【方原柏专栏】怎样尝试使用工业无线通信技术
编者按
工业无线通信系统应用及工程设计是热点、更是难点，“剑指工控”特邀请专家“方原柏”先生，从实际应用案例出发，通过一系列文章，为您解答工业无线通信的难点、优势、设计方法和具体实施步骤。
本文介绍了尝试使用工业无线通信技术的几种方法：自行设计一个小型工业无线网络，采用智能无线现场启动包，同时使用有线、无线的双系统，新建项目中选一个车间作试点。
1 概述
工业生产过程测量和控制技术的信号传送方式的发展历程是从复杂到简洁，从繁多到单一到“无”，所以，无线通信技术是以一股不可阻挡的潮流进入传统的工业通信领域。在统一信号之前过程测量传感器的输出信号曾长期存在多类别信号，如电阻值（热电阻）、mV值（热电偶、霍尔压力传感器）、脉冲值等等。统一信号则为气动信号20~100kPa，电动信号4~20mA。随后发展为智能数字信号、现场总线信号，现在又见到了无线信号。
作为无需布线的通信方式，工业无线通信技术近年来越来越被人们所青睐，他面向仪器仪表、设备与控制系统之间的信息交换，是对现有通信技术在流程行业应用方向上的功能扩展和提升。作为工业自动化领域前沿热点技术，流程行业无线技术引领了工业自动化系统未来的发展方向。他的问世将引发传统工业测控有线模式的变革，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠性、高灵活性的方向发展。
工业无线通信技术是面向工厂自动化和过程自动化设备间信息交互的无线通信技术。相对于有线系统，工业无线传输系统节省了电缆，简化了安装，大大降低了维护时间和停工时间，增加了系统的可用性，提高了工厂效率，并因此提高了生产力。
2 尝试使用工业无线通信技术的好处
一项新技术问世，人们会有各种各样的疑问，这是非常自然的，更何况这一项新技术对以往技术几乎是颠覆性的。我们现在使用的测量传感器、变送器的输出信号始终是以看得见、摸得着的有线方式传送，出了问题，查线虽然是很麻烦的事，但毕竟有东西摆在那里，细心一点，故障还是容易查出来的。
所以，工业无线通信技术一出来，人们有以下这些疑问也是非常正常的：无线可靠吗？无线安全吗？
要回答这些问题，当然一个是学习有关工业无线通信技术的资料，另一个是到已经使用了工业无线通信技术的单位考察。但对于工业无线通信技术来说，亲自尝试应该是一个比较好的办法，因为资料的宣传性强，优点说得多，缺点见不到，而到使用单位考察，不容易找到合适的单位，特别是条件相近的单位。
而对工业无线通信技术来说，由于不需要配线、配桥架、配接线柜，现场投运也极其简单、快速，所以对一个具体应用来说，工业无线通信网络的方案可以分布实施，网络的扩展是容易的、快捷的。
由于用户及设计单位均对工业无线通信系统应用及工程设计了解不多，可以考虑在某一个工程项目采用分步实施的方法，首先小规模的应用，然后逐渐扩大应用无线现场设备的种类和规模，如图1所示，可以分成4个阶段扩大了应用无线现场设备的种类和规模。在第一阶段，您可以从某个远程无线现场应用开始（如油罐区监测），选用点数较少的无线现场设备，然后通过接入点使用Wi-Fi将数据传送到位于控制室附近的网关；第二阶段，您可以扩展网络，添加小规模的无线移动作业人员的应用；第三阶段，您可以扩展无工线厂网络的范围，并利用RFID标牌进行位置跟踪和添加无线视频能力；第四阶段，您可添加更多设备，井继续扩展无线网络的范围，实现更多应用[1]。
图1 WirelessHART系统应用规模逐渐扩大示意图
3 尝试使用工业无线通信技术的做法
3.1 自行设计一个小型工业无线网络
按目前标准的工业无线通信网络有WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA，用户不妨自行设计一个小型工业无线网络。我们知道，基本的工业无线网络可由以下三类设备构成：网关、无线现场设备、相关的应用软件。其中无线现场设备包括各类参数的无线变送器和适配器，所谓的“适配器”是指将有线HART设备连接到无线网络的设备。如果是新系统，我们可以直接选用各类参数的无线变送器；如果是对现有有线设备改造，则可选适配器。几台无线变送器或几台适配器，再加上一台网关及相关的应用软件就可以组成一个小型工业无线网络。
