流程行业无线通信技术发展动向

方原柏（昆明有色冶金设计研究院，云南 昆明 650051）

流程行业无线通信技术发展动向

方原柏（昆明有色冶金设计研究院，云南 昆明 650051）

流程行业无线通信技术在过去的十年里已经取得长足的进步，流程行业三大国际无线通信技术标准已经制定，在流程行业无线应用已从试用到全面推广。未来流程行业无线通信技术的发展，还会在扩大应用范围、多种无线通信技术标准的融合、系统架构的创新、引入无线行业领军厂家的技术和产品等方面努力，而WIA-PA无线标准的应用前景广阔。

无线通信技术；流程行业；发展动向

1 概述

如果从2003～2004流程行业无线通信技术开始试验的时间算起，在过去的十年里，流程行业无线通信技术已经取得长足的进步，流程行业三大国际无线通信技术标准已经制定，在流程行业无线应用已从试用到全面推广，如2012年10月30日艾默生过程管理在全球用户大会上宣布有1万个（其中在中国有1000个）WirelessHART智能无线网络运行，已累计运行达10亿小时，2014年9月的资料数据又更新为16800个无线网络和28亿小时。ISA100.11a在支持多种通信协议、支持整个工厂的多种应用方面有优势，而中国的WIA-PA则在应用行业的广泛性、无线现场设备的多样性和产品良好的性价比等方面取得不错的成绩。

未来流程行业无线通信技术的发展，还会在扩大应用范围、多种无线通信技术标准的融合、系统架构的创新、引入无线行业领军厂家的技术和产品等方面努力，同时我们也认为WIA-PA无线标准的应用前景广阔。

2 扩大应用范围

到目前为止，流程行业无线通信技术的应用集中在石化、油气田、冶金、电力等少数几个行业，应用的规模虽然能看到数百个检测点的案例，但绝大多数是小范围试用，局限于一个工序或一个车间数十点的规模上，一个大型企业全面使用流程行业无线通信技术的实例较为少见，所以应用范围的推广这个担子还是比较重的。

鞍钢冷轧厂连续退火生产线采用了WIA-PA无线通信系统，在现场200m×20m×30m范围内布置了WIA-DS18B无线温度变送器416个测点，对有数百个轧辊的轴承温度进行监控，以实现轴承健康状态的在线检测。

中石化武汉800kt/a乙烯的原料罐区、中间罐区及产品罐区采用了霍尼韦尔公司基于ISA100.11a协议标准的OneWireless无线解决方案，以实现生产过程的监视、报警、报表打印及生产管理。在这三个罐区共计使用了3台无线工作站、3台防火墙、3台无线交换机、35台多功能节点（包括作为主网关、冗余网关使用的多功能节点）、276台无线现场设备（无线压力变送器），再加上罐区外还有2台汽车衡器AI信号以无线方式接入，共278台无线现场设备信号，这也是当前国内应用规模较大、技术较先进的无线仪表系统成功应用案例。

浙江长兴电厂2台660MW燃煤机组总体规划为无线技术示范工程，考虑建立全厂智能无线网络，总体规划建9个WirelessHART 1420智能无线网关，每个网关覆盖200m范围内的测点，网关采用TCP/IP方式，通过工业以太网接入DCS机柜间的以太网交换机。

在扩大应用范围这一点上，WIA-PA工业无线网络无疑是做得最好的，它不仅在流程行业的石化、油气田、冶金有较多应用实例而且还推广到船舶厂气体管网在线监测、实验室测试系统、智能楼宇系统、智能电网、智能变电站、输电线路智能监测、智能交通服务平台、电机能效监测系统、工厂环境中的人员定位、太阳能光伏发电站光伏汇流箱监测、农田环境监测系统，显示了对应用环境极强的适应力。

3 多种无线通信技术标准的融合

如果能在单一架构下管理多个无线网络的实时数据，或者说在单一架构下管理统一后的单一无线网络的实时数据，应该是过程行业用户一致的要求，所以我们说多种无线通信技术标准的融合是一个大趋势，它可以提供远程操作的更高可靠性和更低成本。三大无线国际标准合作的技术基础原本是存在的，因为ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA的底层协议都是IEEE802.15.4，而提供芯片和通信协议栈的商家往往同时提供这几种技术的部件，即使是在ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA阵营内，还包括有很多相同的会员。

