基于ISA100.11a协议的工业无线应用在冶金行业的研究与测试

凌韦伟，李 静

LING Wei-wei, LI Jing

（北京科技大学 高效轧制国家工程中心，北京 100083）

0 引言

冶金及相近行业的生产线有着大量的传感器，其中许多传感器安装位置特殊，不适合布线或需要较长电缆，而工业无线传感器成本低、建设工程周期短、适应性和扩展性好、便于维护，有着得天独厚的优势；另外，在一些易燃、易爆、有毒物质的检测中，采用工业无线传感器将会更加安全[1]。随着工业经济和科技的不断发展，冶金业的规模和生产能力得到不断扩大和提升，有时需要对已投产的生产线采集新的工艺参数作为参考，或因设备故障需临时增添一个测试点，传统的有线方式会带来较大的人力和资金成本输出；同时对于冶金行业的厂区耗费较多人工成本的定时巡检，工业无线网络都提供了一种新的解决途径。

现下国内外有很多针对工业无线网络研究，但因没有一个国际统一的工业无线通信标准而没有推广应用[2]，本文以国际上使用率最高的ISA100.11a协议为核心，针对冶金行业高温、高湿、高危、高灰尘、震动、不间断生产等一系列冶金特有工业环境设计的适冶金行业的无线设备模块，结合传感器技术或嵌入操作箱、手持设备等在冶金行业现场进行测试，取得较好的性能结果，为工业无线技术在冶金行业的推广奠定了基础。

1 ISA100.11a协议概述

ISA100.11a协议由美国仪器仪表(ISA)下属的工业无线委员会制定，以用户需求为导向，希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低能耗、适当的通信速率满足工业现场的应用，是第一个开放的、面向于多种工业应用的标准。

该协议定义了五种类型的设备角色：上位机控制系统、网关、骨干路由器、现场设备、手持设备。网络结构支持网状、星状和星网状拓扑。ISA100.11a协议体系结构以开放系统互联(OSI)7层模型为基础。其关键技术如同步的时隙通信、跳信道、时间同步和路由等有效的保证了网络的健康运行。ISA100.11a构建骨干网，可以更直接地无线传递数据信息，减少无线传输跳数，在网络规模较大时优势更加突出。骨干网路减少和避免了多跳网络中出现的数据传输部确定时不可靠、高风险、能耗大等问题。对于非自身的数据包需要在ISA100.11a网络中进行传输时，ISA100.11a也提供了有效的措施与之共存并传递数据包，从而能很好的与现有的工业现场协议兼容。

图1 现场平面图

2 现场无线设备应用效果

对于上述的无线设备在冶金现场进行了先后两次的实地测试，对测试中出现的不可预测的问题进行针对性的优化改进。现场环境存在很多不可确定因素如：1)手台的使用频率较高；2)钢锭钢带的强红外辐射；3)电焊机等机械的大量使用；4)现场的各种红外等检测设备；5)大型电机的强磁干扰。现场以大型设备为主以及很多的可移动设备，均会对设备的通信过程造成一定的影响，故需对现场的位置做针对性的规划和调整，适当规避障碍。图1为现场车间的简图。

2.1 前期测试方案与结果

测试中，YTA系列设备为国外某知名公司已投放市场产品，WF系列及网关为所研发设备。针对热轧车间具体的空间位置，将网关放置于电气室，通过以太网连接上位机，通过界面程序观测实时数据。将YTA-49和一台WF设备至于常关闭的主传动控制室内，与网关之间有三堵轻体墙和精轧机组的阻碍。WF001和YTA-N至于层流冷却另侧，WF002和003分别至于飞剪机和粗轧2号机顶。图2为设备在7个小时内的通信情况。

从数据中可以看出在常关闭的主电气传动控制室内的YTA-N设备能与网关建立通信，但通信状况较差，丢包率较高，安全性和稳定性不能得到保障，而位于同一位置的WF设备不能搜索并加入网络中，因此在监测界面中没有此设备信息。WF001设备至于层流冷却侧，虽能与网关良好通信，但其重加入网络的次数为4次，即水流对其通信有一定的干扰，相比较国外设备则无此影响。其他两台设备与网关之间可视传输，丢包率均较低，通信情况良好。

