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采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的用戶越來越多，對于沒有使用過工業(yè)無線通信系統(tǒng)的用戶來說，其對工業(yè)無線通信系統(tǒng)的熟悉程度有限。為了使其了解工業(yè)無線通信系統(tǒng)的基本知識，即作為用戶有哪些問題需要事先考慮，又有哪些資料需要事先做好準備，筆者列出用戶在采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)之前要主要考慮的10件事，以使用戶在規(guī)劃和實施過程中有所準備。

①選用的國際標準

工業(yè)無線通信領域的國際標準有：Wireless HART、WIA-PA、WIA-FA和ISA100.11a。

Wireless HART通信協(xié)議由HART通信基金會發(fā)布，得到艾默生過程管理公司、ABB、E+H、MACTek、P+F和西門子在內的過程控制廠商的支持，2010年4月12日獲得國際電工委員會(IEC)的認可，成為工業(yè)過程測量和控制領域的無線國際標準IEC62591。

WIA-PA(工業(yè)過程自動化的無線網絡規(guī)范)由中國國家標準化管理委員會提出，得到中國工業(yè)無線聯(lián)盟的支持，2011年10月14日獲得國際電工委員會認可，成為工業(yè)過程測量和控制領域的無線國際標準IEC62601。

WIA-FA(工廠自動化工業(yè)無線網絡技術規(guī)范)由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭制定，2014年9月獲得國際電工委員會認可，成為國際上第1個面向工廠高速自動控制應用的無線技術規(guī)范。這一規(guī)范是工廠自動化生產線實現(xiàn)在線可重構的重要技術，對推進制造業(yè)由傳統(tǒng)的低成本大批量生產模式向高端高附加值的個性化生產模式轉型升級，具有重要意義。

ISA100.11a由ISA(國際自動化學會)的ISA100工業(yè)無線委員會提出，得到霍尼韋爾、橫河、埃克森美孚、GE、山武在內的過程控制廠商的支持，2014年9月獲得國際電工委員會的認可，成為工業(yè)過程測量和控制領域的無線國際標準IEC62734。

上述4個國際標準中，除了WIA-FA是面向工廠自動化生產線的外，其余3個均面向工業(yè)過程測量和控制領域，用戶可按所屬領域選用以上標準。

②使用現(xiàn)場

采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)時，需要考慮用戶現(xiàn)場是新建還是改擴建。新建項目可按最佳方案考慮系統(tǒng)構成、設備選型及現(xiàn)場安裝布置。改擴建項目考慮的問題相對較多，不但需要對現(xiàn)有系統(tǒng)構成、已運行的現(xiàn)場設備和管線配置情況事先了解，還要考慮怎樣與現(xiàn)有系統(tǒng)連接、原有設備有哪些可以利用、現(xiàn)場安裝設備的位置是否需要變動等問題。

例如改建項目中，將原來的有線現(xiàn)場設備(如各類變送器)改為無線現(xiàn)場設備就有2個方案可以選擇: 一是直接將這些有線設備替換成無線設備。如將有線溫度計、溫度變送器、壓力/差壓變送器換成無線溫度變送器、壓力/差壓變送器；二是保留原有設備，新增相關設備后轉換為無線設備。如給帶HART功能的有線溫度變送器、壓力/差壓變送器配用無線適配器，將有線溫度計和不帶HART功能的有線溫度變送器、壓力/差壓變送器接入單點或多點無線模擬量輸入變送器，即可實現(xiàn)原有有線設備向無線設備的轉換。為了強化無線現(xiàn)場設備的通信質量，部分原有有線現(xiàn)場設備的安裝位置也有可能改動。

③應用類型

ISA下屬的ISA100工業(yè)無線標準化工作委員會，按照流程行業(yè)應用中的一般條件，根據應用中安全性、可靠性和傳輸時延的不同要求，已分別確定6類(0-5類)應用: 0類信息傳輸速度最快，主要用于安全聯(lián)鎖、緊急停車、火災控制等始終關鍵的緊急動作；1類、2類分別用于閉環(huán)調節(jié)控制和閉環(huán)監(jiān)督控制；3類用于人工開環(huán)控制；4類、5類主要用于信號報警、事件跟蹤和歷史數(shù)據采集。

