【方原柏专栏】霍尼韦尔公司One Wireless工业无线技术

1 概述

作为无需布线的工业通讯方式，工业无线技术最近越来越被人们所青睐。工业无线技术是本世纪初新兴的无线通信技术，他面向仪器仪表、设备与控制系统之间的信息交换，是对现有工业通信技术在工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，工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、高灵活的方向发展。据介绍，美国能源部将工业无线技术列为实现到2020年美国工业整体能耗降低5％目标的主要技术手段之一。

企业为什么会采用工业无线技术呢？表1列出了目前工业无线技术应用的主要需求及其相对有线技术的优势。

表1 工业无线技术应用的主要需求及其优势

霍尼韦尔公司长期致力于工业无线技术的研究和应用，2003年在全球第一个推出工业无线变送器——霍尼韦尔XYR™ 5000无线压力变送器，2003年还受美国能源部委托研发应用于工业领域的无线技术以来，2007年6月11日，霍尼韦尔宣布该公司的通用于各工业无线网络解决方案——OneWireless正式发布。2008年7月2日，霍尼韦尔公司宣布推出其工业无线网络解决方案OneWireless更新版本，实现了与ISA100.11a工业无线通信标准兼容。ISA100工业无线委员会是由终端用户和技术提供者组成，致力于通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术。2009年4月24日，以投票方式通过了国际工业无线标准ISA100.11a标准，这是ISA100标准族中的第一个标准，ISA标准委员会的仪表厂商成员如Honeywell，Yokogowa、GE等都明确支持该标准。2009年9月正式通过ISA（International Society of Automation，国际自动化学会）标准委员会表决，成为正式、开放的工业无线国际标准。OneWireless®网络最新的版本是在2010年6月推出的R200。我国重庆邮电大学作为核心单位参与该标准的制定，不仅在策划了2008年4月在重庆召开“ISA100.11a标准化会议”，还在2008年10月赴美展出了自主开发的ISA100.11a系统，并与Nivis公司一起搭建了ISA100 WCI一致性测试与验证展台[1]。

2 OneWireless 无线主干网络的设备构成

OneWireless无线主干网络的设备构成可能有很多方案，其中最常见的是由无线现场设备（如无线变送器）、无线网关（多功能节点或现场设备接入点）、无线管理平台组成的系统（见图1）。

图1 OneWireless无线主干网络的设备构成

无线变送器是带无线通讯功能的变送器；无线网关（多功能节点或现场设备接入点）支持同无线变送器的无线通讯并构建一个通讯速度非常快的无线Mesh主干网络；WDM无线管理平台管理无线现场设备和无线网络，并实现与应用主机的通讯。

2.1无线变送器

现阶段霍尼韦尔公司推出的无线变送器（部分产品见图2）的品种有：

图2 霍尼韦尔公司推出的各种无线变送器

无线压力变送器（绝压、表压、差压）；

无线温度变送器；

无线腐蚀变送器；

无线开关量输入变送器；

无线开关量输出变送器；

无线模拟量输入变送器；

无线多输入组合变送器；

无线设备振动（健康状态）监测变送器；

无线雷达液位计；

无线读表器；

无线阀门回讯变送器（定位器）；

HART信号的无线转接模块。

上述品种中有的还可细分。如无线温度变送器有自带或不带测温探头的；带探头的又分TC(热电偶)或热电阻的，还分法兰接头、套管或无外套的；无线模拟量输入变送器有单点AI和多点之分，多点又有3个AI或1AI+2个TC、DI的组合；无线开关量输入变送器分3点DI或2DI+1TC(热电偶)；无线开关量输出变送器分3DO或1DO+2AI(或2TC、或2DI)；无线多输入组合变送器有两个型号，并可组态为AI、DI、DO、TC的组合。

现场无线仪表可以安装在危险环境中，如Class 1 Division 1区域，符合本安（除电池外）和隔爆认证，防护等级等于或高于IP66。

上述无线设备中，有少数因耗电量大，还需现场提供电源，如无线雷达液位计需要65/240VAC或24~64VDC电源，无线设备振动（健康状态）监测变送器可用电池供电，也可以外部供10~30VDC电源。

现场无线仪表的刷新速度可以设定：1秒、5秒、10秒、30秒，未来可以达到0.25秒的刷新速度。

现场无线仪表通过组态不执行路由功能及可以自适应调节发射功率，如果选择常温下1秒的刷新速度，电池使用时间可以达到4.5年，而5秒以上的刷新速度，电池使用时间可以达到10年。

