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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：本文詳細(xì)闡述了霍尼韋爾公司OneWireless無線解決方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一個(gè)無線平臺(tái)支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表的特點(diǎn)，以及同DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。

    關(guān)鍵詞：無線主干網(wǎng)絡(luò)；OneWireless；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 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)無線潛在的應(yīng)用場(chǎng)合

    在過程控制行業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠的監(jiān)測(cè)和控制，通常采用有線的方式，采集過程數(shù)據(jù)。但是，我們經(jīng)常會(huì)遇到電纜和接線帶來的許多問題，如對(duì)分散測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)，敷設(shè)電纜和橋架非常困難，如何低成本和經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控就是非常困難的問題；如轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)爐等旋轉(zhuǎn)的設(shè)備如何有效監(jiān)測(cè)？改造項(xiàng)目如何快速實(shí)施、沒有供電的區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的測(cè)量？遠(yuǎn)程區(qū)域的有效監(jiān)測(cè)如何實(shí)現(xiàn)？歸納起來，傳統(tǒng)的、有線的方式有如下不足之處：

    （1）工程實(shí)施較為麻煩：分散的測(cè)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)的測(cè)點(diǎn)、移動(dòng)的測(cè)點(diǎn)、被道路河流鐵路等分隔的測(cè)點(diǎn)；現(xiàn)有橋架和電纜溝已經(jīng)接近滿負(fù)荷的測(cè)點(diǎn)，沒有供電的測(cè)點(diǎn)、需要快速增加測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)合，敷設(shè)電纜、安裝橋架和保護(hù)管較為麻煩；

    （2）現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間和調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)：有線方案時(shí)，需要敷設(shè)電纜、橋架、保護(hù)管等，需要大量的安裝時(shí)間和調(diào)試時(shí)間；

    （3）安裝成本較高：需要支持有線連接的相關(guān)安裝材料和人工；

    （4）維護(hù)費(fèi)用較高：需要維護(hù)支持有線連接的相關(guān)設(shè)備和線纜；

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

    （6）現(xiàn)場(chǎng)和控制室需要支持有線方案的基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)場(chǎng)布置較為復(fù)雜；

    （7）系統(tǒng)未來擴(kuò)展較不方便。

    如果采用無線的方式，那么上述的困難就可以輕易地解決了。事實(shí)也證明無線技術(shù)可以更方便、更經(jīng)濟(jì)地改進(jìn)工廠的管理和控制水平。工業(yè)無線解決方案的優(yōu)勢(shì)有：

    （1）工程實(shí)施簡(jiǎn)單、便捷：無需敷設(shè)電纜、橋架、保護(hù)管；無需卡件、機(jī)柜；無需擔(dān)心鐵路造成的困難；無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，高度智能；

    （2）節(jié)省大量安裝和調(diào)試時(shí)間：快速安裝，僅需在測(cè)點(diǎn)安裝無線變送器即可；

    （3）節(jié)省大量的安裝成本：無需敷設(shè)電纜、橋架、保護(hù)管、卡件、機(jī)柜、安全柵，節(jié)省相關(guān)的安裝人工費(fèi)用；

    （4）后期維護(hù)費(fèi)用很低：維護(hù)方便，只需維護(hù)無線變送器本身即可，無需擔(dān)心接線進(jìn)水、連接松動(dòng)、電纜損壞；

    （5）移動(dòng)工作站，支持現(xiàn)場(chǎng)無線、移動(dòng)作業(yè)；

    （6）控制室和現(xiàn)場(chǎng)布置更為簡(jiǎn)潔：無接線盒、安全柵、I/O卡件、降低DCS負(fù)荷、減少維護(hù)工作量和減少故障點(diǎn)；

    （7）無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展非常方便：增加測(cè)點(diǎn)時(shí)，直接安裝無線變送器即可，更換容易、即插即用、靈活，未來改造可以有效利用現(xiàn)有無線設(shè)備；

    （8）符合開放的國(guó)際工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，支持互操和兼容，有效保護(hù)現(xiàn)有投資。

    基于上述相對(duì)于有線方式，工業(yè)無線所帶來的優(yōu)勢(shì)，工業(yè)無線應(yīng)用在下列流程控制領(lǐng)域的場(chǎng)合，非常合適。可以想象，有線和無線的解決方案共同服務(wù)于工廠的各個(gè)場(chǎng)合，然后同DCS控制系統(tǒng)無縫式數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠關(guān)鍵設(shè)備和輔助設(shè)備更加安全、高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)控制。這些適合工業(yè)無線應(yīng)用的典型場(chǎng)合有：

    （1）分散的測(cè)點(diǎn)：用于高位置、交叉路口、電纜難以敷設(shè)的地方，例如塔、罐等；用于測(cè)點(diǎn)分散、被鐵路、圍墻等分割的地方，無需敷設(shè)橋架、電纜和接線。

