【方原柏专栏】工业无线通信是推动自动化发展的关键技术

1  生产过程自动化信号传送技术的发展

作为无需布线的通信方式，工业无线通信近年来越来越被人们所青睐。工业无线通信技术是本世纪初新兴的无线通信技术，它面向仪器仪表、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，工业无线通信引领了工业自动化系统未来的发展方向，是推动自动化发展的关键技术。

我们可以回顾一下生产过程自动化中的信号传送，它经历了图1所示的发展过程，这可以概括为（见图1）：

由多类别信号到统一信号；

由气动信号到电动信号；

由模拟信号到智能数字信号；

由一对一传送到总线；

由有线到无线。

图1  生产过程自动化中信号传送技术的发展过程

其中信号传送类型的发展经历了多类别信号、统一模拟信号、统一数字信号，信号传送介质的发展经历了一对一传送、总线传送、无线传送。

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；统一模拟信号则为气动信号20kPa~100kPa，电动信号4~20mA；统一数字信号则为了HART协议、FF总线、Profibus总线等标准的数字信号。

一对一传送是指一台变送器（或一个检测参数）以一对一的模拟信号方式直接连接到监控系统，这通常是采用2根导线。

总线传送是指多台变送器（或多个检测参数）以多对一的数字信号方式直接连接到监控系统，这通常是采用1根通信总线，也就是说通过1根通信总线可以同时在多台变送器与监控系统之间双向传送数字信号。

无线传送是指除了网关设备与监控系统之间以有线方式互联外，网关设备与多台无线变送器之间是以无线方式传送数字信号。

工业无线通信技术是在现有智能数字仪表和现场总线技术基础上发展起来的最新技术，它不仅能传送现场设备（如各类变送器）的检测参数的测量值信号（如压力、温度的实时测量值）,还可以像HART有线仪表或总线仪表一样同时传送多种类型信息，如设备状态和诊断报警、过程变量的测量单位、回路电流和百分比范围、生产商和设备标签等。

在无需布线的前提下还能达到像一对一、总线等有线技术那样有效传送信息，因此工业无线通信代表了生产过程自动化信号传送技术的发展方向。

2  工业无线通信是联系现场仪表与控制系统的桥梁

回顾生产过程自动化中的信号传送，不得不提到RTU（Remote Terminal Unit，远程测控终端）和远程I/O，当控制系统从装置扩展到全流程、从工序车间级扩展到工厂级时，信号传送的距离通常由数十米延长到数百米以上，此时电缆、电缆桥架的费用及其敷设费用将达到甚至超过现场设备的购置费，所以SCADA、DCS、PLC厂家就像后推出各种形式的RTU和远程I/O。这些设备从上世纪80年代开始应用，90年代迅速普及，随后出现的现场总线，特别是直接与现场仪表联系的FF、Profibus-PA也可以看成是一种RTU或远程I/O，只不过作为一个网段所能实际连接的现场设备数少得多。

一个小型无线通信网络通常包括网关和数台至数十台无线现场设备（见图2），它们之间采用无线通信，然后由网关以有线方式（例如Modbus、TCP/IP、OPC、以太网等）连接到控制系统。

图2  小型无线通信网络

较大规模的无线通信网络在网关和无线现场设备之间可能还包括多个接入点（包括网格接入点和根接入点），连接现场设备的数量可达到数百台（见图3）。

图3  包括多个接入点的较大规模的无线通信网络

由图2、图3可见，多台现场设备的信息集中起来通过网关，再以有线方式传递给控制系统，其功能就像一个RTU，或者说像一个远程I/O一样，起联系现场仪表与控制系统的桥梁作用。以这样的方式理解无线通信网络，我们就能清楚地了解无线通信网络在整个自动化过程中的地位和用途。当连接现场仪表与控制系统存在困难时，也许无线通信网络就是最好的解决办法。比如测点分散，被铁路、河流、建筑物分割；比如监视行进中轨道机车轴承的温度、装运化学品槽车的温度、旋转设备上的测温点；比如临时要增加测点而接线箱柜、系统I/O卡余量不足；比如改造项目时间紧迫等等，均可以考虑以工业无线通信网络作为优选解决方案。 

