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    江天生

    男，清華大學工商管理碩士，霍尼韋爾（中國）有限公司中國區無線產品業務經理，研究方向為無線技術在工業領域的應用和技術特點，以及無線國際標準。

    摘要：本文針對工業無線應用場合對單一無線架構的需要，即一個無線架構同時支持多種無線應用和多種通訊協議的現場儀表。也詳細闡述單一無線網絡架構的優勢和價值，以及霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案的一個無線網絡架構支持多種無線應用、無線網絡通訊的工業等級的安全性和可靠性、以及同DCS控制系統無縫式數據集成等技術特點。

     關鍵詞：無線主干網絡；One Wireless；多功能無線網絡架構；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無線技術應用于過程控制的領先者，是全球第一個提供工業無線解決方案的DCS供應商，全球第一個在業內推出工業無線變送器，全球第一個推出能夠應用于控制的無線冗余網關。自2003年，受美國能源部委托研發應用于工業領域的無線技術以來，已經獲得300余項工業無線專利以及正在申請的專利。

    霍尼韋爾的無線產品符合開放的ISA100工業無線國際標準，支持基于ISA100標準的前后兼容和互操，能夠有效保護用戶的投資。ISA100標準實現一個無線網絡同時支持多種無線應用、同時支持多種通訊協議的現場儀表。同時配置一個無線管理平臺即可以實現對現場無線網絡的安全管理、通訊管理和設備管理。

    1 工業無線應用場合的對單一無線架構的需求

    當前工業流程的過程控制非常復雜，其中一個主要方面就是采用了很多種有線通信協議，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet、ControlNet以及其他類似的標準和專用協議。工業應用場合通常都會有若干個有線協議并存。每個協議都基于各自的專用架構（最典型的就是銅導線），因此多個協議可以輕松地共存而不會相互影響。
不同于有線應用的每個協議都有自己的架構或傳導介質，無線版本的這些協議卻需要共享一種公共介質——空氣，這些協議必須在這種公共介質中共存，而且會由于處于同一個物理空間而相互干擾。因此，把工業無線應用在工廠控制領域的應用時，就需要一個單一架構，即在一個工廠，通過構建一個無線網絡，來同時支持多種應用和多種通訊協議的現場儀表。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絡，實現一個平臺支持全廠的多種應用，如過程參數的監控、安全視頻監視、支持流動作業、移動設備即時定位、管道腐蝕監測、設備狀態診斷（如振動、轉速、位移）等等；一個平臺支持多種通訊協議的現場儀表：如HART，Modbus，FF，4~20mA等；工廠運行維護人員不必面對多個單獨的單一功能無線網絡平臺，不必為管理不同的單一功能無線網絡而煩惱。

     2 ISA100工業標準，實現單一無線架構支持多種無線應用

    目前把無線技術應用于工業控制的技術方案主要有2類，即通過無線儀表本身路由或通過節點來路由。其中WirelessHART標準的無線網絡，就是依靠無線變送器本身路由來實現的；而ISA100工業無線標準的整個無線網絡是依靠節點路由來實現的。

    兩種解決方案都為了達到工業等級的無線應用而集成了mesh多路徑的通訊技術、跳頻擴頻通訊技術以及基于精確時間同步的通訊和基于數據碰撞的通訊技術。但是兩種方案的技術設計理念和技術特點卻有很大的差別。

    （a）以WirelessHART為代表的，無線網絡依靠無線儀表路由來實現











    該解決方案的主要特征是現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，而且同時為其它儀表的通訊進行路由。通常配置一個網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個無線網絡自組織、自愈合，所以優點就是實施較為簡單。

    但是這種技術路徑的缺點也非常明顯。

    首先網絡的通訊時間滯后較大、無線變送器通訊速度較慢：因為整個無線網絡的通訊是通過低速通訊的無線變送器路由來實現的，所以整個無線網絡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。

    整個網絡的通訊時間滯后可能很明顯，典型的是10秒。設定的刷新速度越慢，網絡的通訊時間滯后也越長；網絡所帶設備的數量愈多，需要路由和中轉的次數愈多，網絡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。當一臺無線變送器為其它無線變送器進行路由時，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。

    而且由于無線設備路由的次數，與整個網絡的規模和測點的分布相關，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，不可能做到本質安全，所以在石油化工廠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，如8秒），所以會在現場后期的維護時帶來很多不便之處。

    其三，也正是由于考慮到網絡通訊時間滯后和通訊速度的因素，整個無線mesh網絡的通訊路由次數必需有所限制，即最遠的儀表到網關的路由次數不能大于多少次，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絡的規模，如無線儀表1秒刷新時一個網關所帶的設備可能非常有限。

    當在大項目中應用時，可能需要配置很多網關，分別構建很多個無線網絡。這個時候，就會遇到不同無線網絡之間的干擾問題，以及如何統一管理多個無線網絡的問題。

    最后，這種以WirelessHART為代表的通過無線儀表本身路由來構建無線網絡的無線解決方案，一個無線架構只支持某種通訊協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議的現場儀表和其它無線應用（如移動工作站、可燃氣體監測、無線視頻監視、無線音頻通訊等等），也是其不足之處。

