美國儀器儀表學會下屬的ISA100工業無線委員會于2009年4月通過了國際工業無線標準ISA100.11a，而Honeywell One Wireless工業無線網絡解決方案是與該標準兼容的。昌暉儀表在本文介紹了Honeywell One Wireless工業無線主干網絡的設備構成、特點及在中國的應用實例
作為無需布線的工業通訊方式，工業無線技術最近越來越被人們所青睞。工業無線技術是本世紀初新興的無線通信技術，他面向儀器儀表、設備與控制系統之間的信息交換，是對現有工業通信技術在工業應用方向上的功能擴展和提升。作為工業自動化領域前沿熱點技術，工業無線技術引領了工業自動化系統未來的發展方向。他的問世將引發傳統工業測控有線模式的變革，引領工業自動化系統向著低成本、高可靠、高靈活的方向發展。據介紹，美國能源部將工業無線技術列為實現到2020年美國工業整體能耗降低5％目標的主要技術手段之一。
企業為什么會采用工業無線技術呢？下面列出了目前工業無線技術應用的主要需求及其相對有線技術的優勢。
序號 對無線技術的主要需求 無線技術的優勢
1 測點分散，被鐵路、河流、建筑物分割 無需敷設橋架、電纜和接線
2 危險區域 沒有電纜和接線，減少火花產生的可能
3 工廠安全、排放、泄漏、火災 無線視頻、無線開關量變送器等集中監控
4 罐區儲罐分散，無集中監控設備 無線雷達液位計等可集中監控
5 大量的手動閥、就地指示表無法集中顯示 無線閥門定位器、無線讀表器等集中監控
6 現場移動作業的需要 有移動工作站
7 系統布置要求更簡潔、安全 無接線盒、無安全柵、不需I/O卡
8 改造項目時間緊迫 無線方案節省安裝費用、減少安裝時間
Honeywell公司長期致力于工業無線技術的研究和應用，2003年在全球第一個推出工業無線變送器—Honeywell XYR? 5000無線壓力變送器，2003年還受美國能源部委托研發應用于工業領域的無線技術以來，2007年6月11日，Honeywell宣布該公司的通用于各工業無線網絡解決方案—Honeywell One Wireless正式發布。2008年7月2日，Honeywell公司宣布推出其工業無線網絡解決方案Honeywell One Wireless更新版本，實現了與ISA100.11a工業無線通信標準兼容。ISA100工業無線委員會是由終端用戶和技術提供者組成，致力于通過制定一系列標準、建議操作規程、起草技術報告來定義工業環境下的無線系統相關規程和實現技術。2009年4月24日，以投票方式通過了國際工業無線標準ISA100.11a標準，這是ISA100標準族中的第一個標準，ISA標準委員會的儀表廠商成員如Honeywell，Yokogowa、GE等都明確支持該標準。2009年9月正式通過ISA(International Society of Automation，國際自動化學會)標準委員會表決，成為正式、開放的工業無線國際標準。OneWireless®網絡最新的版本是在2010年6月推出的R200。我國重慶郵電大學作為核心單位參與該標準的制定，不僅在策劃了2008年4月在重慶召開“ISA100.11a標準化會議”，還在2008年10月赴美展出了自主開發的ISA100.11a系統，并與Nivis公司一起搭建了ISA100 WCI一致性測試與驗證展臺。
Honeywell OneWireless無線主干網絡的設備構成
Honeywell One Wireless無線主干網絡的設備構成可能有很多方案，其中最常見的是由無線現場設備(如無線變送器)、無線網關(多功能節點或現場設備接入點)、無線管理平臺組成的系統(見圖1)。
圖1 Honeywell One Wireless無線主干網絡的設備構成
無線變送器是帶無線通訊功能的變送器；無線網關(多功能節點或現場設備接入點)支持同無線變送器的無線通訊并構建一個通訊速度非常快的無線Mesh主干網絡；WDM無線管理平臺管理無線現場設備和無線網絡，并實現與應用主機的通訊。
1、無線變送器
現階段Honeywell公司推出的無線變送器(部分產品見圖2)的品種有：
圖2 Honeywell公司推出的各種無線變送器
