【方原柏专栏】ISA100.11a工业无线网络工程设计探讨

编者按

初步探讨了ISA100.11a工业无线网络工程设计的应用场合、无线网络的规模、设计要点和安装要点。介绍了ISA100.11a工业无线标准的形成和发展，而霍尼韦尔公司的OneWireless工业无线网络是与该标准兼容的最重要的解决方案。本文对OneWireless工业无线主干网络的设备构成、特点作了详细的论述。ISA100.11a是目前三个国际工业无线标准之一，由于得到霍尼韦尔、横河等国际知名自动化仪器仪表公司的支持，技术发展很快，在国内外工业企业中得到广泛的应用。

0 引言

工业无线一直是业界的热门话题，大家都对工业无线技术抱有很大的兴趣。作为无需布线的通信方式，工业无线通信技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一热点技术。他是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。ISA（International Society of Automation，国际自动化学会）下属的ISA100工业无线委员会是由终端用户和技术提供者组成，他所提出的工业无线标准ISA100.11a于2009年4月24日通过，这是ISA100标准族中的第一个标准，2009年9月正式发布。该标准得到霍尼韦尔、横河、埃克森美孚、GE、山武等国际性大公司的支持，其中霍尼韦尔公司对工业无线技术的研究和应用投入最大，早在2003年就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，2007年6月11日，霍尼韦尔宣布该公司的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，与稍后通过的ISA100.11a工业无线通信标准兼容，2010年6月推出OneWireless最新版本R200。其他厂家的产品中，我们在2011年8月30日开幕的第22届多国仪器仪表展上看到横河公司2010年7月推出的EJX-B系列无线差压/压力变送器、YTA系列无线温度变送器、FYGW710一体型现场无线网关。由于其他公司的产品品种少、推出时间较短，所以本文主要针对霍尼韦尔公司的工业无线网络介绍OneWireless系统的设备构成、特点，并就该系统的工程设计作了初步探讨。

1 OneWireless 工业无线网络的设备构成

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（如多功能节点）、无线管理平台组成的系统（见图1）。

图1 OneWireless工业无线网络的设备构成

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）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；无线管理平台（WDM）管理无线现场设备和无线网络，并实现与应用主机的通讯。

1.1无线现场设备

霍尼韦尔公司推出的无线现场设备的品种有两类，一类支持ISA100.11a工业无线现场设备，一类支持802.11Wi-Fi无线设备。

所支持的ISA100.11a工业无线设备包括：无线压力变送器（绝压、表压、差压）、无线温度变送器、无线腐蚀测量变送器、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、无线雷达液位计、无线阀门回讯变送器（定位器）、HART信号的无线转接模块。

所支持的802.11Wi-Fi无线设备包括：无线设备振动（健康状态）监测变送器、无线读表器、无线视频、移动工作站、无线巡检、可燃气体检测。

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；带探头的又分热电偶（TC）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；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为：1s、5s、10s、30s，未来可以达到0.25s的刷新速度。

现场无线仪表通过组态可执行或不执行路由功能。

1.2 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。

1.2.1多功能节点

一个或多个多功能节点（Multinode）（见图3）构建无线Mesh主干网络，无线现场设备可以自动选择与任何一个多功能节点进行无线通讯。

图3 多功能节点

Mesh主干网络支持多种应用，不仅支持同ISA100.11a无线现场设备的无线通讯，还支持802.11Wi-Fi无线设备如无线视频、Experion 移动工作站、标签扫描仪、无线巡检、无线设备振动（健康状态）监测变送器、无线读表器、可燃气体检测的无线通讯，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与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。

1.2.2 现场设备接入点

现场设备接入点（Field Device Access Point，FDAP，见图4）仅支持ISA100.11a工业无线现场设备的无线通讯，设置路由功能的无线现场设备不仅可以无线传输本身的数据，也可以为相邻的无线现场设备进行无线路由，并最终通过现场设备接入点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。

图4 现场设备接入点

1.3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、现场设备接入点和多功能节点等无线网络设备。无线管理平台承担无线现场设备网络网关、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，并存储组态无线现场设备所需的无线网络系统数据。他实现无线现场设备网络的安全管理，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。他还提供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。

