流程行业无线技术应用发展综述

2013-07-26方原柏

自动化仪表 2013年2期

方原柏

(昆明有色冶金设计研究院，云南昆明 650051)

0 引言

早期的无线技术作为有线技术的补充，只是单纯的通信手段，以解决长距离数据传输为目的，多为点对点通信。到了21世纪初，无线技术以解决低成本的信息获取为目的，实现大规模网络化，力图推动工业测控方式的变革。当前，无线传输技术包括蓝牙、ZigBee、超短波数传电台、WiFi、GPRS等。在工业生产过程测量和控制领域，引起业界广泛关注的工业无线通信标准有 Wireless HART、ISA100.11a和 WIA-PA。

1 信号传送发展历程

回顾20世纪的发展，工业生产过程测量和控制的信号传送方式大致经历了如下发展过程:①由多类别信号到统一信号;②由气动信号到电动信号;③由模拟信号到智能数字信号;④由一对一传送到总线传送;⑤由有线到无线，如图1所示。

图1 工业生产中信号传送的发展过程Fig.1 Development process of the signal transmission modes in industrial production

2 流程行业无线技术

无线技术是节能环保、节省投资和运营费用、提高效率的新技术，所以它是工业测控系统领域的革命性技术。流程行业无线技术无需大量敷设导线、穿线管、电缆桥架，可以节省大量的铜、钢材等原材料;现场设备的长期持续供电可以由断续供电且通电时间占比非常小的电池取代，节能效益显著;设计、安装施工、投运工作量大大减少，时间大大缩短。

以昆明有色冶金设计研究院的某工程项目为例，其设计方案采用常规有线设备，图纸目录如表1所示。如设计方案采用无线设备，表1中序号为12～19的图纸可以省去，从而使图纸张数减少46%，总图幅减少42%，这样就省去了部分布线复杂、容易出错、耗费精力的图纸，从而减少了工作量。

对于自控工程安装施工队来说，采用无线设备后，导线、穿线管、电缆桥架的施工量可以减少80% ～90%，大量的耗费体力甚至需要高空作业的工作可以精简，投产前核对信号线的工作也得以简化;而对于现场维护人员，少了许多接线柜、接线箱、敷设电缆、搭建桥架等工作，维护工作量大大减少。

表1 某工程项目图纸目录Tab.1 Directory of the drawings for a certain engineering project

近年来，一个新的提法——工业无线技术提高工厂效率，引起业界人员的广泛关注。这是因为之前提到工业无线技术的优点时，更多强调的是可避免硬接线的成本;而在工业无线技术投入运行之后，工厂管理人员、自控维护人员、生产操作人员更深刻体会到其最大的优点是提高工厂效率。比如对以前难以传送到控制室的参数实现监控;检测参数的增加几乎随时可以实现，系统扩展更快速便利;当操作人员离开控制室时，可以借助移动工作站和巡检设备进行操作;硬接线的现场普通仪表升级为智能仪表(带远程维护、远程自诊断功能)。

3 流程行业无线技术的三大国际标准

3.1 三大国际标准

目前在工业生产过程测量和控制领域，引起业界广泛关注的工业无线通信标准主要有:以美国Emerson Process公司主导的 Wireless HART(HART通信基金会的规范)、以美国 Honeywell公司主导的ISA100.11a(美国 ISA学会的标准，产品名称为OneWireless)、中国工业无线联盟提出的WIA-PA。

3.2 三大国际标准的发展和融合

三大国际标准虽然采用的技术路线不同，但由于无线技术是全新的通信技术，所以各个标准之间虽有差异，但也能相互沟通、相互融合。如美国Honeywell公司2003年推出采用ZigBee无线网络的XYR 5000压力变送器，载频为915 MHz;2007年推出的OneWireless，采用了ISA100.11a无线网络的XYR 6000压力变送器，载频为2.4 GHz。Honeywell无线变送器最初无路由功能，后期版本路由功能可选;最初作为无线网关只有多功能节点，后来又增加了现场设备接入点(field device access point，FDAP)。最初WIA-PA路由器是独立的设备，现在全部与变送器合为一体。ISA100.11a(OneWireless)、WIA-PA都开发了HART适配器，允许使用HART协议，现在Wireless HART也增加了WiFi的接入功能。

4 流程行业无线技术应用的热点分析

作为流程行业无线技术的用户来说，对于无线技术的机理不会过分关心，但对于与实际应用有关的系统构成、特性、安全、费用等热点则会非常关注。下面将介绍这些热点。

4.1 网络

Wireless HART 基于 IEEE 802.15.4 的物理层，定义了数据链路层、网络层、传输层和应用层，网络采用网状(Mesh)网络拓扑结构。Wireless HART建立在HART标准上，是HART通信协议的进一步延伸。由于目前全球已安装使用HART仪表3000万台以上，应用基础广泛，有很多现成的工具可用，因此HART用户接受得更快，更容易直接使Wireless HART进入产品化阶段。Wireless HART应用以HART通信协议的现场仪表为主，也可以接收4～20 mA信号。