2.2 无线网关

OneWireless网络的设计具有非常灵活的扩展性，既可以是单一的无线变送器网络，也可以是支持全厂多种无线应用的、全面的工厂级无线网络。在2010年6月推出的R200 OneWireless网络最新版本，他支持用户在其相关设施的不同区域设计具有各种无线覆盖能力的无线网络。如仅针对无线现场仪表的无线网络架构，可选择无线变送器本身的路由功能，由现场设备接入点FDAP实现；也可以同时支持无线现场仪表、多种无线应用、有线设备无线转接、有线网络无线互联等多种功能的无线网络架构，由多功能节点实现。一个无线网络可以有多个网关，网关之间支持无线通讯，每个网关都能管理100台现场无线仪表（刷新速度1秒时），每个网关都可以配置冗余网关。多功能节点/现场设备接入点FDAP不作为网关时可以支持20台无线变送器（1秒刷新时）或80台无线仪表（大于1秒刷新时）

整个无线网络信号传送是依靠节点路由来实现的，无线变送器本身选择路由功能时，需要消耗额外的电池能量，所以电池的寿命比较短，网络的通讯时间滞后较大，无线变送器通讯速度较慢，从而无线变送器的刷新速度不可能做到很快。当无线变送器本身不选择路由功能时，可采用多功能节点路由方案，此时无线变送器的刷新速度快，电池的寿命长。

2.2.1 现场设备接入点

现场设备接入点FDAP（Field Device Access Point）（见图3）仅支持ISA100无线变送器的无线通讯，设置路由功能的无线现场仪表不仅可以无线传输自己的数据，也可以为相邻的无线现场仪表进行无线路由，并最终通过FDAP或多功能节点作为网关同有线控制网络连接，实现数据集成。现场设备接入点采用双天线结构设计，确保mesh多路径通讯环境时无线数据可靠性；在现场设备接入点之间或同无线现场仪表之间的无线通讯距离为450m。

图3 现场设备接入点

2.2.2 多功能节点

一个或多个多功能节点（Multinode）（见图4）构建无线Mesh主干网络，现场无线变送器可以自动选择与任何一个多功能节点进行无线通讯。

图4 多功能节点

Mesh主干网络支持多种应用，不仅支持同无线变送器的无线通讯，还支持移动工作站、无线视频监视、无线读表器、无线语音通话等等，同时支持现场Ethernet设备的无线转接，即现场的第3方设备可以直接有线接入多功能节点从而进入无线网络，或者配置无线转接模块同多功能节点无线通讯。

每一个多功能节点都可以同时作为网关或配置冗余网关同DCS、PLC进行数据集成，两个10/100Mbps以太网通讯口可以同时接在一个交换机上，用于控制系统的通讯：Modbus、TCP/IP、OPC，或用于多功能节点之间的有线互联，或用于转接Modbus、RTU、TCP/IP设备进入无线网络。

在现场变送器与多功能节点之间的传感器网络采用了SP100协议，而多功能节点之间以及Experion 移动工作站、标签扫描仪等现场设备与多功能节点之间的网状网络采用Wi-Fi（802.11X）协议。

变送器同多功能节点之间的通讯距离为610m（采用高增益天线时为3~4km），2个多功能节点之间的通讯距离为1km（采用高增益天线时为10km）。

多功能节点可以安装在危险环境中，如Class 1 Division 2或Class 1 Division 1，防护等级IP66，多功能节点由外部24V 0.5A直流供电。

2.3无线管理平台

无线管理平台(WDM)管理所有的无线现场设备，如ISA100.11a无线变送器、现场设备接入点FDAP和多功能节点等无线网络设备。WDM承担无线现场仪表网络网关、系统管理器以及安全管理器的角色，他用于初始化无线设备的组态，并存储组态无线设备所需的无线网络系统数据。他实现无线现场仪表网络的安全管理，生成、发布和管理所有现场设备加入无线安全网络所需的安全密钥。它还提供Modbus、HART、OPC和专有协议等数据集成通讯接口，实现无线网络数据同DCS控制系统的数据集成。

一个无线网络最多可支持40个现场设备接入点FDAP和多功能节点，根据选择刷新速度的不同，总计支持的无线变送器台数可达800（1秒刷新时）~3200（>1秒刷新时），可见一个无线管理平台的规模能够做到很大。