工業(yè)無線應用設計的最終目標是涵蓋1-5類，但目前主要集中在ISA100定義的3-5類，重點是4類、5類的參數(shù)監(jiān)測應用。根據英國石油公司的數(shù)據，1-5類應用數(shù)量的比值大致為1:2:4:10:10，即4-5類大致占75%的比例，加上3類后約占90%，可見其應用面非常寬。

用戶可根據具體工程項目，列出屬于3-5類應用的具體參數(shù)。在現(xiàn)階段，無線通信暫時不要在1-2類閉環(huán)控制中應用，更不要應用于屬于0類的安全聯(lián)鎖、緊急停車、火災控制。

④信號類型

信號類型一般可分為模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出，信號由帶各類數(shù)字通信的智能儀表提供。工業(yè)無線通信系統(tǒng)現(xiàn)階段的應用以模擬量輸入、開關量輸入為主，模擬量輸出、開關量輸出則較少。

模擬量輸入信號可通過檢測參數(shù)(如溫度、壓力、流量、物位、質量、成分分析等)的無線變送器采集。對于一些暫時還沒有無線變送器傳輸?shù)膮?shù)，可將原有變送器的輸出信號通過無線現(xiàn)場設備采集，如帶HART通信的儀表設備可配用適配器，只有4-20mA輸出的儀表設備可配用能接入該信號的無線溫度變送器(如艾默生公司的848T) 、無線模擬量變送器(如霍尼韋爾公司的XYR6000無線模擬量輸入變送器、無線多組合變送器) 。

開關量輸入一般可通過無線開關量輸入變送器或無線多組合變送器采集。有模擬量輸出的無線產品非常少，筆者僅見到中科博微公司WIA-PA現(xiàn)場無線設備中的WIA-IO4108在支持2路4-20mA輸入信號的同時還支持1路4-20mA輸出信號。

有開關量輸出的無線產品也少，霍尼韋爾公司的XYR6000無線開關量輸出變送器和無線多組合變送器有開關量輸出回路，中科奧維公司WIA-PA的無線遠程控制器中也有4 路開關量輸出信號。

帶各類數(shù)字通信的智能儀表中，各廠家提供的可供數(shù)字通信的類型有差別，如霍尼韋爾公司的XYR400E無線轉接模塊可轉接以下通信協(xié)議：RS232、RS485、Ethernet，橫河電機公司的無線適配器除可轉接HART協(xié)議外，其多協(xié)議適配器還可轉接RS485 Modbus通信協(xié)議，中科博微公司WIA-PA現(xiàn)場無線設備中的無線透傳模塊可轉接RS485/RS232通信協(xié)議。

⑤工業(yè)無線通信網絡基本設備類型

要對工業(yè)無線通信網絡有一個基本了解，可以從工業(yè)無線通信網絡基本設備類型開始，以下是最基本9種設備類型。

現(xiàn)場設備

現(xiàn)場設備是用于測量或者控制工業(yè)過程，實現(xiàn)現(xiàn)場檢測、數(shù)據處理、動作執(zhí)行等的終端節(jié)點。

路由設備

路由設備是一種能為一個網絡設備無線轉發(fā)數(shù)據到另一個網絡設備的裝置，即提供路由器服務的裝置，路由服務可以由支持路由功能的無線現(xiàn)場設備承擔，也可以由獨立的路由設備承擔。

適配器

適配器是將有線HART協(xié)議的設備或其他協(xié)議的設備連接到無線網絡的設備，使有線HART設備或其他協(xié)議的有線設備升級為無線現(xiàn)場設備。