    當然這個單一無線架構的優勢就是，其應用范圍集中、實施簡單，適合小規模、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議，所以可以繼續支持原有協議的管理工具，如WirelessHART支持HART儀表的無線通訊，可以繼續利用現有的HART管理工具。

    （b）以ISA100為代表的，通過節點路由來實現無線通訊

    該方案主要是由節點構建一個通訊速度非常快速的無線mesh主干網絡，而且這個無線主干網絡自組織、自愈合，同時支持多種無線應用和多種通訊協議的現場儀表。現場無線儀表可以自動選擇同任意一個節點進行無線通訊，自組織、自愈合。但是現場儀表不配置路由功能。通常任何一個節點都可以或同時作為網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

    這種方案的優點就是由于節點構建的快速的、mesh主干網絡，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”就可以把數據傳輸到一個通訊速度非常快的無線主干網上，所以整個網絡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，都是可以預測的。

    而且這種解決方案由于整個架構的優勢，網絡的規模非常靈活，一個網絡支持的無線儀表的數量可以達到上千臺。

    另外這個多功能的解決方案實現了一個無線架構支持多種協議的現場儀表和多種工廠的無線應用。

    3 霍尼韋爾公司無線解決方案，支持ISA100工業無線國際標準，實現一個無線網絡架構支持多種無線應用，為用戶帶來優勢

    霍尼韋爾公司的OneWireless無線網絡架構，是一個多功能的工業無線網絡，符合開放的ISA100工業無線標準，安全、通用、支持多種應用，可以支持的設備如變送器、閥門、WiFi設備、移動工作站、即時定位設備、煙氣探測等等；支持多種現場儀表的通訊協議，如HART、FOUNDATION Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

    霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案，是由多功能節點（Multinode）構建一個通訊速度非常快的無線Mesh主干網絡，現場無線變送器可以自動選擇與任何一個多功能節點進行無線通訊。整個無線網絡自組織，自愈合，冗余網關的設計，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到工業等級的可靠性和安全。

    無線主干網絡支持多種應用，多功能節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）；無線雷達液位計（Honeywell Enraf）等等，而且同時支持無線振動監視、移動工作站、無線視頻監視、無線讀表器、無線語音通話等等。

    不僅如此，無線主干網絡還可以同時支持現場Ethernet設備的無線轉接，即現場的第3方設備可以直接有線接入多功能節點從而進入無線網絡。或者配置無線轉接模塊，然后同多功能節點無線通訊。

    無線主干網絡所支持的現場儀表可以符合多種通訊協議，而不會局限于某種單一的通訊協議。如無線網絡同時支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多種通訊協議的現場儀表。

    而且，還會配置一個無線管理平臺，可視化管理現場無線網絡，支持對無線網絡的診斷和維護；支持對現場無線變送器的在線遠程組態、負責統一管理整個網絡的安全；運行人員通過這一個平臺即可管理這個支持全廠多種應用和多種通訊協議現場儀表的無線網絡。當同霍尼韋爾Experion控制系統數據集成時，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的Control Builder中。

    通過構建一個無線平臺，支持整個廠區的、大規模的無線應用；支持全廠的多種無線應用；使用一個無線管理平臺統一管理整個無線網絡的安全、通訊和設備組態、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場儀表建立很多個獨立的、同類無線網絡；無需為工廠不同的無線應用而建立多個不同的無線網絡；無需擔心很多同類但獨立的無線網絡之間的相互影響。工廠運行維護人員不必面對多個單獨的單一功能無線網絡平臺，不必為管理不同的單一功能無線網絡而煩惱。這也大大降低了用戶的管理費用、維護費用、培訓費用、安裝費用等。

    One Wireless無線解決方案的優勢，不僅在于降低安裝成本，更體現在支持充分利用工廠工業無線網絡，支持更多的應用，提高和優化工廠管控水平。One Wireless無線解決方案靈活、開放的基礎構架，能夠支持工廠實施先進的高級優化應用。霍尼韋爾公司在產品上向下和向上的兼容，支持霍尼韋爾公司的已有產品、經過認證的第三方符合標準的變送器以及其它符合IEEE 802.11的第三方產品，保護用戶的投資。

    4 總結

    霍尼韋爾的OneWireless無線解決方案符合開放的ISA 100工業無線標準，實現一個無線網絡架構同時支持多種通訊協議和多種無線應用，并通過開放的標準通訊接口實現同控制系統的無縫式數據集成。

    通過把有線的控制網絡無線延伸到現場，可以經濟、高效的優化工廠的運行，提高可靠性和安全水平，以及更加環保，節能減排。One Wireless網絡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；可設定的快速網絡監控速度，支持從監測到閉環控制的所有應用。

參考文獻：

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

[2] Honeywell 公司無線技術資料.

[3] 控制工程中文網: 無線儀表的拓撲結構.