作为ISA100的核心成员单位的尼维斯（Nivis）公司一向以其管理和优化网状网络的软件而闻名，同时在利用ISA100.11a、WirelessHART和6LoWPAN开发基于标准的无线网状通信堆栈方面拥有丰富的知识和能力。尼维斯公司目前是我们所了解到的唯一同时提供ISA100.11a和WirelessHART两种流程行业无线产品供应商，比如其无线节点和路由器用在ISA100.11a和WirelessHART的型号是相同的，使用户能够在单一的硬件上运行任何一种标准。如VersaRouter910路由器既支持Nivis的ISA100.11a标准，也支持WirelessHART标准，拥有在同一平台上运行的软件，VersaRouter910是一个双启动硬件（Dual boot hardware），是集全功能于一身，专门为客户准备好提供的无线解决方案设计的工业级无线路由器。中科博微公司是可同时提供WIA-PA、WirelessHART两种流程行业无线产品供应商，比如其无线网关既有属于WIA-PA无线网络的WIAPA-GW1498、WIAPA-GWS1200 2种型号的网关，又有属于WirelessHART无线网络的WHT-GW1250网关。北京天宇蓝翔科技发展有限公司也可提供WIA-PA、WirelessHART两种无线网络产品。

在ISA100.11a和WirelessHART问世之初，在ISA名下成立过ISA100.12工作组，负责寻找将WirelessHART和ISA100.11a无线标准融合的技术途径。当时认定实现无线标准融合技术途径的唯一方法是发布提案申请，后有3个团队提出申请。但最终这些团队没有解决以下核心问题：网络规范的定义能够取代ISA100.11a和WirelessHART及提供2个现有网络的反向兼容。代表ISA100.11a和WirelessHART供应商的两个团队都不能接受修改自己基础网络的要求，因此无法达成任何妥协协议。其原因非技术方面，而是集中在营销效应方面。因此在2013年，ISA100.12工作组已决定放弃在无线通信技术标准融合方面的努力。ISA100.12工作组中的最终用户曾建议的融合备选方案是供应商可提供同时对ISA100.11a和WirelessHART无线网络进行操作的产品，即“双启动”产品的解决方案。

2010年初，德国测量与控制标准委员会NAMUR发布Press Release（公告），开始提出单一（融合）工业无线标准（仅过程自动化领域）的要求，建议三个标准合并为一个IEC标准。2010年8月在伦敦的Heathrow（希思罗）机场召开了工作组第一次会议，工作组即以希思罗命名。2011年3月底在瑞士的融合工作组会议形成备忘录决定成立技术工作组，重庆邮电大学是希思罗工作组的5名核心成员之一和技术工作组主要成员。技术工作组首先完成“三个标准的异同”资料的编辑，然后达成分三步开展工作的共识，第一步是实现三标准共存，如图1所示，第二步完成渐进式融合，第三步以单一的OSI/ISO层过程仪表协议的现场设备、统一的接入点、统一的网关实现标准的最终融合，这里的现场设备、接入点、网关均以希思罗命名。

图1 希思罗工作组融合工业无线标准的第一步

2012年12月现场总线基金会（FF）宣布与国际自动化学会自动化标准委员会ISA100合作提出了一个通用的框架，允许多个工业通信协议通过共享无线集成架构在过程自动化系统中运行，使现场总线连接到远程的I/O和ISA100.11a、WirelessHART、有线H1协议集成到单一的标准化环境中，这称为基金会的远程操作管理ROM，这是通过第三方的开放融合，以便为用户提供更高的可靠性和更低成本的远程操作。这个框架保持了“基础设施”战略，而不是试图在无线设备水平方面竞争。

4 系统架构的创新

霍尼韦尔公司2004年推出工业无线变送器——基于ZigBee无线技术的XYR5000无线压力变送器，载频为902MHz～928MHz，以此为基础的无线网络系统构成如图2所示。

图2 早期以XYR5000为基础的无线网络系统构成图

作为网关设备的基站WBR与各种类型的XYR5000无线变送器可直接通信，最大数量为50台，最大距离610m。基站还可有线接入最多25个AO/DO组件，基站与控制系统的连接有RS485 Modbus RTU接口，还可提供RS232到WMT无线管理工具上显示。