中繼器

中繼器用于強化無線現(xiàn)場網絡，如用于擴展無線網絡通信范圍或改善通信質量。

手持設備

手持設備是操作人員現(xiàn)場移動時隨身攜帶的可連接到無線網絡的設備，用于網絡設備的安裝、維護和操作。

接入點

接入點是一種位于無線現(xiàn)場設備、網關和控制系統(tǒng)之間的網絡設備。

網關

網關作為控制系統(tǒng)與工業(yè)無線通信網絡之間的橋梁設備，能用于兩個不同網絡間的協(xié)議轉換，使兩個或多個不同協(xié)議的網絡看起來像同種協(xié)議的網絡一樣，并且還能實現(xiàn)命令和數(shù)據的格式轉換。

網絡管理器

網絡管理器是一種應用程序，負責整個網絡的管理、調度和優(yōu)化，如網絡的形成、新網絡設備配置、網絡監(jiān)測。

安全管理器

安全管理器是一種應用程序，用于管理網絡設備的安全資源和監(jiān)控網絡安全狀態(tài)，如生成和管理工業(yè)無線通信網絡所用到的密碼信息，也負責生成、存儲和管理各種密鑰，通常網絡管理器、安全管理器的功能由網關完成。

上述基本設備類型不一定在每個工業(yè)無線通信網絡中全部得到應用，比如最簡單的工業(yè)無線通信網絡可能就只有數(shù)量不多的無線現(xiàn)場設備和網關，路由設備可能由無線現(xiàn)場設備兼任，網絡管理器、安全管理器的功能也集成在網關中。

⑥采集點數(shù)

用戶采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的規(guī)模大致由采集點數(shù)確定，目前以數(shù)十點居多，可稱為小型系統(tǒng)，超過100點到500點之間的可稱為中型系統(tǒng)，再多點數(shù)的可稱為大型系統(tǒng)。

小型系統(tǒng)的構成往往比較簡單，絕大多數(shù)只是由無線網關和無線現(xiàn)場設備兩類設備組成，多臺無線現(xiàn)場設備分布在生產現(xiàn)場，先由無線網關采集數(shù)據后，再通過有線方式將采集信息傳送到控制系統(tǒng)。

為了適應較大規(guī)模的現(xiàn)場無線網絡應用，一種方式是采用多個小型現(xiàn)場無線網絡平行接入控制系統(tǒng)(見圖1)，另一種方式是采用多個接入點將大中型現(xiàn)場無線網絡劃分為幾個小型現(xiàn)場無線網絡(見圖2)。

圖1 平行接入控制系統(tǒng)的小型現(xiàn)場無線網絡

圖2 采用多個接入點的大中型現(xiàn)場無線網絡

圖2中，接入點分為2 類: 網格接入點MAP和根接入點RAP，網格接入點與網關有線連接，用于采集該網關所連接無線現(xiàn)場設備的信息，多個網格接入點又以無線Wi-Fi方式將多個現(xiàn)場無線網絡的信息傳送到根接入點，根接入點以有線方式通過管理型交換機與控制系統(tǒng)連接。

接入點有2種工作方式: 一是在在無線現(xiàn)場設備與網關之間增加接入點設備，負責從無線現(xiàn)場設備網絡接收數(shù)據包并上傳給網關或下發(fā)來自網關的數(shù)據，在無線現(xiàn)場設備與網關之間起橋梁作用，此時接入點以無線通信國際標準之一(如WirelessHART、ISA100.11a或WIA-PA)，通過無線通信接收無線現(xiàn)場設備的信息，然后以這種無線通信標準或無線Wi-Fi方式將采集到的信息傳送到網關；二是在在網關(或接入點)與控制系統(tǒng)之間增加接入點設備，負責從網關(或接入點)接收現(xiàn)場無線網絡的數(shù)據并上傳給控制系統(tǒng)或下發(fā)來自控制系統(tǒng)的數(shù)據，在網關(或接入點)與控制系統(tǒng)之間起橋梁作用，與網關的連接可采用有線方式，與接入點則多為無線Wi-Fi方式(見圖2)。多個接入點的加入可以提高整個網絡的有效吞吐量和可靠性，特別適用于要求更快刷新率、更高性能的網絡。

