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    摘要：隨著無線技術(shù)的迅速發(fā)展，在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a及無線解決方案，霍尼韋爾基于ISA100.11a工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的解決方案在大型石油化工罐區(qū)自動化的應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)；MESH主干網(wǎng)；無線網(wǎng)關(guān)；冗余路徑；無線儀表

   Abstract:With the rapid development of wireless technology, it is applied in the field of industrial automation more and more widely.   This paper introduces the ISA100.11a, a standard of industrial wireless technology, and its wireless solutions. As an application example, it also introduces the Honeywell solutions based on the industrial wireless standard ISA100.11a in the tank farm automation of large petrochemical.

    Key words:Industry wireless standard; Mesh network; Wireless gateways;   Redundant path; Wireless instruments

    某大型石油化工企業(yè)在大型乙烯項目中配套三個罐區(qū)，設(shè)計階段業(yè)主和設(shè)計單位對罐區(qū)的建設(shè)自動化和成本控制等課題進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研和論證，考慮到傳統(tǒng)罐區(qū)大量線纜布置，維護(hù)和擴(kuò)展成本高等因素，本著資源節(jié)約和環(huán)境友好的建設(shè)方針，采用工業(yè)無線技術(shù)簡潔的安裝布置和易操作的調(diào)試、維護(hù)、擴(kuò)展等獨(dú)特優(yōu)勢提升罐區(qū)自動化水平，節(jié)省建設(shè)投資成本。下面詳細(xì)介紹這個案例。

    1　工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a簡述

    ISA100.11a工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由國際自動化學(xué)會(ISA)下屬的ISA100工業(yè)無線委員會制定， 是開放的、面向多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。主要特征包括:提供過程工業(yè)自動應(yīng)用服務(wù)；使用隧道和映射技術(shù)，ISA100.11a能簡單地通過無線介質(zhì)傳輸各種應(yīng)用協(xié)議；主干網(wǎng)路由機(jī)制通過高效的主干網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)信息，減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時優(yōu)勢明顯；靈活的時隙長度和超幀長度等。

    ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)將各種傳感器以無線方式集成到工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，是工業(yè)傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的多功能標(biāo)準(zhǔn)，為工業(yè)應(yīng)用提供可靠安全的方案。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用五層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層等，如圖1所示。

                            
                                圖1 ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

    （1）應(yīng)用層(Application Layer, AL)

    應(yīng)用層包括應(yīng)用子層、用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理器進(jìn)程。用戶應(yīng)用進(jìn)程是一個設(shè)備內(nèi)的所有應(yīng)用對象的總和。在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中，一個設(shè)備只能通過應(yīng)用子層(ASL)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)與其它設(shè)備進(jìn)行通信。應(yīng)用子層不包含任何用戶應(yīng)用，只提供用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理進(jìn)程各種服務(wù)，ISA100.11a中有7種服務(wù)，分別為讀、寫、發(fā)布、執(zhí)行、隧道、報警和報警接收等。

    （2）傳輸層(Transport Layer, TL)vvv傳輸層提供端到端的通信服務(wù)，負(fù)責(zé)傳輸層幀頭的裝載和解析，傳輸層的安全和信息庫的管理。傳輸層支持UDP協(xié)議，實現(xiàn)設(shè)備與其他網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編址和網(wǎng)絡(luò)的互通，支持IPv6。

    （3）網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer, NL)

    網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)選擇合適的網(wǎng)間路由和交換結(jié)點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)及時傳送。網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)鏈路層提供的幀組成數(shù)據(jù)包，包中封裝有網(wǎng)絡(luò)層包頭，其中含有邏輯地址信息源站點(diǎn)和目的站點(diǎn)地址的網(wǎng)絡(luò)地址。由尋址、路由、分段與重組、管理服務(wù)等功能模塊構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)面向工業(yè)應(yīng)用的端到端的可靠通訊。

    （4）數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer, DLL)

