基于工业无线网络WIA—PA的项目实施与应用研究

李旭初

摘要：该文介绍了工业无线网络在能源计量上的应用，从采集层和应用层详细描述了系统架构和数据流，分析了基于无线网络的软硬件组成和各模块功能的实现，系统总结了无线网络的特点和适用范围。

关键词： WIA；工业无线网络；能源；仪表；采集

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0046-03

1 概述

随着以太网技术的不断发展和应用范围越来越广，21世纪初产生了工业无线网络，该网络是通过设备间的交互过程，提供低成本、高灵活的泛在制造信息系统和环境，代表着工业物联网技术和产业发展的重点方向。

2011年，中国科学院沈阳自动化研究所推出了具有自主知识产权的传感器信息采集和传输的智能组网和高可靠性、高安全性的无线通信技术WIA-PA（即Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）。该技术已成为国际主流的三大工业级无线传输协议标准之一，作为我国唯一拥有自主知识产权的国际标准，目前已被广泛应用在石油、化工、电力等流程工业以及离散加工制造业。WIA-PA采用了工业无线网络WIA和高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，提供了一种自组织、自治愈的智能Mesh网络（无线网格网络）路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。特别适合偏远、恶劣地区，无法铺设局域网的环境。

为解决安庆石化公用工程水、电、蒸汽计量仪表分布分散，安装位置偏僻，人工抄录费时费力的实际问题。2015年，安庆石化率先将工业无线网络应用在能源仪表，实施了能源仪表无线采集项目，将分散在外围界区内的48块水、电、汽表安装了工业无线远传装置，实现界区仪表的数字化无线传输与自动抄录，既降低了抄表工作复杂度，又节约了施工成本。

安庆石化的能源计量仪表，尤其是外供能源仪表大多位于厂区2-5公里之外，距离生产装置和控制室比较远，将信号接入DCS系统不现实；但工业无线网络由于安装方便、无须布线等特点可以满足现有能源仪表对数据采集的要求。目前，安庆石化公用工程的能源介质有生产水、生活水、电、蒸汽（高中低压）等，现场仪表主要有横河、菲波、中自、博思达等流量计。经过现场调研确认，仪表大多配备了RS485通信口，极个别是频率输出。通过接口完全可以采集瞬时量、累计量、温度、压力等信号，现场仪表具备了自动采集的条件。

2 系统组成

2.1 总体架构

安庆石化的数据采集系统，大多基于传统的DCS控制和实时数据库采集，DCS上的工艺、质量数据通过CIMIO数采站和OPC协议，发往Aspen IP.21服务器，数据完全通过生产专网传输。由于能源仪表所处位置偏僻，重新架设生产专用网络无论从费用和效果上来说都不划算。再加上能源仪表的数据量不大，实时性要求不高，且没有控制要求，故底层采用无线网络传输比较合适。采集的数据通过就近的管理网汇总到无线网络管理平台，经处理后再通过工业防火墙将数据送往IP.21数据库。既节约了资金，又利用了现有硬件资源。

安庆石化能源计量无线数采系统的总体架构如图1所示。

图中最底层是现场数据采集层，无线IO模块与现场流量计通过RS485或HART接口连接，由无线IO模块将仪表数据通过无线电波发射到WIA-PA智能无线网关，构成了现场数据采集层；其次是WIA-PA无线网关通过双绞线接入工厂局域网，通过局域网将采集的数据上传至后台服务器或中心站。最上层是数据采集应用系统，主要实现人机交互和WEB数据展示功能，将现场采集数据集中显示、综合分析。

2.2 现场采集

WIA-PA现场数据采集系统，主要由WIA-PA无线适配器或WIA-PA无线IO与WIA-PA网关两部分组成，WIA-PA无线适配器或WIA-PA无线IO用来周期性从现场仪表采集数据，通过无线电波发送给WIA无线网关；WIA无线网关主要功能是对整个数据采集子网络进行管理及维护，针对用户提供系统分析、诊断功能和实时数据。WIA无线适配器或无线IO采用了嵌入式μcos实时操作系统开发，一个无线IO或适配器可接8～16台仪表。图2为现场数据采集结构图：

2.3 无线IO模块

安庆石化能源仪表大多具备RS485输出，接口比较统一，为此，我们采用了WIA无线IO模块。该模块是一种能够将现场有线设备的状态信息和工艺参数远程传送，并支持设备参数远程设定的WIA无线产品，具有实时数据采集功能，能够通过RS485、AI、DI接口采集现场有线设备的监测信息。该模块支持1路RS485、2路AI和2路DI接口，支持通过RS232接口进行本地维护，以及远程维护等。无线IO模块采用导轨设计，安装非常方便，且具防爆功能。

2.4 无线网关

无线网关是一种集成工业无线网络核心协议的短程无线通信设备，需要外接电源供电，工作在全球免费的基于工业标准802.15.4的2.4GHz频段，在没有中继器的情况下，最远通信距离可达1000米。

无线网关负责整个网络的管理、调度和优化，设定和维护网络通信参数，统一为网络设备分配通信资源和路由，配置网络的运行，调度网络设备间的通信，监控并报告网络的运行状态。无线网关还作为全网的时间同步源及均衡网络负载，提供消息缓冲与保存，桥接所有网络设备，它的作用至关重要，是整个无线网络的核心。

