【方原柏专栏】横河电机工厂范围现场无线系统
编者按
横河电机一直积极参与工业无线系统标准的制定、产品开发和应用推广工作，2010年推出了第一套符合ISA100.11a的工业自动化无线通信的产品，2011年，又推出大规模、高可靠性、下一代、工厂范围的现场无线系统。本文重点介绍了横河公司现场无线系统主要产品、无线系统方案、无线系统与主机系统的集成。
1 概述
横河电机（YOKOGAWA）作为国际自动化仪表主流厂家之一，一直积极参与工业无线系统标准的制定、产品开发和应用推广工作，是ISA100理事会唯一的副主席和核心成员单位。2007年，首款无线设备开发成功；2008~2009年，进行了广泛的现场试验；2010年推出了第一套符合ISA100.11a的工业自动化无线通信的产品；2011年，又推出大规模、高可靠性、下一代、工厂范围的现场无线系统。新系统的配置更加灵活，并实现了全系统范围的冗余以及高可靠性。
为了满足用户的要求，横河电机基于以下三个概念开发现场无线系统产品：
● 可靠性：通过整合先进的无线技术和冗余技术，确保最终适用于控制级别的高可靠性应用。这种使众多的无线信号不易受干扰的可靠性是大型现场无线系统必需的。
● 灵活性：提供一个灵活的架构，设备可以自由安装或添加到大规模工厂的各个地点。
● 开放性：符合开放的ISA100.11a标准，这使得在广泛的领域，包括第三方的现场无线设备具备互操作性。
2 横河公司现场无线系统主要产品
横河公司现场无线系统主要产品有以下几种：YFGW410现场无线管理站、YFGW510现场无线接入点、YFGW610介质转换器、YFGW710现场无线综合网关、现场无线设备、现场无线管理器PC，其中前3个产品是2011年新开发的（见图1）。
现场无线管理站 现场无线接入点 现场无线介质转换器
图1 新开发的现场无线系统设备
2.1 YFGW410现场无线管理站
YFGW410现场无线管理站是一个现场设备，它用于大规模和高可靠性的无线系统。YFGW410现场无线管理站提供与主机系统连接的网关功能、设置和管理现场无线网络的系统管理功能（即系统管理器和安全管理器的功能），他通过YFGW510现场无线接入点连接现场无线设备。
对于外部通信，YFGW410现场无线管理站配备8个100BASE-TX端口，1个RS485口和一个RS-232C端口。3个100BASE-TX端口是上层（主机系统），4个端口是下层（现场无线骨干）和1个用于维护。对其他系统的通信端口内置浪涌保护电路，这允许YFGW410现场无线管理站安装在各种网络环境中，而不需要任何额外的网络设备或浪涌保护装置。
一台YFGW410现场无线管理站管理数量众多的现场无线设备，支持多个外部通信端口，YFGW410现场无线管理站使用一个微处理器，它比现有的现场无线系统设备高得多的计算性能，可实现多端口L2层交换机功能。通过采用最佳的电路板和电源设计，开发一种具有超强散热能力的独特散热片并仔细选择部件，这些特有高性能器件的功耗和发热量问题已经解决，所有这些措施使工作温度能够确保在-40°C～65°C较宽的范围内工作。
通过专用的同步电缆简单地相互连接YFGW410现场无线管理站即可实现冗余，两者将自动识别冗余结构和实现组态。在安装过程中或因维修需更换时，可以防止不正确的接线和设置。信号线进行数据同步复制。即使有一行断开时，现场无线系统，也可以继续运行不致断开。
2.2 YFGW510现场无线接入点
YFGW510现场无线接入点具有将现场无线设备连接到YFGW410现场无线管理站的功能。YFGW510现场无线接入点通过无线通信连接现场无线设备，而通过以太网或无线局域网连接YFGW410现场无线管理站。在YFGW510现场无线接入点内已安装现场无线接入点组态软件，该软件可对YFGW510现场无线接入点本身进行设置。
YFGW510现场无线接入点符合ISA100.11a标准的骨干路由器功能。在一个大型的现场无线系统里，YFGW510现场无线接入点必须覆盖尽可能多的现场无线设备。此外，多个YFGW510现场无线接入点需要安装在装置中的不同位置，包括危险区域，通过各种骨干网络通信接口与骨干网络进行通信。