2.2 测试问题的分析及相应修改策略

通过对前期测试的通信结果分析，认为前期WF设备存在着运行过程中会自动离开网络和出现干扰离开网络，在离开网络后重新加入网络的时间变长。因此设备的稳定性和网络的健壮性不能保证；测试中设备的电量消耗不均，有些路由设备电量消耗过快。针对出现的问题进行了修改优化。主要修改策略如下：

图2 设备通信情况

图3 修改后WF系列设备状态

图4 新一代国外产品运行状态

修改了ISA100协议中规定的网络健康状态确认包即HRCO数据帧的接发机制，在确保网络健康性的基础上降低了对算法资源的消耗。

修改算法对正在加入网络但未能正确加入网络设备的处理机制，增加对已离开网络设备的算法资源回收机制，对多设备加入时的算法资源分配进行了改进，对已加入网络的设备的算法资源进行了优化。

工业现场无线设备大部分是不需移动的，而冶金现场是24小时生产，因此就需要无线系统的节能和网络寿命有着较为严格的要求。增加路由算法的能量均衡机制，协调利用处于关键路由位置的节点，提高网络的生命周期。

2.3 修改后的设备测试情况

分别将优化后的WF设备依次置于层流区，飞剪机，加热炉、精轧传动，粗轧传动，卷取机机脚处，同时将新一代的国外设备同时置于加热炉处，测试1星期得到的测试结果如图3、图4所示。

WF系列的3号设备与YTA同置于离网关200多米处的加热炉出口处，与网关间较空旷，但有钢培的热辐射影响，从测试结果中可以看出WF设备比国外设备要有更好的稳定性和通信质量，WF设备没有出现前期测试时出现的无法加入网络现象，且丢包率(PER)较低，测试过程中没有出现设备离开网络重新加入的情况；而国外设备在相同测试时间内还是会出现设备的重启以及较高的丢包率。在前期测试中因层流水的影响而造成设备离线的情况和因墙体的阻碍和电机影响而造成的设备离线情况也均未出现，且都具有较低的丢包率。

无线信号的强度在穿越墙体和大型机械时都会有相应的衰减，而现场有些需要测量的区域较为狭小、封闭。而WF系列设备在有较多的障碍物时，通信距离会相应减小，就会造成有些区域内的设备无法加入网络，此时需要针对不同的现场和应用环境适当的摆放部分路由角色设备，从而组建成多跳的网络结构，但跳数越多的网络结构延时性和不稳定性较大，一般在车间内推荐两跳网络结构，除特殊区域外，星型网络能覆盖整个的工业车间，满足现场的各种需监测的环境，形成稳定、实时且安全性较高的无线网络。

3 结束语

从以上数据可以看出，基于ISA100.11a协议和冶金环境所开发出的设备拥有与国外设备相接近的运行能力，在某些性能上犹有过之，但在成本上比国外设备具有很大的优势。研制出的设备具有较强的穿透性以及抗干扰能力，能稳定、实时地将数据反馈给上位系统，而且移动性较好，安装、拆卸都比较便捷。能协助对现场生产线的监测，帮助现场人员更早地发现一些恶性事故的发生，减少因设备故障造成的损失。但此次设备还缺少更为长期的现场使用体验，对长期环境下的设备健康度和电池使用寿命等缺乏相关数据。随着对ISA100.11a协议的进一步针对性优化，会使得设备的成本进一步下降，为大规模的使用与推广打下更优的前提。

[1]刘扬,曾鹏,尚志军,等.基于工业无线网络WIA技术的储油罐监测系统[J].南京信息工程大学学报,2011,3(5):444-447.

[2]张建奇,党洪涛,工业无线关键技术ISA1001.11a概述[J].自动化技术与应用,2012,31(11):33-36.

[3]王平,王泉.工业无线技术ISA100.11a的现状与发展[J].中国仪器仪表,2009,10:59-63.

[4]霍尼韦尔过程控制部.工业无线在炼厂等工业领域的应用[J].自动化博览,2010,10:48-49.

[5]王恒,杨丽华,王平.基于ISA100.11a标准的工业物联网开发平台的设计与实现[J].物联网技术,2012,4.