3  工业无线通信技术的三大国际标准

国际上目前引起业界广泛关注的工业无线通信标准主要有WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a。

WirelessHART通讯协议是2007年9月由HART通讯基金会发布， 2010年4月12日国际电工委员会(IEC)全票表决通过WirelessHART协议成为工业过程测量和控制领域的无线国际标准IEC 62591，这一新标准得到艾默生过程管理公司、ABB、E+H、MACTek、P+F和西门子在内的过程控制厂商的支持，在非营利机构HART通讯基金会的框架下开发完成。WirelessHART协议提供了一种低成本、低传输速率的兼容现有HART设备的无线解决方案，主要应用于过程工业监控、资产管理、在线测试和诊断等领域。

WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是一个工业过程自动化的无线网络规范，它是由中国国家标准化管理委员会提出，主要成员包括中科院沈阳自动化研究所、浙江大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、重庆邮电大学、上海工业自动化仪表研究所、北京科技大学、西南大学、中科博微公司、浙江中控集团、东北大学、大连理工大学等十余家单位，并得到中国工业无线联盟的支持。2011年10月14日，经国际电工委员会成员国投票，由我国负责制定的WIA-PA技术标准提案以100%的通过率，成为正式IEC62601国际标准。

ISA（International Society of Automation，国际自动化学会）的ISA100工业无线委员会是由终端用户和技术提供者组成，2009年9月，它所提出的工业无线标准ISA100.11a正式发布，2013年10月10日，ISA100.11a标准由国际电工委员会（IEC）批准，成为IEC国际标准62734。该标准得到霍尼韦尔、横河、埃克森美孚、GE、山武在内的过程控制厂商的支持，霍尼韦尔公司和横河电机推出全套产品，霍尼韦尔公司将其产品令名为OneWireless。

所以专家们用一句话概括了当前的局面是：工业无线，三足鼎立。

4  工业无线通信是一项成熟可靠的技术

4.1  从应用开始的时间看，已进入成熟阶段

从流程行业无线技术发展历程来看，2003~2006年间，小规模试验阶段经历了四年；然后从2007年开始商业推广，三大标准也几乎同时在中国市场应用；到目前为止，推广过程又经历了六七年，每一个标准在中国的用户数都达到数百个至上千个，应用的行业已经有石化、冶金、电力、煤炭、烟草、长距离管线、海上石油平台等各行各业（见图4）。从工业无线通信技术试验工作开始已经过去了十年时间，已进入产品的成熟期。

图4  近十年来工业无线通信标准制定前后工作的进展

4.2  从技术上看，应用了多种保证安全性的措施

如果工业无线通信没有很高的可靠性，工业过程是不会考虑采用无线系统的，无线系统必须得像有线系统一样可靠，才能够引起用户足够的关注。工业环境通常由许多钢制设备和建筑物组成，而这些钢制设备和建筑物会干扰无线信号的传输。此外，在工业环境中，大型设备或车辆常常会频繁地移动，导致现场条件不断地变化。各种各样的射频和电磁干扰的广泛存在，也在一定程度上影响通信的顺畅。

由于工业无线通信 采用了网状、星型及混合拓扑结构，所以它在网关、接入点和现场设备之间可提供多条冗余通信路径。它能检测到传输路径的恶化并自动修复，可以自动选择路径从而绕过障碍物；还采用了其他技术来保证通信的可靠性：跳频、可设置的传输功率、确定满足监测和控制应用需求的优先级机制等。

工业无线通信技术的三大国际标准均基于IEEE802.15.4的物理层，工作在ISM无需许可证的工业、科学、医学2.4GHz频带所指定的16个信道上，使用跳频扩频技术，单个数据包不是在固定在某一信道上传输信息，而是在整个频带的16信道中以准随机方式分布选择其中一个信道，那些时常受干扰或已被占用的信道将会列入信道黑名单被禁止使用。

