霍尼韦尔公司工业无线解决方案的网络特点：支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表--控制网



霍尼韦尔公司工业无线解决方案的网络特点：支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表
企业：霍尼韦尔中国公司 日期：2010-03-23
领域：工业无线 点击数：3264
    

    江天生

    男，清华大学工商管理硕士，霍尼韦尔（中国）有限公司中国区无线产品业务经理，研究方向为无线技术在工业领域的应用和技术特点，以及无线国际标准。

    摘要：本文针对工业无线应用场合对单一无线架构的需要，即一个无线架构同时支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表。也详细阐述单一无线网络架构的优势和价值，以及霍尼韦尔公司One Wireless无线解决方案的一个无线网络架构支持多种无线应用、无线网络通讯的工业等级的安全性和可靠性、以及同DCS控制系统无缝式数据集成等技术特点。

    关键词：无线主干网络；One Wireless；多功能无线网络架构；解决方案；ISA100；Wireless HART

     Abstract: This paper mainly focuses on the multifunctional wireless network structure and the advantages of one structure that supports multi protocol wireless instruments of Honeywell’s One Wireless Solution. The integration with DCS system is also mentioned as well.

     Key words: Mesh Wireless Network; One Wireless; Multifunctional Wireless Network; Wireless Solution; ISA100; Wireless HART

    霍尼韦尔公司是把工业无线技术应用于过程控制的领先者，是全球第一个提供工业无线解决方案的DCS供应商，全球第一个在业内推出工业无线变送器，全球第一个推出能够应用于控制的无线冗余网关。自2003年，受美国能源部委托研发应用于工业领域的无线技术以来，已经获得300余项工业无线专利以及正在申请的专利。

    霍尼韦尔的无线产品符合开放的ISA100工业无线国际标准，支持基于ISA100标准的前后兼容和互操，能够有效保护用户的投资。ISA100标准实现一个无线网络同时支持多种无线应用、同时支持多种通讯协议的现场仪表。同时配置一个无线管理平台即可以实现对现场无线网络的安全管理、通讯管理和设备管理。

    1 工业无线应用场合的对单一无线架构的需求

    当前工业流程的过程控制非常复杂，其中一个主要方面就是采用了很多种有线通信协议，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet、ControlNet以及其他类似的标准和专用协议。工业应用场合通常都会有若干个有线协议并存。每个协议都基于各自的专用架构（最典型的就是铜导线），因此多个协议可以轻松地共存而不会相互影响。
不同于有线应用的每个协议都有自己的架构或传导介质，无线版本的这些协议却需要共享一种公共介质——空气，这些协议必须在这种公共介质中共存，而且会由于处于同一个物理空间而相互干扰。因此，把工业无线应用在工厂控制领域的应用时，就需要一个单一架构，即在一个工厂，通过构建一个无线网络，来同时支持多种应用和多种通讯协议的现场仪表。这既可以减少不必要的相互干扰，确保无线通讯更加可靠，同时也节省了用户的投资，减少用户因为一个工厂建立多个无线平台带来的管理上的困难。

    Honeywell公司的One Wireless无线方案就是一个多功能的无线网络，实现一个平台支持全厂的多种应用，如过程参数的监控、安全视频监视、支持流动作业、移动设备即时定位、管道腐蚀监测、设备状态诊断（如振动、转速、位移）等等；一个平台支持多种通讯协议的现场仪表：如HART，Modbus，FF，4~20mA等；工厂运行维护人员不必面对多个单独的单一功能无线网络平台，不必为管理不同的单一功能无线网络而烦恼。

     2 ISA100工业标准，实现单一无线架构支持多种无线应用

    目前把无线技术应用于工业控制的技术方案主要有2类，即通过无线仪表本身路由或通过节点来路由。其中WirelessHART标准的无线网络，就是依靠无线变送器本身路由来实现的；而ISA100工业无线标准的整个无线网络是依靠节点路由来实现的。

    两种解决方案都为了达到工业等级的无线应用而集成了mesh多路径的通讯技术、跳频扩频通讯技术以及基于精确时间同步的通讯和基于数据碰撞的通讯技术。但是两种方案的技术设计理念和技术特点却有很大的差别。

    （a）以WirelessHART为代表的，无线网络依靠无线仪表路由来实现

                  