    數(shù)據(jù)鏈路層包括IEEE 802.15.4的MAC子層、 ISA100.11a的MAC擴(kuò)展層和數(shù)據(jù)鏈路層上層。IEEE 802.15.4的MAC子層通過數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)(MLDESAP)和管理服務(wù)訪問點(diǎn)(MLMESAP)給ISA100.11a的MAC擴(kuò)展層提供了服務(wù)接口。ISA100.11a的MAC擴(kuò)展層主要負(fù)責(zé)時間同步、跳信道和通信調(diào)度，提供點(diǎn)對點(diǎn)的重傳機(jī)制，TDMA和CSMA信道訪問機(jī)制，在兩個對等的ISA100.11a的MAC擴(kuò)展層實體之間提供一個可靠的通信鏈路。數(shù)據(jù)鏈路子層(DLL) 通過數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn) (DLDESAP) 給網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)接口，通過管理服務(wù)訪問點(diǎn) (DLMESAP) 給系統(tǒng)管理器或設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)接口。DLL子層主要負(fù)責(zé)DLL幀頭的裝載和解析、DLL層的安全、ISA100.11a DL子網(wǎng)內(nèi)的路由、鄰居發(fā)現(xiàn)及 ISA100.11a的MAC擴(kuò)展層的時間同步、跳信道和通信調(diào)度能夠正常工作。

    （5）物理層(Physical Layer, PHY)

    物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)(PLDESAP)和物理層管理服務(wù)訪問點(diǎn)(PLMESAP)給IEEE 802.15.4的MAC子層提供了服務(wù)接口。物理層主要功能有激活和休眠射頻收發(fā)器，發(fā)射功率控制，信道能量檢測(ED)，檢測接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(Link Quality Indication, LQI)，空閑信道評估(Clear Channel Assessment, CCA)和收發(fā)數(shù)據(jù)。

    每一層定義了兩種服務(wù)實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體(Data Entity, DE)和管理服務(wù)實體(Management Entity, ME),DE用于為上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，ME用于提供管理服務(wù)，相應(yīng)地有兩種服務(wù)訪問點(diǎn)(Service Access Point, SAP)，分別是數(shù)據(jù)服務(wù)實體訪問點(diǎn)(DESAP)和管理服務(wù)實體訪問點(diǎn)(MESAP)。上層通過DESAP使用下層提供的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，定義一個具有管理功能的實體設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程 (Device Management Application Process, DMAP) 來統(tǒng)一地訪問各層的MESAP，從而對協(xié)議棧各層進(jìn)行管理和配置；系統(tǒng)管理器下發(fā)的管理信息都通過設(shè)備的DMAP對本設(shè)備的每一層進(jìn)行管理和配置；在一個設(shè)備中，DMAP會設(shè)置一個專門的通道通向較低的協(xié)議層，對這些層的操作提供直接的控制，并且能對診斷和狀態(tài)信息提供直接的接口。

    ISA100.11a支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌缧切屯負(fù)洹⒕W(wǎng)狀拓?fù)涞取Ｐ切途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，容易實現(xiàn)，實時性高。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，便于配置和擴(kuò)展，同時具備良好的穩(wěn)定性。為了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入了主干網(wǎng)，主干網(wǎng)是一個高速網(wǎng)絡(luò)，可以減小數(shù)據(jù)時延。所有現(xiàn)場設(shè)備通過主干路由器接入主干網(wǎng)，現(xiàn)場設(shè)備和主干路由器組成的網(wǎng)絡(luò)為ISA100.11a DL子網(wǎng)。

    2　基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)解決方案

    工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a所構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)架由5個單元組成：

    （1）無線管理平臺

    無線管理平臺是用戶和工程師與ISA100.11a系統(tǒng)交互的平臺，包括安全管理平臺和系統(tǒng)管理平臺。安全管理平臺支持授權(quán)設(shè)備，對即將加入工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備進(jìn)行物理授權(quán)；同時管理每個設(shè)備的主要安全密鑰并為每個密鑰制定安全策略。系統(tǒng)管理平臺管理包括設(shè)備和通信在內(nèi)的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)策略控制網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行組態(tài)，監(jiān)控和報告通信組態(tài)、性能和運(yùn)行狀態(tài)，并提供與時間相關(guān)的服務(wù)。

    （2）無線網(wǎng)關(guān)(Gateway)