ISA100.11a(OneWireless)也是基于 IEEE 802.15.4的物理层，定义了数据链路层、网络层、传输层和应用层，网络采用网状(Mesh)和星型(Star)网络拓扑结构。ISA100.11a(OneWireless)不但能接纳 HART协议，还能接纳Profibus、DeviceNet、FF等，成为它们统一的无线协议接口。OneWireless无线架构支持符合ISA100.11标准的无线现场仪表，支持多种其他通信协议的现场仪表，如HART、Modbus、FF、4 ～20 mA等。这个无线平台同时还支持802.11 WiFi无线设备，如多功能节点与多功能节点之间，多功能节点与无线视频、移动工作站、振动监测设备之间的连接;支持有线设备(如PLC或其他以太网设备)的无线转接。这对于构建未来的单一多功能无线网络更有积极意义。

WIA-PA基于 IEEE 802.15.4的物理层和 MAC层，定义了数据链路子层、网络层和应用层，网络采用簇型(Cluster)和网状(Mesh)相结合的两层网络拓扑结构。WIA-PA支持HART协议，还能接纳 Profibus、Modbus、FF 等。

4.2 路由

路由是指从一个接口上接收到数据包，根据数据包的目的地址进行定向发送并转发到另一个接口的过程。路由工作包含两个基本的动作:确定最佳路径和通过网络传输信息(即数据交换)。

Wireless HART系统中的无线现场设备均具有路由功能。距离无线网关较远或与无线网关之间有障碍物的无线现场设备可通过确定最佳路径，由邻近的无线现场设备路由将信息传送到无线网关，这是路由功能最大的优点。解决方案的主要特征是现场仪表配置路由功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，而且可以同时为其他仪表的通信进行路由。

WIA-PA系统早期有单独的路由器，而且是可以接收多台现场设备信号的路由器。但据了解，目前路由功能均作为无线现场设备的一部分提供。

ISA100.11a(OneWireless)的早期版本不支持路由功能，而无线现场设备不带路由功能。这就要求作为无线网关的多功能节点以及随后推出的现场设备接入点(FDAP)与所有无线现场设备之间没有障碍物，能直接进行通信。2010年6月推出的R200版本中，无线现场设备通过组态可以执行路由功能或不执行路由功能。当组态为执行路由功能时，它与 Wireless HART、WIA-PA系统在路由这一点上就没有区别;当组态为不执行路由功能时，现场设备接入点(FDAP)和多功能节点应直接与区域内所有无线现场设备通信，其优点是减少数据无线传输的跳数、加快数据刷新速率、降低数据传输的不确定性时延及安全风险、提高可靠性，同时减少电池能量的消耗，延长电池的使用寿命。

4.3 刷新速率

当现场无线设备有路由功能时，大部分变送器需经多台无线变送器的路由才能将信号传送到网关，所以网络的通信时间滞后较大，无线变送器通信速度较慢，从而使无线变送器的刷新速率不可能达到很快。

Wireless HART目前可选的数据刷新速率为:8 s、16 s、32 s或1 ～60 min，未来可以达到 4 s，甚至还出现过刷新速率为 1 s的非正式说法［1］。ISA100.11a(OneWireless)目前的数据刷新速率为:1 s、5 s、10 s、30 s，未来预计可以达到0.25 s，最新的说法是可以达到0.1 s。WIA-PA 的数据刷新速率为:1 s～1 h。

4.4 电池寿命

无线现场设备的电池寿命通常取决于传送数据的刷新速率、是否具有路由功能、环境温度及无线设备的种类。刷新速率快、带路由功能、环境温度高、测量信号数量多的无线现场设备，其电池寿命较短。

Wireless HART无线变送器的电池寿命为1～10 a。ISA100.11a(OneWireless)无线现场设备通过组态为不执行路由功能时，如果选择常温下1 s的刷新速率，则电池使用时间可以达到4.5 a，而5 s以上的刷新速率，电池使用时间可以达到10 a;当组态为执行路由功能时，电池使用时间将缩短。WIA-PA的电池寿命为1～5 a。也有公司正在开发利用太阳能电池、风能电池就地供电的无线现场设备。