3 OneWireless工业无线技术的特点

与其他类型的工业无线技术相比，OneWireless具有如下特点：

• 一个无线平台支持多种应用，如过程参数的监控、安全视频监视、流动作业、移动设备的即时定位、管道腐蚀监测、设备状态诊断(如振动、转速、位移)等等；

• 一个无线平台支持多种通讯协议，可以支持HART、Profibus、FF、Modbus(Serial和TCP)以及OPC等多个协议；

• 无线网络来连接的现场设备种类齐全，不仅有HART设备，还有4~20mA模拟设备、热电偶、热电阻、阀位、DI、DO，甚至还可以通过无线读表器连接就地显示圆形刻度盘的压力表、真空表、温度计，扩展了无线解决方案涉及的产品系列；

• 无线网络来连接的现场设备参数除了包括常见的压力、流量、温度、物位外，还包括管道腐蚀监测、设备状态诊断(如振动、转速、位移)等特殊参数；

• 现场无线仪表的刷新速度快，目前可以设定为1s，未来可以达到0.25s，从而为无线传送的参数用于重要场合的闭环调节控制创造了条件；

• 传输距离远，变送器同多功能节点之间的通讯距离为610m~4km，2个多功能节点之间的通讯距离为1km~10km，因此一个网络的覆盖面积可以达到数十平方公里；

• 现场无线仪表电池的使用时间可以达到4.5年以上；

• 扩展方便，规模可大可小，刷新速度1秒时现场无线设备为800台，刷新速度30秒时现场无线设备为3200台；

• 支持移动设备如移动工作站、IntelaTrac PKS无线手持巡检设备（现场人员手持设备，可以通过无线网络自动收集现场数据，执行资产智能管理）；

• 通过XYR400E无线转接模块可以无线转接如下协议的第3方设备：RS232、RS485、Ethernet，第3方设备如PLC、分析仪、照相机、报警盘等。

4 OneWireless系统在中国的应用

4.1 中石化镇海炼化8公里乙烯运输管线

中石化镇海炼化计划修建一条低温乙烯运输管线，总长约7650m，连接装卸码头和低温罐区。乙烯运输温度要求为-150℃至-100℃。为确保管线运输正常工作，需要对管线温度实时监测。管线两端约500m各有一个温度测点，其他5个测点分布为平均每隔1km一个温度测点，共有7个温度测点（其中2个温度测点为有线温度变送器，5个测点采用无线温度变送器）。管线温度数据要求传输至低温罐区控制室DCS控制系统实现集中、实时监测。如果采用常规的有线方案，数公里外的温度信号传输至DCS控制室，信号衰减已经非常弱，不能正常测量。采用其他方案也存在设备昂贵、工程实施困难、后期维护费用高等问题。

采用Honeywell公司的OneWireless工业无线解决方案，无需安装电缆、桥架和接线，非常容易就可以实现对乙烯管线的监测。系统配置如下：

多功能节点，3台；

无线温度变送器，5台；

有线温度变送器，2台；

热电阻，7支；

无线管理平台，软件25点；

工作站，DELL D630；

无线网络授权设备，XSK00

安装在管线上的无线温度变送器同多功能节点进行无线通讯，4台多功能节点之间无线通讯构建mesh无线主干网，位于低温罐区的多功能节点M1作为网关，把所有数据同时传输至罐区DCS控制系统，采用Modbus RS485 同控制系统数据集成，乙烯运输管线无线通讯系统示意图见图5，图中，M1~M3为多功能节点，T1~T7为无线或有线温度变送器。

图5 乙烯运输管线无线通讯示意图

无线网络通过多功能节点M1以用Modbus RS485接口同DCS控制系统数据集成，无线管理平台，安装在罐区控制室，完成如下功能：可视化监测无线网络的通讯状态；支持无线变送器在线远程组态；负责无线网络的诊断和安全管理[2]。

4.2中石油西固油库

中石油西北销售公司西固油库改造项目中，要求做到以下几点：在罐区增加输油管路压力测点；需要支持员工在铁路栈桥作业时，能够实时获取控制系统的数据和实时录入装车数据和信息；需要实时获取远离控制室的北滩油库数据，实现数据共享。

