全集成式多应用流程行业无线通信网络

方原柏

(昆明有色冶金设计研究院，昆明 650051)



全集成式多应用流程行业无线通信网络

方原柏

(昆明有色冶金设计研究院，昆明 650051)

摘要：随着流程行业无线通信技术的迅猛发展，无线网关加无线现场设备的简单架构的无线网络已经发展到全集成式多应用无线通信网络。简要总结了全集成式多应用无线通信网络的特点，重点介绍了多个厂家全集成式多应用无线通信网络新开发的现场无线通信网络设备、系统组成及与主机系统集成。

关键词：流程行业无线通信全集成式多应用

1概述

流程行业无线通信网络可以无缝地将过程控制网络延伸到工厂的各个角落，在早期的应用中，更多的应用实例局限于一个工序或一个车间数十点的规模，采用无线网关加无线现场设备的简单架构。但随着应用越来越普及，单个应用的规模已突破一个工序或一个车间的范围。在这种形势下，流程行业无线通信网络设备的制造厂家不失时机地推出可覆盖整个工厂的全集成式多应用无线通信网络，该网络中既包括简单的无线现场仪表网络，也覆盖多种无线应用的场合。

值得用户关注的是： 推出可覆盖整个工厂的全集成式多应用无线网络的流程行业无线网络设备的制造厂家不仅有ISA100，Wireless HART标准的主推厂商霍尼韦尔公司、艾默生过程管理公司，还有推动无线网络发展的自动化仪表厂商横河电机公司和菲尼克斯公司。

2全集成式多应用无线网络的特点

1) 网络的规模扩大，可支持使用成百上千台无线现场设备的场合。

2) 网络不仅支持温度、压力测量的无线现场仪表网络应用，还支持移动工作站、无线巡检、人员安全系统、工厂安全系统、视频监控等无线应用。

3) 网络不仅支持流程行业专用无线网络标准，如ISA100，Wireless HART，还支持通用无线网络标准，如WiFi。

4) 网络设备更多地采用将网关功能分离为接入点和现场无线管理站的架构，以实现同时管理多个现场无线子网通信系统的要求。

5) 由于采用接入点路由和WiFi网络传送数据，无线通信速率得以提高。

6) 网络设备更多地直接采用主流网络厂家的

通用产品，如思科(Cisco)等公司的产品。

7) 提供了从主机系统到现场无线网络的全面冗余配置。

8) 扩大了应用范围，力求在参数控制方面有所突破。

3全集成式多应用无线通信网络

3.1霍尼韦尔公司产品

3.1.1新开发的现场无线通信网络设备

该公司新开发的现场无线通信网络称为“带Cisco节点的OneWireless工业无线架构”，其中新采用的现场无线通信网络设备有Cisco WLAN 控制器、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备。

OneWireless无线通信网络采用了支持标准的Cisco公司组态和拓扑结构统一的无线网络技术，包括使用冗余交换机、冗余的无线局域网控制器以及多重网络接入点MAP(mash access point)和根接入点RAP(root access point)，建立一个强大的和高可用性的网络。

3.1.2系统组成

该公司新开发的现场无线通信网络设备组成如图1所示。Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备和原有系统作为网关使用的多功能节点的功能完全一样，可以与ISA100.11a无线现场设备网络连接，作为无线现场设备的接入点；也可以与IEEE802.11a/b/g/n WiFi设备网络连接，作为无线WiFi设备的接入点；还可以用作IEEE的802.11a/n(Mesh网状)无线主干网络连接，实现多个接入点之间的相互无线通信，构建自组织、自愈合的无线主干网络。

不同之处在于，该节点设备还支持802.11n，最大带宽可达300Mbit/s，所以速度更快，而多功能节点最大带宽只有54Mbit/s。该设备内嵌Cisco’s CleanAir技术，能够优化智能无线网络的通信，降低无线信号干扰，提高通信空间的无线通信质量，明显改善无线网络的通信性能，方便用户的使用。

Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备共有5根天线。上面3根天线是主干网络和WiFi移动天线；下面2根是ISA100.11a无线仪表天线，可以同无线仪表通信，而且采用了Duocast技术，可实现同时接收数据，通信速度比1根天线时提高1倍，通信距离延长约67%。

Cisco WLAN控制器用于管理Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备，可以降低网络设计和运行的维护成本。