无线管理平台功能也可以内嵌在DCS控制系统的组态工具中，支持无线现场设备在DCS控制系统中的内嵌式数据集成；同第三方DCS控制系统的数据集成时，应配置单独的采用标准通讯协议的无线管理平台。

2 OneWireless工业无线网络的特点

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；

• 现场无线设备的刷新速度快，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，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；

• 无线现场设备的路由功能选择提供了系统构成的灵活性；

• 扩展方便，规模可大可小；

• 支持移动设备如移动工作站、IntelaTrac PKS无线巡检设备等现场人员手持设备，以通过无线网络收集现场数据，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。

3 OneWireless工业无线网络系统工程设计

3.1 应用场合

· 以下应用场合最适合采用工业无线网络：测点分散，被铁路、河流、建筑物分割；危险区域；罐区储罐分散、无集中监控设备；现场移动作业的需要；系统布置要求更简洁、安全；改造项目时间紧迫。

· 采样刷新速度快，因此适用于要求采样刷新速度较高的工业无线网络；

· 过程工业为无线网络设定的参数标准共分0~5级，对应信息传输速度重要性由高到低，即0级要求信息传输速度最快；目前OneWireless工业无线网络主要用于5级的记录和下载/上传参数、4级的报警参数、3级的开环控制参数及2级的紧急程度不高的闭环监督控制参数；而属于1级的紧急程度高的闭环调节控制参数和0级的涉及过程安全的紧急动作参数，为可靠起见，目前暂不要采用，而应以4～20mA、HART、FF现场总线等方式传送；

· 无线现场设备、无线网关均为本安认证，可用在本安设备上，防护等级等于或高于IP66，现场无线设备还带隔爆认证；

· 现场设备接入点可以与无线现场设备通讯，而多功能节点既可以同无线现场设备通讯，也可以支持无线视频、移动工作站、振动监测等多种无线通讯，也支持有线接入PLC或其它以太网设备，进行无线转接。

3.2无线网络的规模：

· 一个无线网络最多可支持40个现场设备接入点/多功能节点，每个现场设备接入点/多功能节点都可以作为网关有线接入上位机系统，实现数据集成，一个无线网络可以有多个现场设备接入点/多功能节点同时作为网关；

· 现场设备接入点/多功能节点作为网关时，每个都可以带100台无线现场设备（1s刷新），现场设备接入点/多功能节点不作为网关时可以支持20台无线现场设备（1s刷新时）或80台无线现场设备（大于1s刷新时）；

· 无线网络的规模至少可以支持多达800台无线现场设备（1s刷新时）或3200台无线现场设备（大于1s刷新时）。

3.3设计要点

· 接入OneWireless工业无线网络的输入信号类型及采用的无线现场设备见表1

表1 接入WirelessHART的输入信号类型及采用的无线现场设备

· 通常需要得到有关的现场设备配置图，然后标出所需安装的无线仪表位置；当无线现场设备组态为不具有路由功能时，现场设备接入点、多功能节点之间同无线现场设备之间的无线的通讯距离根据天线类型不同为305m、610m、3km，2个现场设备接入点或多功能节点之间的通讯距离为1km，采用高增益天线时为10km；当无线现场设备组态为具有路由功能，两个无线现场设备之间的通讯距离可达400m；· 由于无线现场设备有作为路由器或不作为路由器的两种使用选择，当无线现场设备组态为不具有路由功能时，支持快速数据采集，可做到如1s的刷新采集和小于100ms的通讯时间滞后；当数据采集速度要求不快时，无线现场设备可以组态为具有路由功能，一些不能直接与网关无线通讯的无线现场设备可以借助其他无线现场设备的路由将信息传送到网关；

· 无线网关支持标准的通信协议，更支持同DCS的内嵌式数据集成，如与霍尼韦尔公司PKS Experion控制系统集成时，无线管理平台所有功能已经内嵌在DCS的组态工具中，不需要再接入无线管理平台；