霍尼韦尔为该项目提供无线设备包括：5台多功能节点、20台无线压力变送器、4台移动工作站/RESS Server、无线管理平台。

霍尼韦尔还为该项目提供PKS控制系统，实现库存管理系统、油品移动系统、公路自动付油系统、铁路定量装车系统、订单管理系统、在线设备管理系统、CCTV监控系统、无线通讯及广播系统、门禁系统和绩效管理系统。

通过5个多功能节点构建的无线网络架构同时支持3个无线应用：

(1) 支持4个移动工作站，实现现场移动作业，实时浏览PKS控制系统画面、组态、报表、报警等，以及输入铁路装卸站台的过程数据；

(2) 支持同30台无线压力变送器的通讯和过程数据监测；

(3) 采用Modbus TCP将无线网络有线接入北滩油库计量PLC控制系统和西固油库PKS控制系统。

西固油库无线通讯结构见图6。

图6 西固油库无线通讯示意图

无线技术将过程自动化延伸到了控制室之外。霍尼韦尔的移动工作站是第一款实现无线移动生产的解决方案，该方案将关键过程信息、历史数据、图片以及其他关键功能的获取范畴进一步延伸到了现场。

图7 移动工作站

移动工作站高效移动解决方案，支持在现场移动作业。经认证可以用于危险环境的耐用型移动工作站，支持工作人员在铁路装卸码头现场通过无线的方式访问Experion PKS SCADA控制系统的关键过程参数、历史数据、图形、过程画面、维护信息和其它重要数据（见图7），也可以直接输入过程参数。通过移动工作站，运行入员可以在现场实时了解现场操作对生产过程的影响。

无线变送器可以自动选择同多功能节点M2、M3、M4或M1进行无线通讯，多功能节点之间无线通讯构建mesh无线主干网，位于控制室附近的多功能节点M1作为网关，把所有数据传输至PKS控制系统，进行数据集成。北滩油库计量系统现场附近安装一个多功能节点M5，有线接入北滩油库计量系统。M5可以通过无线骨干网络通讯，将数据传至无线网关M1，实现同西固油库控制系统的数据集成，从而使北滩油库PLC计量系统的数据以无线方式采集到PKS控制系统[3]。

4.3 重庆锦湖化工厂回转窑

重庆锦湖化工厂worlsey回转窑上有多个测温点，以往采用滑环的方式从转动的窑体上引出测温信号，由于接触不好，信号不稳定，影响测温效果，故采用无线方案。16台无线温度变送器自动选择同多功能节点M1、M2进行无线通讯，位于控制室附近的多功能节点M1作为网关，把所有数据传输至控制系统及无线管理平台，进行数据集成[4]。

图8 锦湖化工厂worlsey回转窑无线通讯结构

5 OneWireless启动套件

霍尼韦尔的OneWireless启动套件（见图9）为您全面介绍了霍尼韦尔工业无线解决方案，该启动套件包括两个霍尼韦尔XYR 6000无线变送器，可支持在传统硬接线变送器执行起来相当昂贵、困难或耗时的区域提供自动监视功能。如果您希望在该套件所包含的变送器中另外增加传感器，还可以增加表压、绝压、差压、温度和腐蚀状况的设备。启动套件中包括一个与传感器进行无线通信的多功能节点，从而构成一个可控制的、安全的冗余无线网络。此外，多功能节点还与霍尼韦尔基于PC的无线服务器相连接，提供了组态性能，并实现了与控制系统之间的通信。

图9 OneWireless启动套件

通常一个OneWireless启动套件的现场安装调试时间只需20min。

参考文献：

[1] 王平，王泉，王恒，魏曼.工业无线技术ISA100.11a的现状与发展李勇[J].中国仪器仪表，2009，10：59~63.

[2] 胡伯琪.工业无线（无线变送器）在镇海炼化8公里乙烯运输管线项目的应用[J].自动化博览，2009，7：47~51.

[3] 胡正钧，江天生.霍尼韦尔公司OneWireless工业无线方案：中石油西北销售公司西固油库工业无线解决方案[J].自动化博览，2010，6：48~50.

[4] 江天生.霍尼韦尔公司工业无线方案.Honeywell公司网站.

[5] 江天生.一个无线平台支持多种应用和多种通讯协议的现场仪表[J].中国仪器仪表，2009，4：44~48.

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）、"流程行业无线通信技术及应用"（2015年）三本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。