4.5 传输距离

传输距离取决于环境条件、天线种类等。Wireless HART采用短天线时，无线设备的最大有效信号传递距离为230 m，采用长天线时无线设备的最大有效信号传递距离为800 m;在一般建筑物内，无线设备的最大有效信号传递距离为75 m，在厚实的建筑物内，无线设备的最大有效信号传递距离为30 m。ISA100.11a(OneWireless)无线现场设备同多功能节点之间的通信距离为610 m，采用高增益天线时为3 km，两个多功能节点之间的通信距离为1 km，采用高增益天线时为10 km;当无线现场设备组态具有路由功能时，两个无线现场设备之间的通信距离为400 m。WIA-PA无线设备在室内的通信距离为200 m，在室外为1 km。

4.6 变送器种类

艾默生公司推出的无线现场设备的品种有:无线压力变送器、无线温度变送器、无线分析变送器、无线阀门位置变送器、无线机械健康状态变送器、无线开关量变送器、无线振动音叉液位开关、无线声感变送器、智能无线适配器。

Honeywell公司推出的无线现场设备的品种有两大类，一类支持 ISA100.11a，另一类支持 802.11 WiFi。支持ISA100.11a的工业无线设备包括:无线压力变送器、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。支持802.11 WiFi的无线设备包括: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、无线可燃气体变送器。

WIA-PA系统推出的无线现场设备的品种有:无线温度变送器、无线压力变送器、无线 I/O设备(可接收AI/AO/DI等类型的信号)。

4.7 安全

无线数据传送是否可靠安全是很多用户最担心的问题。无线节点面临的威胁包括:窃听、篡改数据以及拒绝服务攻击等。从流程行业无线技术发展历程来看，2003～2006年间，小规模的试验阶段经历了4 a左右，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，这个过程又经历了4～5 a，每一个标准在中国的用户数都达到近百个或更多，应用规模最大的达到四五百点，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。

德国测量与控制标准委员会NAMUR于2009年11月提交了一份报告，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Wireless HART设备的测试表明，Wireless HART符合NAMUR的推荐技术规范NE124“无线自动化的要求”和工作草案NA115“过程自动系统的IT安全”。测试包括在实验室对Wireless HART的特性指标进行评估以及在实际过程工厂环境中的多项应用测试，现场测试在位于德国路德维希港的巴斯夫公司进行。通过测试，MAMUR最终得出结论:Wireless HART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Wireless HART网络中与其他符合Wireless HART标准的设备进行互操作［2］。

早期使用DCS系统时，用户也曾担心可靠安全，常常备用记录仪、手操器之类的常规仪表，事后证明这种担心是多余的。在国内的应用实例中，有的用户也采用同时使用有线、无线两套仪表的方式考察无线仪表是否安全可靠。在江苏金翔石化三期油库储罐计量系统中，采用了艾默生常规罐区总线方式计量及无线方式计量的冗余方案，有线和无线两套仪表的信号同时送至控制室PCS7系统进行集中显示［3］。对比4个油罐的总线监控界面与无线监控界面可知，有线和无线两套仪表的数据完全一致，验证了无线数据传送是可靠安全的。

2012年10月30日，艾默生在全球用户大会上宣布其1万套遍布世界各地的Wireless HART智能无线网络已累计运行达10亿h。这表明过程工程师们已视智能无线为一项信得过的技术［4］。

4.8 PID 控制

根据ISA为过程工业无线网络设定的使用等级，目前，用于各类监测的4、5类使用等级及用于开环控制的3类使用等级采用过程工业无线网络应该是没有问题的，而这3类已经占据所有数据类型的80%以上，也就是说绝大多数数据采集使用过程工业无线网络是可靠的。而作为通常不是关键参数的闭环监督控制，目前的进展仍处于试验考察阶段。

艾默生过程管理公司针对PID控制采取了冗余无线I/O、冗余电源、冗余通信、冗余的智能无线Remote Link(远程链接)以及增强型的PID等措施。

Broadley James公司是一家生物技术公司，它采用艾默生的Wireless HART pH计和温度变送器来控制一台单用途的一次性生物反应器。该公司总裁Scott Broadley说［5］:“我们对动物细胞培养进行批量管理，在pH值和温度控制方面，采用无线测量和有线测量所达到的效果是一样的。”

艾默生过程管理公司与奥斯汀德克萨斯大学在火电厂CO2收集的气提塔进行了蒸汽流量和塔压控制试验。他们将有线、无线仪表平行安装，在进行回路控制时，操作人员可以在有线、无线仪表输入数据之间切换。试验中PID整定参数、滤波参数和控制组态参数设置相同。控制方案的性能比较如表2所示。有线、无线仪表回路控制方案的性能没有差别［5］。

表2中，绝对误差积分控制是用系统期望输出与实际输出或主反馈信号之间的偏差的某个函数的积分式表示的一种性能指标，在无线测量值更新次数仅为有线的1/10的条件下，有线、无线方案的绝对误差积分控制值基本一致。

