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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）有限公司中國區(qū)無線產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理，研究方向為無線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和技術(shù)特點，以及無線國際標(biāo)準(zhǔn)。

    摘要：本文針對工業(yè)無線應(yīng)用場合對單一無線架構(gòu)的需要，即一個無線架構(gòu)同時支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。也詳細(xì)闡述單一無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢和價值，以及霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案的一個無線網(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。

    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，是全球第一個提供工業(yè)無線解決方案的DCS供應(yīng)商，全球第一個在業(yè)內(nèi)推出工業(yè)無線變送器，全球第一個推出能夠應(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余項工業(yè)無線專利以及正在申請的專利。

    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)實現(xiàn)一個無線網(wǎng)絡(luò)同時支持多種無線應(yīng)用、同時支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。同時配置一個無線管理平臺即可以實現(xiàn)對現(xiàn)場無線網(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)用場合的對單一無線架構(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)用場合通常都會有若干個有線協(xié)議并存。每個協(xié)議都基于各自的專用架構(gòu)（最典型的就是銅導(dǎo)線），因此多個協(xié)議可以輕松地共存而不會相互影響。

    不同于有線應(yīng)用的每個協(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，而且會由于處于同一個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，就需要一個單一架構(gòu)，即在一個工廠，通過構(gòu)建一個無線網(wǎng)絡(luò)，來同時支持多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。這既可以減少不必要的相互干擾，確保無線通訊更加可靠，同時也節(jié)省了用戶的投資，減少用戶因為一個工廠建立多個無線平臺帶來的管理上的困難。

    Honeywell公司的One Wireless無線方案就是一個多功能的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一個平臺支持全廠的多種應(yīng)用，如過程參數(shù)的監(jiān)控、安全視頻監(jiān)視、支持流動作業(yè)、移動設(shè)備即時定位、管道腐蝕監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)診斷（如振動、轉(zhuǎn)速、位移）等等；一個平臺支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表：如HART，Modbus，F(xiàn)F，4~20mA等；工廠運行維護(hù)人員不必面對多個單獨的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺，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現(xiàn)的；而ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的整個無線網(wǎng)絡(luò)是依靠節(jié)點路由來實現(xiàn)的。
兩種解決方案都為了達(dá)到工業(yè)等級的無線應(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)計理念和技術(shù)特點卻有很大的差別。

    （a）以WirelessHART為代表的，無線網(wǎng)絡(luò)依靠無線儀表路由來實現(xiàn)
                         
    該解決方案的主要特征是現(xiàn)場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數(shù)，而且同時為其它儀表的通訊進(jìn)行路由。通常配置一個網(wǎng)關(guān)，實現(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。由于整個無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，所以優(yōu)點就是實施較為簡單。

    但是這種技術(shù)路徑的缺點也非常明顯。首先網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后較大、無線變送器通訊速度較慢：因為整個無線網(wǎng)絡(luò)的通訊是通過低速通訊的無線變送器路由來實現(xiàn)的，所以整個無線網(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。

    整個網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后可能很明顯，典型的是10秒。設(shè)定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后也越長；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)通訊時間的滯后也越長。

    其次，無線變送器的電池壽命也會因為儀表的路由而受到影響。當(dāng)一臺無線變送器為其它無線變送器進(jìn)行路由時，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分鐘刷新速度時候電池可以使用5年。但是在快速刷新時，如8秒時電池的壽命會很短。

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

    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，如8秒），所以會在現(xiàn)場后期的維護(hù)時帶來很多不便之處。

    其三，也正是由于考慮到網(wǎng)絡(luò)通訊時間滯后和通訊速度的因素，整個無線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，否則通訊時間滯后會很長；同時通訊時間滯后的因素也決定了整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，如無線儀表1秒刷新時一個網(wǎng)關(guān)所帶的設(shè)備可能非常有限。

