Wireless Mesh Network. 

    [3] Soroush Amidi. Introduction internal standard Industry wireless ISA-100.11a.

    作者簡介

    王愛華（1973-），女，山東菏澤人，大專學歷，現(xiàn)任中石化武漢乙烯公用工程分部和物資流通部區(qū)域儀表工程師，主管區(qū)域內DCS、SIS及PLC的維護，并負責區(qū)域內現(xiàn)場儀表的維護管理工作，目前致力于研究無線儀表在罐區(qū)的應用推廣項目。

    楊建新（1980-），男，四川平昌人，本科學士，霍尼韋爾公司高級無線工程師，主要研究方向為無線技術在工業(yè)自動化領域的應用。