YFGW510现场无线接入点采用的无线芯片和射频前端电路符合ISA100.11a标准和低功耗的要求，高性能32位单芯片微处理器在一块基板上，新产品设计带紧凑型隔爆外壳。单个YFGW510现场无线接入点能覆盖多达100台现场无线设备，也可以安装在危险区域的1区。
YFGW510现场无线接入点可以安装几种骨干通信接口的组件。可提供IEEE802.11a/b/g（无线局域网）、100BASE-TX和100BASE-FX的选择。甚至在YFGW510现场无线接入点与YFGW410之间布线困难的地方，可方便地安装无线局域网接口。但更倾向于通过现有的仪表电缆来实现YFGW510现场无线接入点的通信。
YFGW510现场无线接入点可以包括两个用于无线局域网的紧凑的、高性能的、低功耗的模块，通过观察通信质量，并自动切换使通信冗余，以实现一个高度可靠的无线局域骨干网。
2.3 YFGW610介质转换器
YFGW610介质转换器有将100BASE-TX（双绞线）转换成100BASE-FX（光纤光缆）的功能，当在室外或长距离连接现场无线管理站和现场无线接入点时使用现场无线介质转换器。
YFGW610介质转换器在YFGW410现场无线管理站和YFGW510现场无线接入点之间骨干通信的连接接口作连接转换，4端口的YFGW610介质转换器将YFGW410现场无线管理站低层的金属网络连接（100BASE-TX）的接口转换成与YFGW510现场无线接入点的远程光纤网络接口连接（100BASE-FX）。他具有50μs低延时，可实现高精度时间同步以及从-40°C到65°C很宽的工作温度范围。
2.4 YFGW710现场无线综合网关
YFGW710现场无线综合网关提供网关功能和系统管理器的功能，并直接连接现场无线设备，他是适用于小规模装置的现场无线系统设备。YFGW710现场无线综合网关有连接现场无线设备与主机系统的网关功能、现场无线网络的设置和管理功能，与主机系统链接采用Modbus/TCP通信协议，现场无线网络的设置和管理功能是由包括在现场无线综合网关里的现场无线组态器和现场无线的管理工具软件完成的。
2.5现场无线设备
现场无线设备符合ISA100.11a标准，主要产品有以下几类：
EJX-B系列无线差压/压力变送器
YTA510单点无线温度变送器
YTM580多点（8点）无线变送器（可接入热电偶、热电阻、mV、电阻、4~20mA）
其他符合ISA100.11a注册并通过标准一致性认证的无线现场设备
横河公司现场无线设备的刷新率可选1s~3600s（有资料介绍最快刷新率可选0.5s），电池寿命在在刷新率为10s时，不同的无线变送器大约在4~10年，在直接视线无障碍的条件下的标准天线传输距离可达600m。
2.6现场无线管理器PC
现场无线管理PC器设置和管理整个现场无线网络，现场无线管理PC器上安装的无线管理控制台软件程序是通过以太网与现场无线管理站连接，使现场无线管理站具有无线现场网络的系统组态功能和管理功能，即具有网关功能。
3 横河无线系统方案
3.1 早期小规模的现场无线系统
横河公司无线系统的早期方案应该是包括YFGW710现场无线综合网关、现场无线设备在内的，可接入最多10台（刷新率1s）或50台（刷新率5s）无线现场设备（见图2）。
图2 采用YFGW710现场无线综合网关的ISA100.11a无线系统
3.2 2011年新推出大规模的现场无线系统
而在2011年新推出大规模、高可靠性、下一代、工厂范围的现场无线系统时，新推出的产品主要是YFGW410现场无线管理站、YFGW510现场无线接入点、YFGW610介质转换器。并以YFGW410现场无线管理站加YFGW510现场无线接入点取代并扩展原有YFGW710现场无线综合网关的功能（见图3），这样的ISA100工厂范围无线解决方案系统规模大、扩展性好，1台YFGW410现场无线管理站可接入最多20台YFGW510现场设备接入点，通过YFGW510现场设备接入点的总接入点数在1s刷新率时可达200点，5 s刷新率时可达500点；可构成无线物理层的全冗余，即无线现场设备通信路径冗余、现场设备接入点YFGW510冗余、YFGW410现场无线管理站冗余以及这些设备之间、YFGW410现场无线管理站与装置控制系统之间通信冗余。