    無線網(wǎng)關(guān)提供無線管理平臺和網(wǎng)絡(luò)的接口，也是無線網(wǎng)絡(luò)與工廠網(wǎng)絡(luò)或工廠網(wǎng)絡(luò)的終端應(yīng)用之間的接口。一個ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可存在有多個網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)用于該標(biāo)準(zhǔn)與其他通信標(biāo)準(zhǔn)之間的通信轉(zhuǎn)換，充當(dāng)ISA-10011a與其他協(xié)議（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的轉(zhuǎn)換器。

    （3）無線主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

    無線主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也稱作多功能節(jié)點(diǎn)，是ISA100.11a主干網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)主干網(wǎng)中的數(shù)據(jù)路由，相互無線通訊，構(gòu)建無線主干網(wǎng)絡(luò)，并支持同現(xiàn)場無線儀表的無線通訊。主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元，支持主干網(wǎng)絡(luò)傳輸本地內(nèi)嵌式的ISA100.11a協(xié)議。主干網(wǎng)是一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，包括工業(yè)以太網(wǎng)、基于IEEE 802.11的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、Wi-MAX網(wǎng)絡(luò)等。

    （4）現(xiàn)場無線設(shè)備

    現(xiàn)場無線設(shè)備分為無線I/O設(shè)備和無線路由設(shè)備兩種。無線I/O設(shè)備是安裝在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入或輸出的現(xiàn)場儀表，包括無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線雷達(dá)液位計和無線腐蝕變送器等。無線路由設(shè)備具有路由功能，可從其他ISA100.11a I/O 設(shè)備接收到數(shù)據(jù)，并無線路由到其它ISA100.11a設(shè)備，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通訊范圍，實現(xiàn)無線通訊路徑冗余設(shè)計。無線路由設(shè)備也可以是無線I/O設(shè)備，可以自己采集過程數(shù)據(jù)，并無線傳輸，而且同時可為其他I/O設(shè)備進(jìn)行路由。現(xiàn)場路由器除了具有傳感器/執(zhí)行器外，還具有路由功能，可在ISA100.11a DLL子網(wǎng)內(nèi)，路由終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

    （5）便攜式組態(tài)工具

    便攜式組態(tài)工具用于組態(tài)配置ISA100.11a無線設(shè)備，即物理授權(quán)，將所需的組態(tài)數(shù)據(jù)（包括安全密鑰）輸入無線設(shè)備使其可加入到無線網(wǎng)絡(luò)。便攜式設(shè)備是訪問ISA100.11a系統(tǒng)的設(shè)備，用于現(xiàn)場維護(hù)與配置設(shè)備。其典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

                         
                                 圖2 基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案符合開放的ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，是一個多功能的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，由多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個快速通訊的無線MESH主干網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場無線變送器可自動選擇與任何一個多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，整個無線網(wǎng)絡(luò)自組織自愈合。支持多種無線應(yīng)用，包括無線變送器（如溫度、壓力、閥位、雷達(dá)液位計等）、WiFi設(shè)備、移動工作站、煙氣探測等；支持多種通訊協(xié)議，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

    3　大型石油化工罐區(qū)自動化無線技術(shù)應(yīng)用

    3.1　無線技術(shù)解決方案

    某大型石油化工罐區(qū)自動化無線儀表系統(tǒng)由原料罐區(qū)、中間罐區(qū)和產(chǎn)品罐區(qū)3個區(qū)域組成，包括溫度和壓力共276測點(diǎn)。在3個罐區(qū)安裝共21臺多功能節(jié)點(diǎn)和7對冗余網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建快速通訊的三個無線MESH主干網(wǎng)絡(luò)。

    （1）在原料罐區(qū)現(xiàn)場設(shè)置7臺多功能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場機(jī)柜間內(nèi)的2對冗余網(wǎng)關(guān)共11臺主干網(wǎng)路由設(shè)備構(gòu)建無線MESH主干網(wǎng)絡(luò)，覆蓋原料罐區(qū)的67臺無線壓力變送器和22臺無線溫度變送器；