WIA无线网关支持一个或多个网络接入点和服务接入点。网络接入点提供连接其他网络的接口，比如工厂自动化网络，提供串口、以太网等多种连接方式，服务接入点为上位机应用提供访问和管理网络的接口。无线网关采用32位高性能ARM9处理器，运行Linux嵌入式实时操作系统，外扩丰富的存储资源及对外接口，支持Modbus TCP通信协议及定制协议。考虑到现场环境，我们采用了防护等级为IP65的防爆型无线网关。无线网关数据传输率为250kbps，一个无线网关下行可支持多达40个无线IO模块，完全满足现场仪表数据采集的需要。为了提高设备安全性以及方便无线网关的安装，我们在网关供电上采用了最新POE技术，通过POE-MH模块，利用双绞线多余的线传输直流电压供给网关，无需另外接入220V交流电。与此同时POE-MH模块还兼具防雷功能，能确保网络设备免受雷电、工业干扰等引起的过电压和过电流的损坏。

2.5 工业防火墙

为了及时给MES用户提供能源仪表数据，现场数据采集完毕，必须将数据传输到IP.21实时数据库。为了提高生产专网的安全性，系统需隔离生产网与管理网，为此，我们在无线数据采集平台与生产网之间加装了防火墙。防火墙采用了沈阳自动化所自主研发的工业级防火墙，该防火墙是一款面向工业控制领域的工业防火墙。它根据“纵深防御”的安全原则，通过对工业控制系统进行安全区域划分，建立不同区域之间的数据通讯管道，对管道数据进行全面的分析与管控，可对数据包进行深度检查，主要体现在：一是只允许OPC标准格式DCE/RPC访问请求；二是只允许特定客户端与服务器之间通讯；三是只允许客户端使用指定的端口通讯；四是只允许TCP通讯发生在特定的OPC连接时间内。

2.6 管理平台

采集管理平台安装了国产工业组态软件“组态王V6.55”、网页发布管理服务Tomcat和SQL Server 2008数据库。组态王通过MODBUS TCP将无线网关采集的数据报文进行解析，然后将每块仪表的数据写到组态王的数据字典中，同时存入SQL Server 2008，目前现场数据采集周期为5分钟一次。为了便于跟踪现场采集情况，在管理平台上开发了监控画面。另外，组态王本身向外提供了OPC服务，通过配置OPC Server，可将所需的变量通过OPC提供给IP.21实时数据库。此外，为便于用户对历史数据的查询和跟踪，在管理平台上通过Java 的ExtJS框架开发了B/S架构管理系统。页面发布是由Apache Tomcat 6.0完成，该软件功能与微软的IIS类似。用户通过浏览器可在互联网上查询实时数据和历史趋势图。

3 系统功能

安庆石化能源计量无线数据采集系统面向安庆石化实际情况，采用了定制的客户化开发，建立了计量仪表无线数据采集、设备维护与管理、WIA网络信息维护以及远程数据监控等功能的综合管理平台，系统主要由远程数据监控、网络管理、设备管理、后台管理四个模块组成。同时系统通过组态王的标准OPC方式连接了AspenIP.21数据库，实现能源无线采集系统与MES系统的数据交互。图3是系统与实时数据库、MES的接口流程图。

3.1远程监控

远程监控负责对水电气等多种能源介质的工艺过程进行计量与管理，设备远程监控支持设备变量的实时数据展示，功能导航显示实施的无线采集区域，在区域节点下显示了各仪表位号，通过选择位号可显示仪表的当前数据，按时间段可显示仪表的历史数据和趋势图。

3.2设备管理

设备管理界面为用户提供了设备的状态管理信息，通过列表可增删改查更多的设备详细信息，包括设备ID、出厂编号、设备型号、安装地点、启用时间、采样频率等。

3.3网络管理

网络管理部分的网关参数暂不支持界面配置，此页面仅作为网关参数的显示界面，包括：序号、IP地址、安装地点、Modbus端口、UDP端口、网络ID、广播信道、可用信道、超帧长度等信息。网络管理界面支持实时网络拓扑显示，可以显示网关、无线适配器以及仪表的网络拓扑结构。如有设备上线或下线，拓扑图能够实时反映网络状态。

3.4后台管理

后台管理支持信息修改，所属部门、密码、权限认证等信息的增删改查，在现有信息列表的基础上提供下拉菜单的信息配置选项。增加用户操作记录，包括设备配置、网络配置、数据采集配置等所有操作的历史记录。角色分为管理员与普通用户，从配置、远控、监测等多种功能上限制不同用户的权限，从计量中心、信息中心不同部门的业务角度区分用户角色。

3.5性能特点

经过一段时间的运行，工业无线网络在安装位置偏僻、网络条件差的仪表进行数据采集和监控应用方面，优势明显，主要体现在：一是该网络可针对应用条件和环境的动态变化，始终保持网络性能的可靠性和稳定性；二是能够在低成本的器件上实现，降低了技术开发与实现难度；三是用户能以较低的投入换来易于使用和维护的工业数据监控系统。

4 结束语

系统经过两个多月的运行，软硬件系统工作稳定，经受住了各种恶劣环境的考验。该系统的投用大大提高了能源计量工作的效率与设备检测的实时性，降低了人工抄表的错误率，同时其无线设备无需布线的优点也使得现场安装、移动、维护更加方便。2016年6月大检修期间，还有38块电能表准备实施，项目全部完工后，会极大改善安庆石化能源计量状况，进一步提升MES应用水平。