⑦現(xiàn)場的障礙物及分布情況

用戶要對采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)場障礙物情況作調查。工藝裝置使用現(xiàn)場按障礙物的多少和分布情況通常可分為4類。

無障礙

沒有障礙物，視線清晰，設備的天線都安裝在障礙物之上，地形變化的角度很小(通常小于5°)。

少障礙

有一些基礎設施，但仍有開放的區(qū)域，在這類區(qū)域里，可以從一個設備看到多個其他設備，罐區(qū)是典型的例子，盡管槽罐本身是個大障礙物，但在大量槽罐之間及上方，有良好的射頻傳播空間。

中障礙

稠密的環(huán)境中仍然有相當大的區(qū)域沒有障礙物，如一輛卡車可以通過。

多障礙

從一個設備看不到其他設備，區(qū)域有很密集的設備、管道和建筑物，不可能駕駛卡車或讓尺寸較大的設備通過。

圖3非常形象地顯示了使用現(xiàn)場按障礙物的分類，可以用經驗判斷實際操作區(qū)域大致屬于障礙物中的哪一類，在了解無線通信的有效距離后，根據分類情況決定是否需要增加一些改善通信功能的輔助設備。

圖3 工藝裝置操作區(qū)域按障礙物分類

在垂直方向(即不同標高的位置)上，環(huán)境中障礙物的密度可能不同甚至相差較大，例如，在樓面附近因布置了大量設備而使障礙物的密度非常高，但離樓面超過一定高度后障礙物的密度變低甚至沒有障礙物。昆明有色冶金設計研究院在內蒙呼倫貝爾馳宏礦業(yè)有限公司14萬t/a氧壓浸出系統(tǒng)工程中采用了Wireless HART無線通信技術，現(xiàn)場所有無線現(xiàn)場設備都安裝在室內6m操作平臺上，該操作平臺凈高約10m，由于槽、罐、泵等絕大多數(shù)工藝設備和管道都安裝在平臺樓板上方1-3m高度上，在這一高度上障礙物很多，按分類至少應歸于多障礙區(qū)域。為了改善通信條件，讓無線網關盡可能與每一臺無線現(xiàn)場設備在直視范圍內無障礙通信，把無線網關安裝在中心區(qū)域樓板上方6m的高度上，無線現(xiàn)場設備也安裝在相對高一點的位置上(見圖4)，由于無線網關與無線儀表或無線儀表與無線儀表之間的點對點通信距離不超過230m，因此在DCS顯示畫面上看到無線設備在進行通信傳輸時從未丟失過數(shù)據，所顯示的信號強度RSSI均大于-51db，遠高于正常傳輸數(shù)據的指標－75db，所以現(xiàn)場無線傳輸?shù)男盘柗浅：谩?/p>

圖4 在高密度設備上方安裝的多點無線溫度變送器和無線網關(小圖所示)

⑧傳輸距離

工業(yè)無線通信網絡的無線現(xiàn)場設備與網關之間的信號傳輸距離取決于所采用的通信標準、天線型式、無線現(xiàn)場設備的發(fā)射功率、網關與無線現(xiàn)場設備之間障礙物的狀況。一般來說，在無線現(xiàn)場設備的發(fā)射功率為10mW，且內部天線、網關與無線現(xiàn)場設備之間無障礙物的條件下，傳輸距離約200-500m(WirelessHART為230m，ISA100.11a為500m)。對于少障礙、中障礙、多障礙的情況，以WirelessHART為例，傳輸距離將從無障礙的230m減小到150、75、30m。通常可以采用增加路由器、中繼器等方法或將無線現(xiàn)場設備設置為有路由功能的設備，通過轉接方式將無線現(xiàn)場設備的信號傳送到網關，以延長傳輸距離。特殊情況下，還可以采用外接天線的方法延長傳輸距離。