· 作为控制应用的无线网络，网关必须冗余配置；

· 采用Modbus TCP/IP进行数据集成时，应配置即插即用的无线防火墙，确保网络安全；

· 现场设备接入点电源为24VDC、110/230VAC，多功能节点电源为24VDC，应由UPS供电。

3.4 安装要点

3.4.1 网关

1）安装位置尽可能的有开阔的视野，便于与其他多功能节点构建Mesh无线骨干网络以及与无线现场设备之间建立连接；

2）靠近DCS室或者装有有线接口的控制室；

3）防爆区域必须将网关置于防爆箱内；

4）易于提供220VAC电源；

5）网关可安装于抱杆上，高增益天线也必须安装在抱杆上，天线尽可能的装得高一些，但是必须在避雷针的45°角保护范围内；

6）抱杆所用材质为镀锌钢管，直径50mm左右，钢管壁厚不小于2mm；抱杆安装高出管架正上方或者就地机柜室外部墙体顶部1~2m，并距离墙壁等物体至少200mm以上；抱杆底部可焊接在管架上或者焊接在钢板上再用膨胀螺丝固定到楼顶，高度要求为2m，抱杆需良好接地；

7）从无线网关设备到上一级有线设备(交换机、路由器等)之间的网线不可以超过100m。

3.4.2 不作为网关的多功能节点、现场设备接入点

1）应满足3.4.1节中3）~6）点要求；

2）当无线现场设备组态为不具有路由功能时，安装位置尽可能的有开阔的视野和该节点覆盖的所有的无线现场设备的中心，以便于与网关或其他需要建立无线连接的多功能节点尽可能的保持可视；如果没有直达路径，非视距路径也可以通过反射或折射覆盖，但是覆盖范围将缩小，需要较多的站点才能满足覆盖；

3）当无线现场设备组态为具有路由功能时，多功能节点、现场设备接入点不要求与每一台无线现场设备保持可视；

4）节点选择还应考虑干扰的影响，如果所选站点附近存在干扰，应该选择其他位置或者把干扰的影响限制在极限范围之内。

3.4.3 无线现场设备

1）当无线现场设备组态为不具有路由功能时，无线现场设备的天线应该尽可能的与所指定的多功能节点、现场设备接入点可视；

2）当无线现场设备组态为具有路由功能时，无线现场设备的天线应该能与其他相邻的至少3台无线现场设备可视；

3）全向天线保持竖直方向的通讯效果最佳。定向天线需要调准最佳的通讯方向。

4 结束语

工业无线通信技术的标准目前的现状是：工业无线，三足鼎立。除中国国家标准化管理委员会提出的WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation) 工业过程自动化的无线网络规范外，OneWireless与WirelessHART是国外主流厂家推出的两个重要的工业无线通信技术标准。

据介绍，OneWireless系统在中国的应用已经有数十个，如中石化镇海炼化、中石化青岛炼化、中石化武汉石化800kt/a乙烯、中石化武汉石化能源改造、中石化巴陵石化、中石油大连石化、中石油西固油库、重庆锦湖化工厂、广州珠江水泥厂、申能上海临港电厂燃气电站、中国EPC油库、中联煤层山西沁县气田、华东电力试验所等等。其中中石化武汉800kt/a乙烯无线通信项目由237台无线现场设备、22台多功能节点（包括5台网关和5台冗余网关）及Experion Server内嵌无线管理平台组成。

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解决方案的网络特点： 克持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表[J].自动化博览，2010，2：36~38.

[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.

[6] 宋慧欣. 工业无线，潜力无限[J].自动化博览，2011，3：32~35.

[7] Madanmohan Rao.无限你的无线[J]. Control Engineering ASIA, 2011，1~2:6~9.

[8] 霍尼韦尔过程控制部. OneWireless (R200) 工业无线介绍[J].自动化博览，2010，9：52~53.

[9] Jeff Becker .Ready for Wireless? [J]Becoming Wireless.2008,1:4.

[10] 江天生. 霍尼韦尔公司针对工业无线应用的OneWireless解决方案[J]：用户期刊，2010.3：6~9.

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”。