3.2 采用智能无线现场启动包
一些工业无线通信技术设备生产厂推出智能无线现场启动包（或启动套件），发货时智能无线现场启动包已预先组态，开箱即可搭建一个安全的、坚固的自组织网络。启动包提供了一些功能选择，使用户能够快速而方便地提高运行性能，同时体验无线技术，获取无线技术的操作经验，并为未来实现更大范围的无限应用奠定基础。由于智能无线现场启动包的点数不多，价格较低，可降低用户风险。
这些智能无线现场启动包（或启动套件）通常包括最基本的工业无线通信网络设备，如一个网关（或作为网关的多功能接点）、5台或5台以上现场设备及。艾默生过程管理、ABB等公司可提供WirelessHART智能无线现场启动包，霍尼韦尔公司可提供OneWireless启动套件（见图2）。
图2 OneWireless启动套件
采用智能无线启动包（或启动套件）建立无线网络无需现场勘察，无需前期工程设计，更不需要特殊工具，安装和调试工作只需数分钟就可完成。用户可以方便地在自组织网络中添加新的设备，因为它可以无限扩充。
对于一些欲开发自己的WirelessHART产品的厂商来说，可考虑直接采用国外厂商为此目的提供的启动套件。如LINEAR公司下属的Dust Networks 公司，他是WirelessHART无线网络芯片SmartMesh WirelessHART Embedded Products（智能Mesh网络WirelessHART 嵌入式产品）提供商，已经为包括艾默生过程管理公司在内的厂家提供了网关、节点、接口卡等产品使用的芯片。如果是初次接触WirelessHART无线网络技术，则可使用该公司可提供智能WirelessHART启动套件(见图3)，套件包括的产品见表1。全套价格在1000美金以下，的确是非常便宜的。
图3 Dust Networks 公司WirelessHART的启动套件
表1 Dust Networks 公司WirelessHART的启动套件
另外一家公司Awia Tech公司是依托美国德州大学奥斯汀分校的公司，其中国分公司上海汉物天物联网技术公司可提供WirelessHART的技术推广和技术培训服务，可提供Awia Tech WirelessHART开发套件（见图4），套件是一套用于组成一个基本的WirelessHART网络必要的组件组合，从而使用户对产品性能、可靠性和标准的遵循程度进行评估和验证，并以此为基础，利用该公司的WirelessHART无线模块，开发自己的WirelessHART产品。
图4 Awia Tech公司WirelessHART的启动套件
3.3 同时使用有线、无线的双系统
在艾默生过程管理的宣传资料中，曾介绍过使用适配器构成有线、无线的双系统。图5中，除了直接采用无线变送器的参数外，有5台设备的参数是通过4~20mA的方式进入控制系统，与此同时，这5台设备的HART数字信息和所有无线变送器的数字信息又通过智能无线网关送入控制系统[2]。
图5 WirelessHART系统构成示意图
在国内的应用实例中，有的用户也采用同时使用有线无线两套仪表的方式考查无线仪表是否安全可靠。江苏金翔石化油库储罐计量系统中，原采用TankRadar Rex有线雷达液位计检测油库储罐液位，但考虑到信号传输过程中可能出现下面的问题：
中间接线端子是潜在的故障点，接触不良或接线脱落将导致通信故障；
信号电缆受损（火灾、野蛮作业等造成）是另一个潜在的危险，可能导致罐区整体或部分无法显示；
雷达液位计的数据是经过PLC控制系统再送入上位机显示的，一旦PLC出现故障，罐区数据无法监视。