图1　采用Cisco 节点构建的OneWireless工业无线通信网络示意

图1中，多台Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备作为网络接入点设备，接入支持ISA100.11a无线现场仪表和支持IEEE 802.11 a/b/g/n WiFi的无线设备(包括： 图1中所示的移动工作站、无线振动变送器、摄像机、手持设备、无线携带式气体探测器等)，多台Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备之间又可通过高带宽的IEEE 802.11 a/n无线Mesh回传网络通信。其中的1台Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备作为根接入点通过IEEE 802.3有线以太网连接到Cisco WLAN 控制器，Cisco WLAN 控制器负责系统内的无线局域网功能，如安全策略、入侵防御、RF管理、服务质量(QoS)和流动性。无线设备管理器WDM可以支持集成ISA 100.11a主干网和ISA 100.11a现场设备的Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备，它具有无线现场网络的网关、系统管理器、安全管理器的功能。无线设备管理器WDM的无线现场网络容量为40台Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点或FDAP现场设备接入点、100台无线现场设备。

3.1.3与主机系统集成

基于R210版本的OneWireless 和R400版本的ExperionTMPKS的无线网络与主机系统集成如图2所示，Experion C300控制器通过WDM获取现场无线仪表的过程数据，C300和WDM的通信协议为Modbus TCP，在C300中把WDM组态为Modbus slave即可，或组态成C300 和WDM的CDA内嵌式通信，Experion PKS 控制模块可以集成无线仪表的过程数据和报警信息，支持实时监视和控制，实现历史数据存储，这是在Experion DCS的控制层L2实现的。在DCS中创建“Wireless DMZ”(无线隔离区)，而现场移动操作终端、无线巡检手持设备、可燃气体监测、即时定位、视频信号和其他WiFi 802.11a/b/g设备可通过无线主干网络与Experion DCS的控制层L3路由器连接。 控制层L2是监控层，而控制层L3是先进控制和先进应用层。

图2　OneWireless 工业无线通信网络与Experion DCS集成示意

3.2艾默生过程管理公司产品

3.2.1新开发的现场无线系统设备

从DeltaV 11版开始，提供了DeltaV S系列无线I/O卡(Wireless I/O Card)和781远程链路(Wireless Field Link)组成的全冗余Wireless HART解决方案。在新的架构方案中，还可以看到采用Cisco AP节点设备作为主干网络节点，按其在网络中的功能也分为MAP和RAP。

3.2.2系统组成

上述新的结构将现有的1420无线网关的功能分为两个部件： 无线I/O卡和781远程链路，无线I/O卡有2个Ethernet I/O口实现与控制系统DeltaV局域网的有线连接，由远程链路实现与Wireless HART无线现场网络连接，这两者之间采用4根导线连接，最远距离达到200 m。其中一对导线为无线I/O卡电源线，另一对导线为远程链路的通信线。虽然无线I/O卡可以安装在1级2区危险的环境中，但一般安装在控制室内，远程链路则远离控制室，可安装在防爆等级更高的危险的环境中，如1级1区。

DeltaV S系列可接入最多120个无线I/O卡和781远程链路，每对冗余的781远程链路可接入最多100台无线变送器。

采用接入点的方式时，某应用于油井的工业无线系统设备组成如图3所示。MAP安装在Wireless HART原有网关附近，以有线以太网方式与网关连接，采集该井口区域无线现场设备的信息；多个MAP又以WiFi无线方式将多个井口的无线现场设备的信息传送到RAP，然后与控制系统以Modbus TCP/IP，OPC等方式连接。

3.2.3与DeltaV主机系统集成

从DeltaV 11版开始，提供了DeltaV S系列无线I/O卡和781远程链路组成的完全冗余的Wireless HART解决方案，如图4所示，可与所有的DeltaV和AMS的应用实现本地集成。无线I/O卡直接挂在控制网络上，本身就是控制器的一个节点，DeltaV提供的组态工具也完全支持无线I/O卡和无线仪表的组态、设备监视等功能，系统还可以自动识别无线I/O卡和无线设备，可方便快捷地进行安装和调试。

图4　Wireless HART工业无线通信网络

新的DeltaV架构以冗余远程链路的形式实现全冗余无线网络，全冗余包括DeltaV通信网络、24V(DC)电源、无线I/O卡远程链路以及自适应Mesh网络本身的多条通信路径。

3.3横河电机公司产品

3.3.1新开发的现场无线通信网络设备

该公司早期开发的现场无线系统设备包括YFGW710无线现场集成网关和无线现场设备，YFGW710提供网关功能和系统管理器的功能，并直接连接无线现场设备。

新开发的现场无线设备有YFGW410现场无线管理站、YFGW510现场无线接入点、YFGW610现场无线介质转换器。YFGW410具有ISA100.11a无线网络管理功能(即系统管理器和安全管理器的功能)和网关功能；YFGW510现场无线接入点为主干路由器，除可接入现场无线设备外，还可提供IEEE802.11a/b/g(无线局域网)及100BASE-TX和100BASE-FX有线连接；现场无线介质转换器YFGW610在YFGW410和YFGW510之间主干通信的连接接口作连接转换，4端口介质转换器YFGW610安装在YFGW410和 YFGW510之间，将YFGW410下层的金属网络连接(100BASE-TX)的接口转换成与远程YFGW510的光纤网络接口连接(100BASE-FX)。