    （2）用于安裝和維護(hù)危險(xiǎn)的區(qū)域：沒有電纜和接線，減少產(chǎn)生火花的可能；無需因?yàn)殡娎|維護(hù)而進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所。

    （3）移動(dòng)的測(cè)點(diǎn)、臨時(shí)測(cè)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)的測(cè)點(diǎn)、沒有電源供應(yīng)的測(cè)點(diǎn)。

    （4）更多的設(shè)備診斷數(shù)據(jù)，用于過程優(yōu)化和控制、工藝改進(jìn)。

     ·  獲取更多的預(yù)測(cè)性的狀態(tài)監(jiān)測(cè)的區(qū)域，如軸振動(dòng)，潤(rùn)滑油溫度、過濾器壓差；

     ·  收集更多的機(jī)械設(shè)備的在線數(shù)據(jù)，減少離線數(shù)據(jù)采集：泵振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)監(jiān)測(cè)、手動(dòng)閥門閥位采集；

     ·  收集大范圍分布式的數(shù)據(jù)，例如洗眼器、電伴熱、環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)；

     ·  關(guān)鍵設(shè)備的輔助信息監(jiān)控，例如閥門跳閘后的位置。

    （5）現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)的需要。

    （6）工廠安全、泄露排放、火災(zāi)，更好的環(huán)境監(jiān)測(cè) 、更快的事故反應(yīng)能力：可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、無線視頻、無線拍照、無線開關(guān)量變送器；用于采樣、泄漏數(shù)據(jù)監(jiān)控。

    （7）罐區(qū)儲(chǔ)罐溢流或儲(chǔ)備狀況：無線雷達(dá)液位計(jì)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)液位。

    （8）改造項(xiàng)目時(shí)：電纜橋架負(fù)荷已滿、不想破壞現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有環(huán)境、機(jī)柜卡件和機(jī)柜已滿、控制室空間有限等；安裝時(shí)間緊等等。

2 霍尼韋爾無線解決方案

    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，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ISA100工業(yè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支持無線設(shè)備的免費(fèi)在線軟件升級(jí)以符合最新的ISA100標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效保護(hù)用戶的投資。

    霍尼韋爾OneWireless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)的通訊速度最快可達(dá)54Mbps，現(xiàn)場(chǎng)無線變送器的通訊速度250Kbps，由于主干網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能，無線變送器只需要一跳“Hop”就可以把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)酵ㄓ嵥俣确浅？斓闹鞲删W(wǎng)上，因此無線通訊時(shí)間的滯后非常短、支持無線變送器更快的刷新速度，如1秒、5秒、10秒、30秒等。未來可以支持無線變送器250毫秒的刷新速度。

    無線主干網(wǎng)最多可以由40個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)做為網(wǎng)關(guān)有線接入控制系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，則還可以采用完全一體化的CDA通訊方式，無線網(wǎng)關(guān)（多功能節(jié)點(diǎn)）可以直接同Experion控制系統(tǒng)的C300控制器、Server等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、對(duì)等通訊。每個(gè)無線網(wǎng)關(guān)都可以冗余配置。每個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)都可以帶400臺(tái)無線變送器（30秒刷新時(shí)）或100臺(tái)無線變送器（5秒刷新時(shí)）或20臺(tái)無線變送器（1秒刷新時(shí)）。因此無線主干網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常靈活，可以帶數(shù)以千、萬臺(tái)的無線儀表。

    無線主干網(wǎng)覆蓋的范圍非常大，可以覆蓋全廠數(shù)十公里廠區(qū)。多功能節(jié)點(diǎn)之間的無線通訊距離為1公里延伸或10公里延伸（選型高增益天線時(shí)）；現(xiàn)場(chǎng)儀表同任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)之間的通訊距離為305米、610米或3公里（選型高增益天線時(shí)）。

    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、無線通話等等。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，這些第3方設(shè)備直接有線接入多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)或配置無線轉(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)支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)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)無線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，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。

    無線主干網(wǎng)絡(luò)的特殊設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用在屏蔽的區(qū)域。多功能節(jié)點(diǎn)既可以無線延伸，也可以有線互聯(lián)。在屏蔽區(qū)域的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，只需要把屏蔽區(qū)域里的某個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)和屏蔽區(qū)域與之外某個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)有線互聯(lián)，那么屏蔽區(qū)域里面的無線網(wǎng)絡(luò)和屏蔽區(qū)域之外的無線網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)了。

    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。

3 霍尼韋爾無線解決方案的優(yōu)勢(shì)