    （2）在中間罐區(qū)現(xiàn)場設(shè)置6臺多功能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場機(jī)柜間頂上2對冗余網(wǎng)關(guān)共10臺主干網(wǎng)路由設(shè)備構(gòu)建無線MESH主干網(wǎng)絡(luò)，覆蓋中間罐區(qū)的33臺無線壓力變送器和38臺無線溫度變送器；

    （3）在產(chǎn)品罐區(qū)現(xiàn)場設(shè)置8臺多功能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場機(jī)柜間頂上3對冗余網(wǎng)關(guān)共14臺主干網(wǎng)路由設(shè)備構(gòu)建無線MESH主干網(wǎng)絡(luò)，覆蓋產(chǎn)品罐區(qū)的75臺無線壓力變送器和45臺無線溫度變送器。

    無線壓力變送器和無線溫度變送器自主選擇多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，所有無線變送器只需1跳Hop即可連接到快速通訊的無線MESH主干網(wǎng)絡(luò)，路由選擇優(yōu)化機(jī)制使其能夠始終采用與周邊多功能節(jié)點(diǎn)中最優(yōu)的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，自組織和自愈合的網(wǎng)絡(luò)特性使其能夠有效的避免故障以及提高快速恢復(fù)能力，無線變送器的刷新速度根據(jù)工藝要求靈活設(shè)置，譬如泵出口壓力變送器均設(shè)定為1秒，罐頂?shù)膲毫ψ兯推髟O(shè)定為10秒，無線溫度變送器設(shè)定為30秒等。

    三個罐區(qū)的無線儀表系統(tǒng)分別獨(dú)立，由各自的無線工作站管理無線網(wǎng)絡(luò)的通訊和安全，由各自的無線工作站對無線網(wǎng)關(guān)、多功能節(jié)點(diǎn)和無線變送器等無線設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程在線組態(tài)和診斷。各個罐區(qū)的無線網(wǎng)關(guān)連接到各個現(xiàn)場機(jī)柜間獨(dú)立的無線交換機(jī)，通過無線防火墻連接到DCS系統(tǒng)的二層容錯以太網(wǎng)（FTE）交換機(jī)；所有的無線設(shè)備在各個現(xiàn)場機(jī)柜間里與現(xiàn)場儀表設(shè)備管理系統(tǒng)（FDM）客戶端建立HART數(shù)據(jù)通訊，提供與FDM的通訊接口，實現(xiàn)對無線儀表系統(tǒng)的管理。無線儀表系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成采用Modbus TCP的通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

                     
                                 圖3 罐區(qū)無線儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    3.2　無線技術(shù)解決方案的信息安全

    冗余網(wǎng)關(guān)和MESH主干網(wǎng)的設(shè)計保證工業(yè)等級的可靠。主備網(wǎng)關(guān)無擾切換確保數(shù)據(jù)不丟失，主網(wǎng)關(guān)和備網(wǎng)關(guān)無需安裝在同一物理位置，只要處于同一網(wǎng)絡(luò)即可，當(dāng)主網(wǎng)關(guān)故障或手動切換時觸發(fā)冗余切換，主網(wǎng)關(guān)和備用網(wǎng)關(guān)的IP地址自動更換，備用網(wǎng)關(guān)成為主網(wǎng)關(guān)承擔(dān)通訊的任務(wù)；MESH主干網(wǎng)絡(luò)中的每個多功能節(jié)點(diǎn)均可發(fā)送和接收信號，當(dāng)無線環(huán)境發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)路徑會根據(jù)時延、吞吐量和噪聲等因素進(jìn)行重新評估，MESH主干網(wǎng)會自動地進(jìn)行自我調(diào)節(jié)將性能維持在最佳性能，網(wǎng)絡(luò)快速自組織和自愈合有效保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；現(xiàn)場無線變送器選擇最優(yōu)的多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，選擇冗余的備份通訊路徑確保通訊鏈路信息安全。

    直接序列/跳頻混合擴(kuò)頻技術(shù)有效保障無線網(wǎng)絡(luò)無擾運(yùn)行，它集合了跳頻通訊技術(shù)FHSS較強(qiáng)的抗定頻干擾的能力和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS的隱蔽性和抗多頻干擾的能力，以及它們共有的較高的通訊安全保密性等特點(diǎn)，具有多址接入和較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)勢，與其它無線網(wǎng)絡(luò)友好共存，同時能夠有效避免現(xiàn)場大功率的電氣設(shè)備的干擾，確保無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠。