故在该项目三期油库储罐计量系统中，采用了艾默生常规罐区总线方式计量及无线方式计量的冗余方案，给每台TankRadar Rex有线雷达液位计配一台适配器，使之成为一台无线设备，经无线网关以OPC方式与PCS7控制系统相连，同时有线通信的数据以TRL2总线的方式由现场通信单元FCU通过 RS485与PCS7控制系统相连，因此，有线无线两套仪表的信号同时送控制室PCS7系统集中显示[3]。
为便于对比，作者将4个油罐的总线监控界面与无线监控界面剪裁集中在图6显示，由图可见，有线无线两套仪表的数据完全一致（虽然显示的数字无法看清，但棒状图显示可以看出），验证了无线数据传送是可靠安全的。
图6 有线无线两套仪表的监控画面对比
3.4 新建项目中选一个车间作试点
在有多个工程子项的大型自控工程设计中，可以与甲方商量，选择一个工序作为工业无线网络的试点，确定试点的工序可以参照以下条件考虑：工序相对不太重要、监测点数不多、很少或没有涉及安全连锁及快速控制回路的参数等。
在云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂新建工程项目中，采用了以FF现场总线作为信号传送方式的艾默生过程管理的DeltaV控制系统，其中多膛炉焙烧车间采用了WirelessHART智能无线网络与DeltaV控制系统集成。多膛炉焙烧车间有3台多膛炉，炉高15m，分布在三层结构的工业厂房中，炉膛温度及压力测点分布密集，环境温度高，采用有线现场仪表线缆敷设困难，存在火灾隐患。设计选用了WirelessHART智能无线网络的以下设备：
9台848T多点（4点）无线温度变送器；
3台648（单点）无线温度变送器；
51台3051S无线压力（差压）变送器（检测压力及流量）；
3台1420 智能无线网关（分别安装在3个楼层）。
选用工业无线通信技术要求达到的功能是：
最优化实现多膛炉工艺参数监测；
减少多膛炉之间的布线，准确测量温度；
尽可能采用自控先进技术，建立行业示范工程。
运行后对工业无线通信技术的体会是：
无线设备的连接方式完全省去了电缆；
即插即用的能力减少了90%以上的施工量；
安装时保证每台无线变送器有2个以上的邻居，确保了网状网络通信的可靠性；
848T多通道无线温度变送器可监测多点温度，使用简便；
1420 智能无线网关与DeltaV控制系统无缝集成，WirelessHART无线变送器像FF设备、HART有线设备一样，可自动识别、接入和运行；
通过系统内置的AMS设备管理软件对智能无线现场设备进行远程诊断和组态；
无线技术在多膛炉工艺过程的成功应用，给了我们更多的选择[4]。
在我院工程总承包的呼伦贝尔驰宏矿业有限公司14万t/a电锌氧压浸出系统项目中也选择了主工序氧压浸出为工业无线网络的试点。
参考资料：
[1] EMERSON Process Management. 应用于工厂运行的智能无线方案.2011.09.B-0034.
[2] EMERSON Process Management. 智能无线现场网络方案.2009.04.
[3] 吴雪松.艾默生智能无线技术在江苏金翔三期油库罐区计量系统中的应用[J].自动化博览. 2011年S1期 .P131~134.
[4] 杨爱清. 控制系统在云南驰宏的应用. 艾默生过程创新体验之旅昆明交流资料. 2013.06.04.
作者简介
方原柏：湖北黄冈人，昆明仪器仪表学会理事长，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，冶金自动化、衡器、自动化信息、仪器仪表用户、自动化与仪器仪表等杂志编委、中国衡器协会技术专家委员会顾问。发表论文270余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）两本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。