3.3.2系统组成

图5　全集成式多应用无线通信网络设备组成示意

新开发的全集成式多应用无线通信网络设备组成如图5所示。其中，现场无线子网A由YFGW510的现场无线接入点接入子网内现场无线设备的数据，再通过光纤通信传至YFGW610现场无线介质转换器，转换成YFGW410现场无线管理站可接收的下层金属网络连接信号(100BASE-TX)；现场无线子网B由YFGW510的现场无线接入点接入子网内现场无线设备的数据，再通过100BASE-TX直接接入YFGW410现场无线管理站；现场无线子网C由YFGW510的现场无线接入点接入子网内现场无线设备的数据后，再通过无线LAN传到无线LAN接入点，然后与YFGW410现场无线管理站连接。当然，也可通过早期的YFGW710无线现场集成网关以Modbus/TCP的方式接入主机系统。在信息网络层次，设有现场无线OPC服务器、现场无线管理器、NTP服务器，现场无线OPC服务器的软件，提供一个基于OPC基金会规格创建的接口。该服务器软件通过OPC接口与带现场无线管理站或现场无线集成网关系统的主机连接。现场无线管理器用来执行现场无线网络的设置和管理。NTP服务器是网络时间协议服务器，用于现场无线系统进行精确的时间管理，现场无线系统要求NTP服务器与现场无线管理站或现场无线集成网关相连以共享NTP服务器。1对YFGW410现场无线管理站通过同步电缆彼此连接，对主机系统和YFGW510的现场无线接入点提供冗余的无线网络管理和网关功能。在图5所示的每一个现场无线子网中，可安装1个或多个YFGW510现场无线接入点，可连接多达100台现场无线设备。1对YFGW410现场无线管理站可以连接多达20个现场无线子网以及500多台现场无线设备。

3.3.3与主机系统集成

无线系统可与横河电机目前主要的CENTUM VP DCS连接，即可在CENTUM VP操作和监视屏幕上显示现场设备的测量数据。无线系统与CENTUM VP连接有两种方式： 在FCS现场控制站通过子系统以太网通信模块通信(见图6)和通过通用子系统网关(GSGW)通信。在FCS现场控制站通过子系统以太网通信模块(ALE111)通信,要求CENTUM VP为R4版本。

3.4菲尼克斯公司产品

该公司的WLAN接入点可与多台RAD无线网关组成回传网络，这些设备都集成了802.11b/g WLAN收发器，通过WiFi将采集的所有信息传送到WLAN接入点，然后以标准的Ethernet接口与主机系统相连，如图7所示。

4结束语

随着流程行业无线通信技术的迅猛发展，无线网关加无线现场设备的简单架构的无线网络已经发展到全集成式多应用无线通信网络。使得仅支持无线变送器应用扩展到支持移动工作站、无线巡检、人员安全系统、工厂安全系统、视频监控的应用，提高了无线通信速率，扩大了应用规模，并提供了覆盖从主机系统到现场无线网络的全面冗余配置。

图6　CENTUM VP DCS采用FCS通过子系统通信示意

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[9]方原柏.流程行业无线通信技术及应用.北京： 化学工业出版社，2015.

Fully Integrated Multi-application Wireless Communication Network for Process Industry

Fang Yuanbai

(Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co. Ltd.,

Kunming, 650051, China)

Abstract：With rapid development of wireless communication technology in process industry, wireless network with simple architecture of wireless gateway and wireless field devices has been developed to a fully integrated multi-application wireless communication network. The characteristics of fully integrated multi-application wireless communication network are briefly summarized. On site wireless communication network devices, system composition and integration with host system for newly developed fully integrated multi-application wireless communication network from a number of manufacturers are introduced with emphasis.

Key words：process industry; wireless communication; fully integrated; multi-application

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)02-0001-06

作者简介：方原柏(1942—)，男，湖北黄冈人，发表论文280余篇，出版《电子皮带秤的原理及应用》、《电子皮带秤》、《流程行业无线通信技术及应用》三本专著，任昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会理事长，《冶金自动化》、《衡器》、《仪器仪表用户》、《自动化与仪器仪表》、《自动化信息》等杂志编委，中国衡器协会技术专家委员会顾问。

稿件收到日期： 2015-02-02。