    端到端的一體化安全措施確保工業(yè)等級的安全。無線網(wǎng)絡(luò)的安全措施包括端對端的數(shù)據(jù)通訊，自動數(shù)據(jù)重傳請求，數(shù)據(jù)包的加密，CRC碼校驗，數(shù)據(jù)源驗證，抵抗網(wǎng)絡(luò)拒絕服務(wù)攻擊以及組態(tài)安全保護(hù)等。整個無線儀表采用一套完整的密鑰授權(quán)認(rèn)證系統(tǒng)，專用的授權(quán)設(shè)備和軟件數(shù)據(jù)庫確保密鑰系統(tǒng)的唯一性和保密性。

    無線系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)之間配置無線防火墻確保有線控制網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的安全。無線防火墻支持Experion控制系統(tǒng)把控制網(wǎng)絡(luò)延伸至無線網(wǎng)絡(luò)并保證高度安全；無線防火墻安裝在無線交換機(jī)和FTE交換機(jī)之間；無線防火墻是預(yù)組態(tài)好的，即插即用；無線防火墻只允許無線 I/O 數(shù)據(jù)雙向通過，阻隔不必要的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和垃圾信息，保護(hù)FTE網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，避免有害網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、病毒、通訊中斷和數(shù)據(jù)丟失等。

    3.3　無線儀表系統(tǒng)的實施

    無線儀表系統(tǒng)的實施內(nèi)容包括現(xiàn)場勘查落實無線解決方案的細(xì)則，安裝無線操作站，配置無線主干網(wǎng)路由設(shè)備，組態(tài)無線網(wǎng)關(guān)和所有的無線變送器，授權(quán)所有的無線設(shè)備，現(xiàn)場安裝和調(diào)試，與PKS系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表設(shè)備管理系統(tǒng)（FDM）數(shù)據(jù)集成等。

    MESH主干網(wǎng)路由設(shè)備安裝位置對于無線儀表系統(tǒng)的實施尤為重要，其合理性直接影響到與無線變送器的通信質(zhì)量，多功能節(jié)點(diǎn)的使用數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等因素。在安裝過程中遵循安裝位置有開闊的視野，與網(wǎng)關(guān)和其他主干網(wǎng)路由設(shè)備之間的第一菲涅耳區(qū)域（Fresnel Zone）最少60％的范圍內(nèi)沒有阻擋物，提供視距傳播，增加設(shè)備覆蓋范圍，減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量；主干網(wǎng)路由設(shè)備設(shè)置在所覆蓋無線儀表的中心，和覆蓋區(qū)域的任意無線儀表建立良好的連接；依據(jù)多功能節(jié)點(diǎn)的射頻發(fā)射功率和接收靈敏度，兩個多功能節(jié)點(diǎn)使用標(biāo)配天線時有效通訊距離可達(dá)1公里，采用高增益天線時可達(dá)10公里；還應(yīng)考慮多功能節(jié)點(diǎn)所處位置的防爆等級，多功能節(jié)點(diǎn)的防爆認(rèn)證等級為1級2區(qū)，在更高級別的防爆區(qū)域必須安裝在防爆箱內(nèi)等。

   無線變送器的天線與就近的主干網(wǎng)路由設(shè)備可視，當(dāng)測點(diǎn)處于與任意主干網(wǎng)路由設(shè)備的連接被嚴(yán)重阻隔時，可使用延長電纜和高增益天線的方式；無線儀表與多功能節(jié)點(diǎn)均采用標(biāo)配天線時可傳輸610米，采用高增益天線時可達(dá)4公里；全向天線保持豎直方向的通訊效果最佳，定向天線需要調(diào)準(zhǔn)最佳的通訊方向；無線溫度和壓力變送器使用電池供電，無需外接24V直流電源，供電單元采用本安設(shè)計，無線變送器采用隔爆，無線變送器的防爆認(rèn)證等級為1級1區(qū)。現(xiàn)場安裝如圖4所示。