無線壓力變送器(絕壓、表壓、差壓)； 無線溫度變送器； 無線腐蝕變送器； 無線開關量輸入變送器； 無線開關量輸出變送器； 無線模擬量輸入變送器； 無線多輸入組合變送器； 無線設備振動(健康狀態)監測變送器； 無線雷達液位計； 無線讀表器； 無線閥門回訊變送器(定位器)； HART信號的無線轉接模塊。
上述品種中有的還可細分。如無線溫度變送器有自帶或不帶測溫探頭的；帶探頭的又分TC(熱電偶)或熱電阻的，還分法蘭接頭、套管或無外套的；無線模擬量輸入變送器有單點AI和多點之分，多點又有3個AI或1AI+2個TC、DI的組合；無線開關量輸入變送器分3點DI或2DI+1TC(熱電偶)；無線開關量輸出變送器分3DO或1DO+2AI(或2TC、或2DI)；無線多輸入組合變送器有兩個型號，并可組態為AI、DI、DO、TC的組合。
現場無線儀表可以安裝在危險環境中，如Class 1 Division 1區域，符合本安(除電池外)和隔爆認證，防護等級等于或高于IP66。
上述無線設備中，有少數因耗電量大，還需現場提供電源，如無線雷達液位計需要65/240VAC或24~64VDC電源，無線設備振動(健康狀態)監測變送器可用電池供電，也可以外部供10-30VDC電源。
現場無線儀表的刷新速度可以設定：1秒、5秒、10秒、30秒，未來可以達到0.25秒的刷新速度。
現場無線儀表通過組態不執行路由功能及可以自適應調節發射功率，如果選擇常溫下1秒的刷新速度，電池使用時間可以達到4.5年，而5秒以上的刷新速度，電池使用時間可以達到10年。
2、無線網關
Honeywell One Wireless網絡的設計具有非常靈活的擴展性，既可以是單一的無線變送器網絡，也可以是支持全廠多種無線應用的、全面的工廠級無線網絡。在2010年6月推出的R200 OneWireless網絡最新版本，他支持用戶在其相關設施的不同區域設計具有各種無線覆蓋能力的無線網絡。如僅針對無線現場儀表的無線網絡架構，可選擇無線變送器本身的路由功能，由現場設備接入點FDAP實現；也可以同時支持無線現場儀表、多種無線應用、有線設備無線轉接、有線網絡無線互聯等多種功能的無線網絡架構，由多功能節點實現。一個無線網絡可以有多個網關，網關之間支持無線通訊，每個網關都能管理100臺現場無線儀表(刷新速度1秒時)，每個網關都可以配置冗余網關。多功能節點/現場設備接入點FDAP不作為網關時可以支持20臺無線變送器(1秒刷新時)或80臺無線儀表(大于1秒刷新時)。
整個無線網絡信號傳送是依靠節點路由來實現的，無線變送器本身選擇路由功能時，需要消耗額外的電池能量，所以電池的壽命比較短，網絡的通訊時間滯后較大，無線變送器通訊速度較慢，從而無線變送器的刷新速度不可能做到很快。當無線變送器本身不選擇路由功能時，可采用多功能節點路由方案，此時無線變送器的刷新速度快，電池的壽命長。
2.1 現場設備接入點
現場設備接入點FDAP(Field Device Access Point)(見圖3)僅支持ISA100無線變送器的無線通訊，設置路由功能的無線現場儀表不僅可以無線傳輸自己的數據，也可以為相鄰的無線現場儀表進行無線路由，并最終通過FDAP或多功能節點作為網關同有線控制網絡連接，實現數據集成。現場設備接入點采用雙天線結構設計，確保mesh多路徑通訊環境時無線數據可靠性；在現場設備接入點之間或同無線現場儀表之間的無線通訊距離為450m。
圖3 現場設備接入點
2.2 多功能節點
一個或多個多功能節點(Multinode)(見圖4)構建無線Mesh主干網絡，現場無線變送器可以自動選擇與任何一個多功能節點進行無線通訊。
圖4 多功能節點
Mesh主干網絡支持多種應用，不僅支持同無線變送器的無線通訊，還支持移動工作站、無線視頻監視、無線讀表器、無線語音通話等等，同時支持現場Ethernet設備的無線轉接，即現場的第3方設備可以直接有線接入多功能節點從而進入無線網絡，或者配置無線轉接模塊同多功能節點無線通訊。
每一個多功能節點都可以同時作為網關或配置冗余網關同DCS、PLC進行數據集成，兩個10/100Mbps以太網通訊口可以同時接在一個交換機上，用于控制系統的通訊：Modbus、TCP/IP、OPC，或用于多功能節點之間的有線互聯，或用于轉接Modbus、RTU、TCP/IP設備進入無線網絡。
在現場變送器與多功能節點之間的傳感器網絡采用了SP100協議，而多功能節點之間以及Experion 移動工作站、標簽掃描儀等現場設備與多功能節點之間的網狀網絡采用Wi-Fi(802.11X)協議。