图3 横河公司ISA100.11a工厂范围的无线系统
4 横河无线系统与主机系统的集成
为了满足这些期望，横河电机开发了CENTUM VP R5.02分布式控制系统和OPC服务器R2.0以集成符合由国际自动化协会（ISA）提出的工业自动化无线通信标准ISA100.11a的现场无线设备。
将现场无线系统与CENTUM VP连接有两种方式：一是与通过子系统（FCS）通信，而另一个是通过通用子系统网关（GSGW）连接。
4.1 现场无线系统通过子系统通信
与子系统FCS的连接需要以太网通信模块（ALE111），ALE111的YFGW通信包要求CENTUM VP使用R4.02.30或更高的版本，在YFGW410现场无线管理站和CENTUM VP R5连接的情况下，CENTUM VP应该使用R5.02.00或更高的版本。
图4 通过子系统通信连接现场无线系统
与YFGW通信的基本功能如下：与YFGW410现场无线管理站通信时，通过YFGW410现场无线管理站使用Modbus/TCP通讯协议，从现场无线设备中获取和设置数据，发现现场无线设备的异常，然后发出报警到操作和监视屏幕上显示。
对数据更新，YFGW的通信功能可以从128台现场无线设备获取数据，并在一秒钟内发送他们到HIS。
YFGW通信连接的装置为YFGW410现场无线管理站或YFGW710现场无线综合网关，每一个ALE111连接装置的最多数量为4个，每一个ALE111连接现场无线设备的最多数量为128台。
4.2 现场无线系统通过通用子系统网关连接
与通用子系统网关GSGW连接需要现场无线OPC服务器。有了现场无线OPC服务器，OPC客户端可以监视现场无线设备的操作以及通过访问设备的参数来评估他们的功能和属性。
图5 通过通用子系统网关连接现场无线系统
5 结束语
横河电机的ISA100.11a的工业自动化无线通信系统是具有适应不同规模、不同要求的现场无线系统，其最终目标是不仅可用于数据监测，还可用于过程控制，虽然一般用户目前还不急于将无线过程监测数据用于控制，但该公司的产品性能如快速刷新率、可构成无线物理层的全冗余等特性无疑会吸引用户的关注，也许有朝一日，无线过程监测数据用于控制也会成为成熟的技术。
参考资料：
[1] Yoshio Yoshida, Masayuki Fukasawa, et al., “New Plant-wide Field Wireless System”,Yokogawa Technical Report English Edition, Vol. 55, No. 2, 2012, p45-48.
[2] Yasuyuki Nakamoto, Hiroyuki Saito, et al., “The Control System Integrated with Field Wireless Devices”, Yokogawa Technical Report English Edition, Vol. 55, No. 2, 2012, p49-52.
[3] Shuji Yamamoto, Naoki Maeda,et al., “World’s First Wireless Field Instruments Based on ISA100.11a”, Yokogawa Technical Report English Edition, Vol. 53, No. 2, 2010, p75-78.
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”。