    霍尼韋爾OneWireless無線解決方案通過多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的快速無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，支持全廠多種無線應(yīng)用，通用、簡(jiǎn)單、高效。OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間滯后短、通訊速度快、無線儀表自恢復(fù)速度快、網(wǎng)關(guān)冗余設(shè)計(jì)，支持在控制上的應(yīng)用。優(yōu)勢(shì)如下：

    （1）通用性：多功能的網(wǎng)絡(luò)，既支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也支持802.11 WiFi無線通訊設(shè)備，統(tǒng)一的通訊管理、安全管理和設(shè)備管理，使得網(wǎng)絡(luò)管理更簡(jiǎn)單。OneWireless一個(gè)平臺(tái)支持的多種應(yīng)用包括：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)診斷等等，而不僅僅是過程參數(shù)如壓力、溫度、流量的測(cè)量。

     OneWireless支持開放的多種通訊協(xié)議：一個(gè)平臺(tái)支持現(xiàn)場(chǎng)儀表的通訊協(xié)議有HART，Modbus，F(xiàn)F，4~20mA等，而不僅僅支持HART。這既保證符合開放的標(biāo)準(zhǔn)，也同時(shí)保護(hù)用戶的投資，為用戶帶來價(jià)值。

    （2）簡(jiǎn)單性：OneWireless無線解決方案簡(jiǎn)單易用，只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，即可支持全廠的無線應(yīng)用，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全通訊；無線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(yù)測(cè)、報(bào)警管理；端對(duì)端的安全管理也非常簡(jiǎn)單，同時(shí)確保無線網(wǎng)絡(luò)工業(yè)等級(jí)的安全通訊。

    OneWireless同控制系統(tǒng)的集成完全是標(biāo)準(zhǔn)化的通訊接口：Modbus TCP 、Modbus RTU、OPC等，實(shí)現(xiàn)無線世界同有線世界的無縫式數(shù)據(jù)集成。

    （3）可靠性：OneWireless可靠、功能強(qiáng)大的 “mesh” 主干網(wǎng)，和冗余的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)確保網(wǎng)絡(luò)通訊可靠，幾乎適應(yīng)所有的干擾環(huán)境，能同其它無線網(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)，無需人工介入。端對(duì)端的、工業(yè)等級(jí)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(shù)據(jù)通訊路徑，可以消除系統(tǒng)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(jiān)測(cè)和開環(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(yīng)用。

    （4）高效性：OneWireless無線解決方案，優(yōu)化的跳頻技術(shù)，優(yōu)化使用寶貴的無線通訊帶寬資源，并確保通訊可靠；一個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更多的無線應(yīng)用，易于管理，綜合優(yōu)化工廠生產(chǎn)效率和可靠性、提高安全水平，以及優(yōu)化工廠污染排放。

    OneWireless規(guī)模擴(kuò)展靈活，只有一個(gè)架構(gòu)需要實(shí)施，不需要復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，統(tǒng)一的安全措施管理整個(gè)架構(gòu)的所有設(shè)備和應(yīng)用的安全；它符合開放的標(biāo)準(zhǔn)，支持同第三方的符合ISA100標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品通訊、互相操作、兼容，充分保護(hù)用戶的投資。無線方案能節(jié)省大量的安裝成本，能以無線的方式在最短的時(shí)間內(nèi)、以最方便的方式、以最低的成本，把過程數(shù)據(jù)集成到現(xiàn)有控制系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用中。

    OneWireless無線解決方案的通用性、簡(jiǎn)單性和高效性，意味著只需最低的啟動(dòng)成本即可采用無線技術(shù)方案，而且，正是由于這個(gè)支持全廠所有應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展靈活、開放互操和容易升級(jí)，使得每一次投資都會(huì)在未來保值，從而降低了長(zhǎng)期的投資總成本。

4 總結(jié)
 
    霍尼韋爾的OneWireless無線解決方案符合開放的ISA 100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。由多功能節(jié)點(diǎn)搭建的無線主干mesh網(wǎng)絡(luò)，自組織、自愈合，通訊速度快；多功能節(jié)點(diǎn)之間的通訊距離遠(yuǎn)。多功能節(jié)點(diǎn)也可以有線mesh，這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)支持在屏蔽區(qū)域的無線應(yīng)用。任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)都可以作為網(wǎng)關(guān)同DCS控制系統(tǒng)有線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。網(wǎng)關(guān)可以冗余配置，避免無線網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)故障。

    OneWireless無線方案，安全可靠、端對(duì)端的、時(shí)間滯后管理的通訊，支持應(yīng)用在監(jiān)測(cè)、開環(huán)控制、閉環(huán)控制等場(chǎng)合，能夠解決有線方式所不能解決的問題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線和傳統(tǒng)有線方式在工廠的完美共存。



                                                          源自：《自動(dòng)化博覽》