⑨刷新率

刷新率是指無線現(xiàn)場設備檢測測量值并向網關發(fā)送測量值的時間間隔，即在接收端接收到的信息更新一次所需時間。現(xiàn)階段無線現(xiàn)場設備的刷新率一般有1、2、4、8、16、32(或30)s和1-60min可選，未來將有0.2、0.5s的選擇。

無線現(xiàn)場設備多采用鋰電池供電，其使用壽命一般可達1-10年，壽命的長短取決于無線現(xiàn)場設備的種類、刷新率和是否承擔路由功能。由于電源模塊一般不能從市場采購，而由廠家供貨的電源模塊備件價格昂貴，所以應考慮使電源模塊使用壽命至少達到5年，這樣刷新率應設置為30s或更長。

刷新率選擇要點如下:

典型的安全和控制應用無線現(xiàn)場設備的

刷新率可能需要1s或更快，刷新率要比監(jiān)測閉環(huán)控制和某些類型監(jiān)督控制過程的時間常數(shù)快4-10倍。

用于監(jiān)測和開環(huán)控制應用無線現(xiàn)場設備的刷新率要比過程時間常數(shù)快3-4倍，如溫度變送器采用帶保護套管的熱電偶，熱量穿透保護

套管讓測量溫度變化可能需要16s或更長的時間，過程時間常數(shù)可能超過60s或更長，盲目選擇8s或更快的刷新率就完全沒有必要。

刷新率超過4s對接入一個網關無線現(xiàn)場設備的總數(shù)影響較大，設計選用時應特別慎重。以WirelessHART無線網關為例，名義上可接入 100臺無線現(xiàn)場設備，但當無線現(xiàn)場設備均選用4s刷新率時，其接入無線現(xiàn)場設備的容量將降為25臺。

無線現(xiàn)場設備刷新率和電池壽命之間有一個權衡，更快的刷新率將導致較短的電池壽命，每臺設備應該有一個合適的刷新率，以支持電池使用的長壽命，從而降低維護量。以WirelessHART 848T無線多點溫度變送器為例，當刷新率為4s時，其電源模塊壽命僅0.7年，而當刷新率為60s時，其電源模塊壽命可達到6.3年。如果無線現(xiàn)場設備是外部供電或有太陽能供電之類的能量采集設備，或者電池的壽命不是用戶的關注點，那么可以考慮更快的刷新率

⑩無線網絡與控制系統(tǒng)的連接

如前所述，無線網絡與控制系統(tǒng)最終連接時，可以通過Modbus TCP、Modbus RTU、OPC或以太網等有線方式連接，前面已經介紹了可以通過現(xiàn)場無線網絡的網關，也可以通過根接入點與控制系統(tǒng)連接。一些主流廠家的控制系統(tǒng)提供了系統(tǒng)內部連接的無線I/O卡，可以像設置普通I/O卡一樣設置無線I/O卡，這樣的控制系統(tǒng)可直接通過無線 I/O 卡接入現(xiàn)場無線網絡的所有信息。在艾默生過程管理公司的DeltaV 控制系統(tǒng)里，從DeltaV11版開始，提供了DeltaV S系列無線I/O卡和781無線遠程鏈路組成的完全冗余的WirelessHART解決方案(見圖5)，可與所有的DeltaV和AMS的應用實現(xiàn)本地節(jié)點集成。

圖5 WirelessHART工業(yè)無線通信系統(tǒng)通過DeltaV控制系統(tǒng)的本地節(jié)點集成

圖5 WirelessHART工業(yè)無線通信系統(tǒng)通過DeltaV控制系統(tǒng)的本地節(jié)點集成以上總結的采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)之前要考慮的10件事，并無先后、主次之分，對初步使用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的用戶，如果事先考慮過這些事項，就可有所準備，也便于與設計、供貨、安裝等單位技術人員交流。應用中也許還有10件事以外的問題，但相對次要，可在系統(tǒng)實施過程中邊干邊學。

來源：電工學習網