變送器同多功能節點之間的通訊距離為610m(采用高增益天線時為3-4km)，2個多功能節點之間的通訊距離為1km(采用高增益天線時為10km)。多功能節點可以安裝在危險環境中，如Class 1 Division 2或Class 1 Division 1，防護等級IP66，多功能節點由外部24V 0.5A直流供電。
2.3 無線管理平臺
無線管理平臺(WDM)管理所有的無線現場設備，如ISA100.11a無線變送器、現場設備接入點FDAP和多功能節點等無線網絡設備。WDM承擔無線現場儀表網絡網關、系統管理器以及安全管理器的角色，他用于初始化無線設備的組態，并存儲組態無線設備所需的無線網絡系統數據。他實現無線現場儀表網絡的安全管理，生成、發布和管理所有現場設備加入無線安全網絡所需的安全密鑰。它還提供Modbus、HART、OPC和專有協議等數據集成通訊接口，實現無線網絡數據同DCS控制系統的數據集成。
一個無線網絡最多可支持40個現場設備接入點FDAP和多功能節點，根據選擇刷新速度的不同，總計支持的無線變送器臺數可達800(1秒刷新時)-3200(>1秒刷新時)，可見一個無線管理平臺的規模能夠做到很大。
Honeywell OneWireless工業無線技術的特點
與其他類型的工業無線技術相比，Honeywell OneWireless具有如下特點：
1、一個無線平臺支持多種應用，如過程參數的監控、安全視頻監視、流動作業、移動設備的即時定位、管道腐蝕監測、設備狀態診斷(如振動、轉速、位移)等等；
2、一個無線平臺支持多種通訊協議，可以支持HART、Profibus、FF、Modbus(Serial和TCP)以及OPC等多個協議；
3、無線網絡來連接的現場設備種類齊全，不僅有HART設備，還有4~20mA模擬設備、熱電偶、熱電阻、閥位、DI、DO，甚至還可以通過無線讀表器連接就地顯示圓形刻度盤的壓力表、真空表、溫度計，擴展了無線解決方案涉及的產品系列；
4、無線網絡來連接的現場設備參數除了包括常見的壓力、流量、溫度、物位外，還包括管道腐蝕監測、設備狀態診斷(如振動、轉速、位移)等特殊參數；
5、現場無線儀表的刷新速度快，目前可以設定為1s，未來可以達到0.25s，從而為無線傳送的參數用于重要場合的閉環調節控制創造了條件；
6、傳輸距離遠，變送器同多功能節點之間的通訊距離為610m~4km，2個多功能節點之間的通訊距離為1km~10km，因此一個網絡的覆蓋面積可以達到數十平方公里；
7、現場無線儀表電池的使用時間可以達到4.5年以上；
8、擴展方便，規模可大可小，刷新速度1秒時現場無線設備為800臺，刷新速度30秒時現場無線設備為3200臺；
9、支持移動設備如移動工作站、IntelaTrac PKS無線手持巡檢設備(現場人員手持設備，可以通過無線網絡自動收集現場數據，執行資產智能管理)；
10、通過XYR400E無線轉接模塊可以無線轉接如下協議的第3方設備：RS232、RS485、Ethernet，第3方設備如PLC、分析儀、照相機、報警盤等。
Honeywell OneWireless系統在中國的應用
1、中石化鎮海煉化8公里乙烯運輸管線
中石化鎮海煉化計劃修建一條低溫乙烯運輸管線，總長約7650m，連接裝卸碼頭和低溫罐區。乙烯運輸溫度要求為-150℃至-100℃。為確保管線運輸正常工作，需要對管線溫度實時監測。管線兩端約500m各有一個溫度測點，其他5個測點分布為平均每隔1km一個溫度測點，共有7個溫度測點(其中2個溫度測點為有線溫度變送器，5個測點采用無線溫度變送器)。管線溫度數據要求傳輸至低溫罐區控制室DCS控制系統實現集中、實時監測。如果采用常規的有線方案，數公里外的溫度信號傳輸至DCS控制室，信號衰減已經非常弱，不能正常測量。采用其他方案也存在設備昂貴、工程實施困難、后期維護費用高等問題。
采用Honeywell公司的One Wireless工業無線解決方案，無需安裝電纜、橋架和接線，非常容易就可以實現對乙烯管線的監測。系統配置如下：
多功能節點，3臺；無線溫度變送器，5臺；有線溫度變送器，2臺；熱電阻，7支；無線管理平臺，軟件25點；工作站，DELL D630；無線網絡授權設備，XSK00