随后IEC三大国际标准的早期无线网络系统的架构是由网关和无线现场设备组成，如横河电机无线系统的早期架构是YFGW710现场无线一体型网关和现场无线设备，一台网关可接入最多10台（刷新率1s）或50台（刷新率5s）现场无线设备，如图3所示。

图3 横河电机无线系统的早期架构

艾默生过程管理公司下属的罗斯蒙特公司真正针对流程行业无线网络系统的研究始于1998年，2006年推出的智能无线解决方案是采用900MHz， 2007年以后在欧洲和亚洲则推出2.4GHz的解决方案。早期无线网络系统的架构也是由网关和无线现场设备组成，可能会包括适配器等设备，同时每一台无线现场设备还可作为路由器将其他无线现场设备的信息传送到网关，如图4所示。

图4 艾默生过程管理早期无线网络系统的架构

2007年6月11日，霍尼韦尔公司推出基于ISA100.11a思路的OneWireless无线网络方案，采用了XYR6000变送器，载频为2.4GHz。推出OneWireless无线网络后，系统架构也在不断更新，较早的版本是2009年4月的120版，当时作为网关的是多功能节点；2011年9月发布200版的新功能包括无线变送器无路由功能改为路由功能可选、增加了现场设备接入点FDAP、增加了HART适配器等，2011年10月又引入了Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备、Cisco WLAN控制器；2013年4月发布210版的新功能包括在线无线设备授权等新功能。

AP节点设备被分为两类：网格接入点（MAP）和根接入点（RAP）。网格接入点是Mesh网络的远程接入点，它作为ISA100.11a无线现场设备网络和IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi网络的接入点，这是所有接入点的默认角色。对下层ISA100.11a无线现场设备网络来说，每个网格接入点都可以发送和接收来自无线现场设备的消息，同时，它又作为一个路由器，为其相邻网格接入点以IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi网络转发消息，从而在2层网络中为无线设备和主机应用之间实现数据传输，通过转发过程，数据可以找到通过中间网格接入点抵达目的地的最佳路径。如果一个链路因为任何原因而出现故障，网络会自动通过其他路径安排数据传输，直到数据抵达网关为止。

根接入点通过光纤、有线以太网或电缆连接器连接到有线网络或服务器，作为到有线网络的“根”或“网关”，它必须在接入点配置时设定为根接入点。通信时，网格接入点通过网格接入点之间的路径或直接传送到根接入点。在这种网络拓扑结构中，接入点之间有许多冗余路径连接，因而特别可靠。

随着网络规模的增大和网格接入点数量的增加，有必要使用多台根接入点以保证无线网络所需的性能和吞吐量（如图5所示）。推荐根接入点对网格接入点比值为20，这意味着，最多20个网格接入点可以共享相同的一次和二次根接入点，由于每个网格接入点可接入数十台无线现场设备，每个根接入点可接入20个网格接入点，而根接入点又可以多个同时接入交换机，其应用规模可满足数百点到数千点的大型无线网络的要求。

图5 带多台根接入点Cisco节点设备的ISA100.11a无线现场设备大型网络

艾默生过程管理公司在WirelessHART网络中也推出了Cisco AP节点设备作为构成回传网络节点的接入点，菲尼克斯公司在WirelessHART网络中也推出了可与该公司多台WirelessHART网关组成骨干网络的WLAN接入点，且都通过Wi-Fi传送采集的所有信息，同时，WirelessHART网络也可接收支持802.11Wi-Fi通信的无线设备的信息。

随着工业无线网络将过程控制延伸到工厂现场的各个角落，其应用越来越普及，单个应用实例的规模也越来越大，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用途无线网络。这样的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。

创新的系统架构主要体现在接入点设备作为主干网络节点，比如OneWireless无线网络先后推出的现场设备接入点FDAP、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点，横河电机ISA100.11a无线网络的YFGW510现场无线接入点，艾默生过程管理公司WirelessHART无线网络推出的781远程链路、Cisco AP节点设备和WLAN接入点，菲尼克斯公司WirelessHART无线网络的WLAN接入点。这些设备具有骨干路由器功能，可将众多的无线现场设备的信息通过底层网络采集后，尽快地通过骨干网络传送到无线网关。这种将网关功能分离为接入点和现场无线管理站以及将信息传送分为底层网络及骨干网络的分层架构，不仅扩大了网络的规模、提高了信息传送速度，还能更好地实现同时管理多个现场无线子网通信系统的要求。