表2 控制方案的性能比较Tab.2 Performance comparison of the control schemes

在由中科院沈阳自动化研究所、鞍山焦耐院等实施的江苏力达宁化工公司2.6－二异丙基苯胺项目中，DCS系统采用了WIA无线网络技术。系统投运后，不仅检测的数据可靠，还实现了重要参数如温度和压力的控制。由于刷新速率为1 s，对参与控制的节点设置了高优先级，由DCS发送到执行器的电流信号平均时延在1 s之内，保证了控制回路响应迅速、反馈及时，控制系统的质量可以满足生产需要［6］。但据了解，该项目中无线系统的控制回路目前已改为手动模式，原因是自动模式存在一定的风险。

4.9 费用

美国Honeywell公司就一个槽罐区(64个槽罐的温度、液位检测，共128点)的有线系统与无线系统的费用进行了比较，结果如表3所示［7］。

表3 槽罐区费用比较结果Tab.3 Comparison results of the cost for tank yards

由表3可见，如以有线系统的各项费用为100%，则无线系统的设备费用要高出16.7%，但现场安装费用节省78.4%，工程费用节省43.2%，总费用节省49.5%。

艾默生过程管理集团也就一个30点的系统进行了有线、无线方案的比较，但未列出设备费用比较，仅就材料、施工、调试、5 a维护费用及后期改造费用进行了比较，如表4 所示［8］。

由表4可见，如以有线系统的各项费用为100%，则无线系统现场安装费用节省95.2%，5 a维护费用节省86.7%;当后期存在增加测点等改造项目时，无线系统可不增加费用。由于未对设备费用进行比较，就上述安装、维护、后期改造的总费用来说，无线系统可节省94.5%。

表4 30点系统部分费用比较Tab.4 Partial cost comparison of 30-point system

WIA-PA无线标准主要制定单位——中国科学院沈阳自动化研究所与鞍山焦耐院等单位合作，为江苏力达宁化工公司二异丙基苯胺项目设计投运了一套WIA-PA无线系统［6］。该生产装置共使用了各类变送器及电动执行器共37点，有线系统与无线系统费用比较如表5所示。

表5 二异丙基苯胺项目费用比较Tab.5 The cost comparison for diisopropylaniline project

值得说明的是，在计算DCS费用时，有线系统的41个I/O点的I/O板卡费用增加35600元，而无线系统省去了I/O板卡，增加的只有1个带Modbus RTU协议的板卡和无线网关，费用仅6000元，所以在DCS费用上，无线系统可节省3万元。

比较上述3项费用，大致可得到以下几个结论:①无线系统现场安装费用约节省80% ～90%;②无线系统现场购置费用约增加10%～20%;③有线系统需增加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;④无线系统总费用有较大的节省;⑤无线系统后期维护费用大大低于有线系统;⑥无线系统后期如需改造，其费用大大低于有线系统;⑦国产无线系统的费用远低于进口无线系统费用。

5 流程行业无线技术选择思路

流程行业无线技术存在三大标准，每一个标准的旗下又有多家公司的产品。以下选择思路或许对用户有参考价值。

①2011年6月，美国《Control Engineering》完成无线技术调查，一个客户说［9］:“我不会干等着无线标准的统一，如果我的问题能用哪种无线技术解决，我就会使用哪种无线技术。”这代表一种实用的思路。

②跟着主体控制系统走，这样有利于无线系统与控制系统无缝连接。若主体系统已采用艾默生过程控制的产品，大多数用户选用无线系统时会采用Wireless HART;若主体系统已采用Honeywell公司的产品，大多数用户选用无线系统时会采用ISA100.11a(OneWireless);若主体系统已采用国产控制系统，这样的用户不妨选用WIA-PA无线系统。

③原有系统已大量采用了带HART通信的现场设备，现场迫切要求在此基础上增添无线设备时，可能更多会采用Wireless HART。

④系统不仅有大量现场设备需要采用无线通信，同时还要求实现一个无线网络架构，以支持多种无线应用、多个标准、多种协议。如同时支持移动操作站、巡检手持终端、无线摄像头、有线设备的无线转接等，选用ISA100.11a(OneWireless)可能更合适。

⑤大多数无线设备的类型是温度、压力、阀位、物位，而有些类型的无线设备是某一厂家所特有的，如用于就地压力表信号传送的无线读表器、无线腐蚀测量变送器、无线可燃气体变送器目前是Honeywell公司独有的产品，无线分析(pH值和电导率)变送器、无线振动音叉液位开关、无线声感变送器目前是艾默生过程管理公司独有的产品。当用户需要使用这类特殊无线设备时，特别是当这类设备用量比较大时，可能选用对应公司的系统。

⑥对刷新速率要求快速、对电池寿命要求尽量长的用户，应选不带路由器功能的系统。

⑦对要求节省费用的用户，可选择WIA-PA。