    當(dāng)在大項目中應(yīng)用時，可能需要配置很多網(wǎng)關(guān)，分別構(gòu)建很多個無線網(wǎng)絡(luò)。這個時候，就會遇到不同無線網(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)場儀表和其它無線應(yīng)用（如移動工作站、可燃?xì)怏w監(jiān)測、無線視頻監(jiān)視、無線音頻通訊等等），也是其不足之處。

    當(dāng)然這個單一無線架構(gòu)的優(yōu)勢就是，其應(yīng)用范圍集中、實施簡單，適合小規(guī)模、刷新速度要求不高、對電池壽命要求不長的場合。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)點路由來實現(xiàn)
                      
    無線通訊該方案主要是由節(jié)點構(gòu)建一個通訊速度非常快速的無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，而且這個無線主干網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，同時支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。現(xiàn)場無線儀表可以自動選擇同任意一個節(jié)點進(jìn)行無線通訊，自組織、自愈合。但是現(xiàn)場儀表不配置路由功能。通常任何一個節(jié)點都可以或同時作為網(wǎng)關(guān)，實現(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)點就是由于節(jié)點構(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“hop”就可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€通訊速度非常快的無線主干網(wǎng)上，所以整個網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后也很短。

    因為每臺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，常溫下1秒刷新的時候就可以達(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顯示報警，而且電池什么時候電池電壓低，即電池的壽命，都是可以預(yù)測的。

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

    另外這個多功能的解決方案實現(xiàn)了一個無線架構(gòu)支持多種協(xié)議的現(xiàn)場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)無線國際標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)一個無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持多種無線應(yīng)用，為用戶帶來優(yōu)勢

    霍尼韋爾公司的OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是一個多功能的工業(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、移動工作站、即時定位設(shè)備、煙氣探測等等；支持多種現(xiàn)場儀表的通訊協(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（Multinode）構(gòu)建一個通訊速度非常快的無線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場無線變送器可以自動選擇與任何一個多功能節(jié)點進(jìn)行無線通訊。整個無線網(wǎng)絡(luò)自組織，自愈合，冗余網(wǎng)關(guān)的設(shè)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(dá)到工業(yè)等級的可靠性和安全。

    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(guān)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(dá)液位計（Honeywell Enraf）等等，而且同時支持無線振動監(jiān)視、移動工作站、無線視頻監(jiān)視、無線讀表器、無線語音通話等等。

    不僅如此，無線主干網(wǎng)絡(luò)還可以同時支持現(xiàn)場Ethernet設(shè)備的無線轉(zhuǎn)接，即現(xiàn)場的第3方設(shè)備可以直接有線接入多功能節(jié)點從而進(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)點無線通訊。

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

    而且，還會配置一個無線管理平臺，可視化管理現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)，支持對無線網(wǎng)絡(luò)的診斷和維護(hù)；支持對現(xiàn)場無線變送器的在線遠(yuǎn)程組態(tài)、負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理整個網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用和多種通訊協(xié)議現(xiàn)場儀表的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)同霍尼韋爾Experion控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成時，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(tǒng)的Control Builder中。

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

    用戶無需為工廠的現(xiàn)場儀表建立很多個獨立的、同類無線網(wǎng)絡(luò)；無需為工廠不同的無線應(yīng)用而建立多個不同的無線網(wǎng)絡(luò)；無需擔(dān)心很多同類但獨立的無線網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響。工廠運行維護(hù)人員不必面對多個單獨的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺，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用、維護(hù)費用、培訓(xùn)費用、安裝費用等。

    One Wireless無線解決方案的優(yōu)勢，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，能夠支持工廠實施先進(jìn)的高級優(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)，實現(xiàn)一個無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同時支持多種通訊協(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，可以經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)化工廠的運行，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.

    [2] Honeywell 公司無線技術(shù)資料.

    [3] 控制工程中文網(wǎng): 無線儀表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

     摘自《自動化博覽》2010年第二期