    该解决方案的主要特征是现场仪表配置路由功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，而且同时为其它仪表的通讯进行路由。通常配置一个网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。由于整个无线网络自组织、自愈合，所以优点就是实施较为简单。

    但是这种技术路径的缺点也非常明显。

    首先网络的通讯时间滞后较大、无线变送器通讯速度较慢：因为整个无线网络的通讯是通过低速通讯的无线变送器路由来实现的，所以整个无线网络的通讯速度必然受到限制，从而无线变送器的刷新速度不可能做到很快，典型的是1分钟，也可以做到16秒和8秒。

    整个网络的通讯时间滞后可能很明显，典型的是10秒。设定的刷新速度越慢，网络的通讯时间滞后也越长；网络所带设备的数量愈多，需要路由和中转的次数愈多，网络通讯时间的滞后也越长。

    其次，无线变送器的电池寿命也会因为仪表的路由而受到影响。当一台无线变送器为其它无线变送器进行路由时，需要消耗额外的电池能量。由于无线变送器电池90%的能量都是消耗在无线发射上的，所以电池的寿命比较短，典型的是常温下1分钟刷新速度时候电池可以使用5年。但是在快速刷新时，如8秒时电池的寿命会很短。

    而且由于无线设备路由的次数，与整个网络的规模和测点的分布相关，是不确定的，所以即使电池的电压可以随时显示报警，但是电池什么时候电压低是不可预测的，即电池的寿命很难预测。

    而且由于锂电池本身属于高蓄能设备，不可能做到本质安全，所以在石油化工厂的应用需要隔爆的变送器选型。但是由于需要频繁更换电池（仪表刷新速度快时，如8秒），所以会在现场后期的维护时带来很多不便之处。

    其三，也正是由于考虑到网络通讯时间滞后和通讯速度的因素，整个无线mesh网络的通讯路由次数必需有所限制，即最远的仪表到网关的路由次数不能大于多少次，否则通讯时间滞后会很长；同时通讯时间滞后的因素也决定了整个网络的规模，如无线仪表1秒刷新时一个网关所带的设备可能非常有限。

    当在大项目中应用时，可能需要配置很多网关，分别构建很多个无线网络。这个时候，就会遇到不同无线网络之间的干扰问题，以及如何统一管理多个无线网络的问题。

    最后，这种以WirelessHART为代表的通过无线仪表本身路由来构建无线网络的无线解决方案，一个无线架构只支持某种通讯协议的无线仪表无线通讯，如WirelessHART仅仅支持HART仪表的无线通讯。这没有考虑到支持其它协议的现场仪表和其它无线应用（如移动工作站、可燃气体监测、无线视频监视、无线音频通讯等等），也是其不足之处。

    当然这个单一无线架构的优势就是，其应用范围集中、实施简单，适合小规模、刷新速度要求不高、对电池寿命要求不长的场合。而且由于其支持单一的通讯协议，所以可以继续支持原有协议的管理工具，如WirelessHART支持HART仪表的无线通讯，可以继续利用现有的HART管理工具。

    （b）以ISA100为代表的，通过节点路由来实现无线通讯

                 

    该方案主要是由节点构建一个通讯速度非常快速的无线mesh主干网络，而且这个无线主干网络自组织、自愈合，同时支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表。现场无线仪表可以自动选择同任意一个节点进行无线通讯，自组织、自愈合。但是现场仪表不配置路由功能。通常任何一个节点都可以或同时作为网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。

    这种方案的优点就是由于节点构建的快速的、mesh主干网络，使得无线变送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于无线变送器只需要1个“hop”就可以把数据传输到一个通讯速度非常快的无线主干网上，所以整个网络的通讯时间滞后也很短。

    因为每台无线变送器都不为其它变送器的路由，所以电池的寿命很长，常温下1秒刷新的时候就可以达到5年。而且正是由于没有配置路由功能，所以电池的电压不仅可以随时显示报警，而且电池什么时候电池电压低，即电池的寿命，都是可以预测的。

    而且这种解决方案由于整个架构的优势，网络的规模非常灵活，一个网络支持的无线仪表的数量可以达到上千台。

    另外这个多功能的解决方案实现了一个无线架构支持多种协议的现场仪表和多种工厂的无线应用。

    3 霍尼韦尔公司无线解决方案，支持ISA100工业无线国际标准，实现一个无线网络架构支持多种无线应用，为用户带来优势

    霍尼韦尔公司的OneWireless无线网络架构，是一个多功能的工业无线网络，符合开放的ISA100工业无线标准，安全、通用、支持多种应用，可以支持的设备如变送器、阀门、WiFi设备、移动工作站、即时定位设备、烟气探测等等；支持多种现场仪表的通讯协议，如HART、FOUNDATION Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