5 引入无线行业领军厂家的技术和产品

借助网络解决方案供应商的技术迅速提高产品档次，霍尼韦尔公司2012年直接采用支持标准的思科（Cisco）公司组态和拓扑结构性统一无线网络技术，这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格接入点MAP和根接入点RAP，实现一个强大的高可用性的网络。如使用Cisco Aironet 1552S AP节点设备构建OneWireless工业无线网络，同时还采用Cisco WLAN控制器用于管理Cisco Aironet 1552S AP节点设备，在单一的架构下为Wi-Fi应用和ISA100.11a现场仪表提供无线覆盖，从而有效降低总体拥有成本。Cisco Aironet 1552S AP节点设备的功能与原有的多功能节点完全一样，但天线数量增加，速度更快，带宽更宽。艾默生过程管理公司早在2007年就已经同思科公司建立了合作伙伴关系，如在异构系统的无线通信方面双方就进行了合作，最近又引入了Cisco AP节点设备。

罗克韦尔自动化收购了vMonitor，将划入罗克韦尔自动化控制产品和解决方案营运部门。vMonitor是全球范围内数字油田实施及远程运营领域的先驱，早在2005年1月，它就在壳牌公司的支持下，进行了Kanbode 8口油井无线传感器网络的试验，为井口和上游应用提供了创新的监控解决方案，创造性地将最尖端的无线仪表和通信与可视化软件结合在一起，帮助客户制定更明智的决策并改善生产状况。vMonitor的技术涵盖井口传感器与变送器、远程终端单元、网关和调制解调器的全无线产品组合，以及交钥匙监控系统和服务。这些产品覆盖范围广，适合从油气井、管道、泵站和升液站到炼油厂以及油库的各类应用。

6 WIA-PA的前景广阔

WIA-PA几乎是与国外产品同时起步的，目前已经有中科院沈阳自动化研究所与中科博微公司、川仪、北京天宇蓝翔科技发展有限公司、北京雅丹汉和石油技术开发有限公司、中科奥维公司、重庆伟岸测器制造股份有限公司、北京安控科技股份有限公司、上海自动化仪表股份公司等生产WIA－PA无线网络产品。中科院沈阳自动化研究所还与苏仪集团共建中科院工业无线物联网应用技术研产基地，以实现符合WIA-PA工业无线标准的WIA-PA无线仪表产业化。

automation网站编辑Bill Lydon先生发表的“关于2012年自动化和控制趋势的解读”一文中提到：“WIA-PA发展态势让WirelessHART与ISA100的阵营都很吃惊。在自动化与控制技术领域，中国是一个快速增长的区域，根据中国的市场容量，有人断言WIA-PA将只能在中国使用。我并不同意这样的观点，我坚信经过时间的检验，该标准很有可能会被广泛采用，届时也将有相应的产品从中国出口。同时，我认为WIA-PA将会在900MHz以及更低的范围内推出相应的解决方案，在通过墙壁以及其他障碍物的时候可以有更强的信号通过率。”

就像Bill Lydon先生所预言的一样，在印度尼西亚国家石油和天然气公司（PERTAMINA）望加锡临海罐区，已采用了由北京天宇蓝翔科技发展有限公司、广州中科院沈阳自动化研究所分所提供的WIA-PA无线传输技术的满溢监控系统。

但令人遗憾的是，目前WIA-PA的商业推广力度太小，一时还难以在国内流程行业无线通信网络产品市场上做到与ISA100.11a、WirelessHART产品三足鼎立。

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Development Trends of Wireless Communication Technology in Process Industry

Wireless communication technology in process industry has achieved great progress in the past ten years, three big international wireless communication technology standards of process industry have been formulated, wireless application in the process industry from probation to comprehensive promotion. In the future，the development of wireless communication technology process industry: expanding scope of application, fusion variety wireless communication technology, innovation system architecture, introduction products and technology of wireless industry leading manufacturers, and we also think that the prospect of application of WIA-PA wireless standard.

Wireless communication technology; Process industry; Development trends