                       
                                        圖4 現(xiàn)場安裝圖示

    無線儀表系統(tǒng)的調(diào)試界面友好方便易懂，IE瀏覽器的方式訪問多功能節(jié)點(diǎn)頁面，可以修改多功能節(jié)點(diǎn)的IP地址、通訊頻率和通信密鑰等重要參數(shù)；專用的無線系統(tǒng)授權(quán)認(rèn)證系統(tǒng)有效保證無線網(wǎng)絡(luò)的安全，授權(quán)設(shè)備PDA簡單易操作，對無線網(wǎng)關(guān)、多功能節(jié)點(diǎn)和所有的無線變送器進(jìn)行授權(quán)，經(jīng)過授權(quán)的無線設(shè)備才能融入到無線儀表系統(tǒng)與其他無線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；無線軟件組態(tài)無線網(wǎng)關(guān)和無線變送器，設(shè)置位號、量程范圍、刷新速率和傳感器的類型等重要參數(shù)；無線網(wǎng)絡(luò)管理與診斷工具能實時監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的狀況，檢測無線變送器與多功能節(jié)點(diǎn)以及多功能節(jié)點(diǎn)之間的無線通訊的信號強(qiáng)度和通訊質(zhì)量等參數(shù)。無線儀表系統(tǒng)監(jiān)視管理畫面如圖5所示。

                      
                                      圖5 無線儀表系統(tǒng)監(jiān)視管理畫面

    無線儀表系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成采用Modbus TCP協(xié)議，冗余的無線網(wǎng)關(guān)作為控制器將數(shù)據(jù)傳輸給DCS服務(wù)器，并且在DCS流程圖畫面上顯示實時PV值及歷史趨勢等，如圖6所示。無線網(wǎng)關(guān)提供與現(xiàn)場儀表設(shè)備管理系統(tǒng)FDM的HART通訊接口，各個罐區(qū)的無線儀表系統(tǒng)與現(xiàn)場機(jī)柜間的FDM客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所有無線設(shè)備的過程參數(shù)和診斷信息在資產(chǎn)管理平臺實時監(jiān)測。

                     
                                        圖6 DCS流程圖畫面

    4　結(jié)束語

    實踐證明，工業(yè)無線解決方案在安裝調(diào)試的方便快捷和項目成本的節(jié)省等方面具有明顯優(yōu)勢：（1）節(jié)省大量I/O卡件、安全柵和線纜等硬件成本；（2）節(jié)省大量施工人力成本，無需敷設(shè)大量的線纜，無線變送器安裝簡單易操作；（3）節(jié)省大量的調(diào)試維護(hù)成本，設(shè)置量程范圍等參數(shù)、校驗無線變送器的精度以及故障診斷等工作都能在控制室操作，無需現(xiàn)場作業(yè)，調(diào)試簡單維護(hù)方便；（4）無線儀表擴(kuò)展方便，增加測點(diǎn)時直接安裝無線變送器，完成授權(quán)和軟件組態(tài)工作即可使用。

    隨著工業(yè)無線技術(shù)的日漸成熟，無線儀表系統(tǒng)將會深入到工業(yè)自動化領(lǐng)域的各個方面，工業(yè)無線技術(shù)將成為工業(yè)控制領(lǐng)域一個新的引擎。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] International Society of Automation. ISA100, Wireless Systems for Automation.

    [2] Honeywell. OneWireless Network - ISA100.11a-Compliant Wireless Mesh Network. 

    [3] Soroush Amidi. Introduction internal standard Industry wireless ISA-100.11a.

    作者簡介

    王愛華（1973-），女，山東菏澤人，大專學(xué)歷，現(xiàn)任中石化武漢乙烯公用工程分部和物資流通部區(qū)域儀表工程師，主管區(qū)域內(nèi)DCS、SIS及PLC的維護(hù)，并負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)現(xiàn)場儀表的維護(hù)管理工作，目前致力于研究無線儀表在罐區(qū)的應(yīng)用推廣項目。

    楊建新（1980-），男，四川平昌人，本科學(xué)士，霍尼韋爾公司高級無線工程師，主要研究方向為無線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。