工业无线通信技术采用很多安全措施来保障无线网络和数据的安全。这些安全措施有：

在数据链路层和网络层里同时使用了行业标准AES-128加密算法；

数据链路层的网络密钥用于认证每次数据传输；

在网络层，每次会话都有不同的密钥以加密和认证点对点通信；

每个设备都拥有各自的入网密钥，用于设备入网过程中的加密和认证；

网络还可以定义设备白名单或设备黑名单，白名单中的设备允许加入该网络，而黑名单中的设备不允许加入该网络；

利用多种复用技术保证通信的可靠性，如时分复用、空间（路径）复用、频率复用等；

在网络的整个生命周期中，网络管理器会周期性更换网络中所有的密钥。

对于安全性要求特别高的工业无线通信网络，还可以做到对涉及信号传送过程所使用的设备、路径（如网关、接入点、通信路径等）全冗余配置。

4.3  从实时诊断手段上看，系统的可靠性可实时监控

实际生产现场的条件千变万化，我们一方面可以在项目实施前对现场进行调查，了解生产现场的测点、控制室及设备之间妨碍无线通信障碍物的状况，还可进行实际无线信号发送、接收信号强度、通信成功率、路径稳定性等相关指标的测试，从而更有针对性的选用网络设备（如天线型式、中继器数量位置、网关数量位置等等）。

但网络安装以后，通过工业无线网络配套的软件可以在控制室的操作员站的显示画面上实时监控工业无线网络的运行状况（见图5）。

图5  无线网络设备的基本信息显示画面

由图5可见，除了一些设备基础信息之外，涉及工业无线网络每台设备的运行状况指标，如节点状态、运行的邻居（可提供路由的相邻设备）、邻居数、维护要求、可靠性、路径稳定性、接收信号强度指示等都是判断无线设备通信是否正常的重要参数。通常情况下这些参数是稳定的不会有大的变化，说明其数据传送可靠、工作正常。万一不正常，也可以知道是什么问题，需要采取什么措施改进。所以无线设备的运行不是看不见摸不着的，而是可以实时监控的。

4.4  从措施上看，可随时采取措施对系统进行改进

如果发现无线通信所传送的数据有误或信息显示画面中的某些无线设备的运行指标达不到要求等问题后，在分析这些问题产生的原因（如在信息传送路径上出现新的障碍物、接收信号强度指示值低、电池电压低等）后，可立即采取措施（如移动网关位置、增加接入点、增加中继器、更换电池等），而这些措施通常不涉及增加管线敷设，工作量相对较小。

4.5  从实践中看，运行的效果满意

自工业无线通信技术的标准及相应的产品推出之后，亦经历了从饱受争议到逐渐被认可的过程，很多国内用户已经由开始时“无线可靠吗？”“无线安全吗？”的质疑态度，转变为“尝试一下吧！”的试试看态度，再转变为“还不错嘛！”的认可态度。目前三大国际标准已经投运的国内用户数量已经达到数百个至上千个，而已经订货准备投运的用户数量更多。

在云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂新建工程项目中，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。智能无线系统硬件包括4台1420无线网关，2台交换机，63台共90个测点的无线变送器（包括848T多点无线温度变送器、648单点无线温度变送器、3051S无线压力变送器）。多膛炉无线仪表从安装调试完毕后先于工艺设备投入运行，使用至今已安全工作一年半，系统运行稳定，从未出现过信号丢失的情况[1]。

江苏金翔石化三期油库储罐计量系统中，采用了常规罐区总线方式计量及无线方式计量的冗余方案，然后有线无线两套仪表的信号同时送控制室PCS7系统集中显示。有线无线两套仪表的数据长时间完全一致，验证了无线数据传送是可靠安全的[2]。

为验证无线变送器在现场的抗干扰能力、确保可靠稳定的工业等级的数据传输以及友好的共存能力，贵州电力试验研究院和霍尼韦尔公司于2009年5月7日在贵州省盘县电厂安装了霍尼韦尔公司OneWireless无线产品（2台多功能节点、2台无线温度变送器和1台无线模拟量输入变送器），并对运行状况进行了测试。测试结论是：无线变送器在电厂测试现场的工作状况正常、通信可靠稳定[3] 。