    霍尼韦尔公司One Wireless无线解决方案，是由多功能节点（Multinode）构建一个通讯速度非常快的无线Mesh主干网络，现场无线变送器可以自动选择与任何一个多功能节点进行无线通讯。整个无线网络自组织，自愈合，冗余网关的设计，没有单点故障，同时采用了2.4GHz ISM频段DSSS跳频通讯，确保无线通讯能够达到工业等级的可靠性和安全。

    无线主干网络支持多种应用，多功能节点不仅支持同无线变送器的无线通讯，如3通道无线温度变送器，无线压力变送器（绝压、表压、差压），3通道无线开关量输入变送器（3个DI或 1个TC + 2 DI）；3通道无线模拟量输入变送器（3个AI或1AI+2个TC、DI的组合）；3通道无线开关量输出变送器（1个DO+2个AI、TC、DI的组合） ；无线腐蚀变送器；无线阀门定位器（测量阀门的实时开度）；无线雷达液位计（Honeywell Enraf）等等，而且同时支持无线振动监视、移动工作站、无线视频监视、无线读表器、无线语音通话等等。

    不仅如此，无线主干网络还可以同时支持现场Ethernet设备的无线转接，即现场的第3方设备可以直接有线接入多功能节点从而进入无线网络。或者配置无线转接模块，然后同多功能节点无线通讯。

    无线主干网络所支持的现场仪表可以符合多种通讯协议，而不会局限于某种单一的通讯协议。如无线网络同时支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多种通讯协议的现场仪表。

    而且，还会配置一个无线管理平台，可视化管理现场无线网络，支持对无线网络的诊断和维护；支持对现场无线变送器的在线远程组态、负责统一管理整个网络的安全；运行人员通过这一个平台即可管理这个支持全厂多种应用和多种通讯协议现场仪表的无线网络。当同霍尼韦尔Experion控制系统数据集成时，这个无线管理平台的所有功能都完全一体化集成在控制系统的Control Builder中。

    通过构建一个无线平台，支持整个厂区的、大规模的无线应用；支持全厂的多种无线应用；使用一个无线管理平台统一管理整个无线网络的安全、通讯和设备组态、诊断等等，能够为最终用户带来极大的便利。

    用户无需为工厂的现场仪表建立很多个独立的、同类无线网络；无需为工厂不同的无线应用而建立多个不同的无线网络；无需担心很多同类但独立的无线网络之间的相互影响。工厂运行维护人员不必面对多个单独的单一功能无线网络平台，不必为管理不同的单一功能无线网络而烦恼。这也大大降低了用户的管理费用、维护费用、培训费用、安装费用等。

    One Wireless无线解决方案的优势，不仅在于降低安装成本，更体现在支持充分利用工厂工业无线网络，支持更多的应用，提高和优化工厂管控水平。One Wireless无线解决方案灵活、开放的基础构架，能够支持工厂实施先进的高级优化应用。霍尼韦尔公司在产品上向下和向上的兼容，支持霍尼韦尔公司的已有产品、经过认证的第三方符合标准的变送器以及其它符合IEEE 802.11的第三方产品，保护用户的投资。

    4 总结

    霍尼韦尔的OneWireless无线解决方案符合开放的ISA 100工业无线标准，实现一个无线网络架构同时支持多种通讯协议和多种无线应用，并通过开放的标准通讯接口实现同控制系统的无缝式数据集成。

    通过把有线的控制网络无线延伸到现场，可以经济、高效的优化工厂的运行，提高可靠性和安全水平，以及更加环保，节能减排。One Wireless网络统一的端对端的安全管理，可以确保通讯安全；电池管理也非常高效、可预测电池寿命；可设定的快速网络监控速度，支持从监测到闭环控制的所有应用。

参考文献：

[1] Deborah Hairston AuthorJeff Becker，Honeywell Process Solutions，Chemical Engineering www.che.com November 2007.

[2] Honeywell 公司无线技术资料.

[3] 控制工程中文网: 无线仪表的拓扑结构.



                                                                                       源自《自动化博览》
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