安裝在管線上的無線溫度變送器同多功能節點進行無線通訊，4臺多功能節點之間無線通訊構建mesh無線主干網，位于低溫罐區的多功能節點M1作為網關，把所有數據同時傳輸至罐區DCS控制系統，采用Modbus RS485 同控制系統數據集成，乙烯運輸管線無線通訊系統示意圖見圖5，圖中，M1-M3為多功能節點，T1-T7為無線或有線溫度變送器。
圖5 乙烯運輸管線無線通訊示意圖
無線網絡通過多功能節點M1以用Modbus RS485接口同DCS控制系統數據集成，無線管理平臺，安裝在罐區控制室，完成如下功能：可視化監測無線網絡的通訊狀態；支持無線變送器在線遠程組態；負責無線網絡的診斷和安全管理。
2、中石油西固油庫
中石油西北銷售公司西固油庫改造項目中，要求做到以下幾點：在罐區增加輸油管路壓力測點；需要支持員工在鐵路棧橋作業時，能夠實時獲取控制系統的數據和實時錄入裝車數據和信息；需要實時獲取遠離控制室的北灘油庫數據，實現數據共享。
Honeywell為該項目提供無線設備包括：5臺多功能節點、20臺無線壓力變送器、4臺移動工作站/RESS Server、無線管理平臺。
Honeywell還為該項目提供PKS控制系統，實現庫存管理系統、油品移動系統、公路自動付油系統、鐵路定量裝車系統、訂單管理系統、在線設備管理系統、CCTV監控系統、無線通訊及廣播系統、門禁系統和績效管理系統。
通過5個多功能節點構建的無線網絡架構同時支持3個無線應用：
① 支持4個移動工作站，實現現場移動作業，實時瀏覽PKS控制系統畫面、組態、報表、報警等，以及輸入鐵路裝卸站臺的過程數據；
② 支持同30臺無線壓力變送器的通訊和過程數據監測；
③ 用Modbus TCP將無線網絡有線接入北灘油庫計量PLC控制系統和西固油庫PKS控制系統。
西固油庫無線通訊結構見圖6。
圖6 西固油庫無線通訊示意圖
無線技術將過程自動化延伸到了控制室之外。Honeywell的移動工作站是第一款實現無線移動生產的解決方案，該方案將關鍵過程信息、歷史數據、圖片以及其他關鍵功能的獲取范疇進一步延伸到了現場。
圖7 移動工作站
移動工作站高效移動解決方案，支持在現場移動作業。經認證可以用于危險環境的耐用型移動工作站，支持工作人員在鐵路裝卸碼頭現場通過無線的方式訪問Experion PKS SCADA控制系統的關鍵過程參數、歷史數據、圖形、過程畫面、維護信息和其它重要數據(見圖7)，也可以直接輸入過程參數。通過移動工作站，運行入員可以在現場實時了解現場操作對生產過程的影響。
無線變送器可以自動選擇同多功能節點M2、M3、M4或M1進行無線通訊，多功能節點之間無線通訊構建mesh無線主干網，位于控制室附近的多功能節點M1作為網關，把所有數據傳輸至PKS控制系統，進行數據集成。北灘油庫計量系統現場附近安裝一個多功能節點M5，有線接入北灘油庫計量系統。M5可以通過無線骨干網絡通訊，將數據傳至無線網關M1，實現同西固油庫控制系統的數據集成，從而使北灘油庫PLC計量系統的數據以無線方式采集到PKS控制系統。
4、重慶錦湖化工廠回轉窯
重慶錦湖化工廠worlsey回轉窯上有多個測溫點，以往采用滑環的方式從轉動的窯體上引出測溫信號，由于接觸不好，信號不穩定，影響測溫效果，故采用無線方案。16臺無線溫度變送器自動選擇同多功能節點M1、M2進行無線通訊，位于控制室附近的多功能節點M1作為網關，把所有數據傳輸至控制系統及無線管理平臺，進行數據集成。
圖8 錦湖化工廠worlsey回轉窯無線通訊結構
Honeywell One Wireless啟動套件
Honeywell One Wireless啟動套件為您全面介紹了Honeywell工業無線解決方案，該啟動套件包括兩個Honeywell XYR 6000無線變送器，可支持在傳統硬接線變送器執行起來相當昂貴、困難或耗時的區域提供自動監視功能。如果您希望在該套件所包含的變送器中另外增加傳感器，還可以增加表壓、絕壓、差壓、溫度和腐蝕狀況的設備。啟動套件中包括一個與傳感器進行無線通信的多功能節點，從而構成一個可控制的、安全的冗余無線網絡。此外，多功能節點還與霍尼韋爾基于PC的無線服務器相連接，提供了組態性能，并實現了與控制系統之間的通信。
通常一個Honeywell One Wireless啟動套件的現場安裝調試時間只需20min。