德国测量与控制标准委员会NAMUR于2009年11月提交一份报告，表示经过对ABB、艾默生过程管理、E+H、MACTek、P+F和西门子公司提供的无线通信技术WirelessHART设备的测试表明：WirelessHART通信具有灵活、安全、性能可靠、与其他无线电技术共存等特点，并且可以在同一个WirelessHART网络中与其他符合WireleeHART标准的设备进行互操作[4]。

5  工业无线通信技术符合节能减排的要求

作者根据搜集到的资料及我院工程项目的实际费用，曾对工业无线通信技术的总投资做过比较，大致可得到这样一些概念：

无线系统现场安装费用约节省80%~90%；

无线系统现场购置费用约增加10%~20%；

有线系统需增加控制系统I/O板卡费用，无线系统需增加网关费用，两者费用大体相当或无线系统能省一点；

无线系统总费用有较大的节省；

无线系统后期维护费用大大低于有线系统；

无线系统后期如需改造，其费用大大低于有线系统；

国产无线系统的费用远低于进口无线系统费用。

对于一般的新技术来说，其投资往往较以前的方案有大幅度的增加。而工业无线通信技术虽然在无线设备的投资上有所增加，但由于在管线及其敷设费用上节省较多，所以总费用会大幅度降低。

节省投资及节省大量含铜材料制成的电缆及大量钢材制成的各类桥架，也可以说间接地为节能减排作出贡献。

工业无线通信系统还可以将检测设备除直接检测参数外的大量信息（如设备状态和诊断报警、过程变量和测量单位、回路电流和百分比范围、生产商和设备标签等）同时传送到控制系统或资产管理系统，不仅可以对现场仪器仪表提供故障诊断、预测维护功能，而且可以报告与现场仪器仪表相关的工艺过程或工艺设备的健康状态，从而改善生产过程的操作性能。

6  中国是全球工业无线通信技术发展的主战场之一

我国工业无线技术的研发从本世纪初开始，是国际上最早开展研发与应用的国家之一，已被列为国家十一五“863”计划先进制造领域“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发”重点项目。拥有自主知识产权的WIA-PA技术成为国际标准，标志着我国在工业无线通信领域已经成为技术领先的国家之一。

此外，从2006年8月，中国重庆邮电大学加入了ISA100工业无线标准化工作委员会，开始参与ISA100.11标准的制定，获得ISA100 Voting Member（投票成员）表决权；2008年9月，向ISA100提交了几十条Comments（意见），ISA100.11a委员会完全接受其中的27条并已采纳列入ISA100.11a规范；2011年9月，重庆邮电大学与台湾达盛电子联合开发了全球第一款支持ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA三大主流工业无线国际标准的芯片UZ/CY2420渝“芯”一号。

从三大无线通信技术国际标准的应用来看，WIA-PA的用户主要在中国，但北京天宇蓝翔科技发展有限公司向印尼望加锡临海罐区提供了采用了WIA-PA工业无线网络的罐区满溢监控系统，为该港口的安全生产提供了保障，系统自2013年4月实施以来运行至今无故障[5]

2012年10月30日爱默生过程管理在全球用户大会上宣布有1万套 WirelessHART智能无线网络运行在全球运行，其中在中国有1000套[6]。

采用了ISA100.11a标准的OneWireless系统已在中石化镇海炼化、中石化青岛炼化、中石化武汉石化800kt/a、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、华东电力试验所电厂性能测试等用户。其中中石化武汉石化800kt/a  OneWireless系统的规模为237台无线变送器、22台多功能节点（包括5台主网关和5台冗余网关）[7]。

综上所述，从工业无线通信标准的制定来看，中国不仅制定了三大国际标准中的一个，还参与了其他国际标准的制定；从无线通信技术的实际应用来看，三大国际标准的产品在中国都有广泛的应用；从无线通信技术的产品来看，三大国际标准的产品中国都可以生产。因此我们可以这样说，中国是全球工业无线通信技术发展的主战场之一。

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”。