流程行業無線技術應用發展綜述

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院，云南 昆明 650051)

0 引言

早期的無線技術作為有線技術的補充，只是單純的通信手段，以解決長距離數據傳輸為目的，多為點對點通信。到了21世紀初，無線技術以解決低成本的信息獲取為目的，實現大規模網絡化，力圖推動工業測控方式的變革。當前，無線傳輸技術包括藍牙、ZigBee、超短波數傳電臺、WiFi、GPRS等。在工業生產過程測量和控制領域，引起業界廣泛關注的工業無線通信標準有 Wireless HART、ISA100.11a和 WIA-PA。

1 信號傳送發展歷程

回顧20世紀的發展，工業生產過程測量和控制的信號傳送方式大致經歷了如下發展過程:①由多類別信號到統一信號;②由氣動信號到電動信號;③由模擬信號到智能數字信號;④由一對一傳送到總線傳送;⑤由有線到無線，如圖1所示。

圖1 工業生產中信號傳送的發展過程Fig.1 Development process of the signal transmission modes in industrial production

2 流程行業無線技術

無線技術是節能環保、節省投資和運營費用、提高效率的新技術，所以它是工業測控系統領域的革命性技術。流程行業無線技術無需大量敷設導線、穿線管、電纜橋架，可以節省大量的銅、鋼材等原材料;現場設備的長期持續供電可以由斷續供電且通電時間占比非常小的電池取代，節能效益顯著;設計、安裝施工、投運工作量大大減少，時間大大縮短。

以昆明有色冶金設計研究院的某工程項目為例，其設計方案采用常規有線設備，圖紙目錄如表1所示。如設計方案采用無線設備，表1中序號為12～19的圖紙可以省去，從而使圖紙張數減少46%，總圖幅減少42%，這樣就省去了部分布線復雜、容易出錯、耗費精力的圖紙，從而減少了工作量。

對于自控工程安裝施工隊來說，采用無線設備后，導線、穿線管、電纜橋架的施工量可以減少80% ～90%，大量的耗費體力甚至需要高空作業的工作可以精簡，投產前核對信號線的工作也得以簡化;而對于現場維護人員，少了許多接線柜、接線箱、敷設電纜、搭建橋架等工作，維護工作量大大減少。

表1 某工程項目圖紙目錄Tab.1 Directory of the drawings for a certain engineering project

近年來，一個新的提法——工業無線技術提高工廠效率，引起業界人員的廣泛關注。這是因為之前提到工業無線技術的優點時，更多強調的是可避免硬接線的成本;而在工業無線技術投入運行之后，工廠管理人員、自控維護人員、生產操作人員更深刻體會到其最大的優點是提高工廠效率。比如對以前難以傳送到控制室的參數實現監控;檢測參數的增加幾乎隨時可以實現，系統擴展更快速便利;當操作人員離開控制室時，可以借助移動工作站和巡檢設備進行操作;硬接線的現場普通儀表升級為智能儀表(帶遠程維護、遠程自診斷功能)。

3 流程行業無線技術的三大國際標準

3.1 三大國際標準

目前在工業生產過程測量和控制領域，引起業界廣泛關注的工業無線通信標準主要有:以美國Emerson Process公司主導的 Wireless HART(HART通信基金會的規范)、以美國 Honeywell公司主導的ISA100.11a(美國 ISA學會的標準，產品名稱為OneWireless)、中國工業無線聯盟提出的WIA-PA。

3.2 三大國際標準的發展和融合

三大國際標準雖然采用的技術路線不同，但由于無線技術是全新的通信技術，所以各個標準之間雖有差異，但也能相互溝通、相互融合。如美國Honeywell公司2003年推出采用ZigBee無線網絡的XYR 5000壓力變送器，載頻為915 MHz;2007年推出的OneWireless，采用了ISA100.11a無線網絡的XYR 6000壓力變送器，載頻為2.4 GHz。Honeywell無線變送器最初無路由功能，后期版本路由功能可選;最初作為無線網關只有多功能節點，后來又增加了現場設備接入點(field device access point，FDAP)。最初WIA-PA路由器是獨立的設備，現在全部與變送器合為一體。ISA100.11a(OneWireless)、WIA-PA都開發了HART適配器，允許使用HART協議，現在Wireless HART也增加了WiFi的接入功能。

4 流程行業無線技術應用的熱點分析

作為流程行業無線技術的用戶來說，對于無線技術的機理不會過分關心，但對于與實際應用有關的系統構成、特性、安全、費用等熱點則會非常關注。下面將介紹這些熱點。

4.1 網絡

Wireless HART 基于 IEEE 802.15.4 的物理層，定義了數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，網絡采用網狀(Mesh)網絡拓撲結構。Wireless HART建立在HART標準上，是HART通信協議的進一步延伸。由于目前全球已安裝使用HART儀表3000萬臺以上，應用基礎廣泛，有很多現成的工具可用，因此HART用戶接受得更快，更容易直接使Wireless HART進入產品化階段。Wireless HART應用以HART通信協議的現場儀表為主，也可以接收4～20 mA信號。

ISA100.11a(OneWireless)也是基于 IEEE 802.15.4的物理層，定義了數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，網絡采用網狀(Mesh)和星型(Star)網絡拓撲結構。ISA100.11a(OneWireless)不但能接納 HART協議，還能接納Profibus、DeviceNet、FF等，成為它們統一的無線協議接口。OneWireless無線架構支持符合ISA100.11標準的無線現場儀表，支持多種其他通信協議的現場儀表，如HART、Modbus、FF、4 ～20 mA等。這個無線平臺同時還支持802.11 WiFi無線設備，如多功能節點與多功能節點之間，多功能節點與無線視頻、移動工作站、振動監測設備之間的連接;支持有線設備(如PLC或其他以太網設備)的無線轉接。這對于構建未來的單一多功能無線網絡更有積極意義。

WIA-PA基于 IEEE 802.15.4的物理層和 MAC層，定義了數據鏈路子層、網絡層和應用層，網絡采用簇型(Cluster)和網狀(Mesh)相結合的兩層網絡拓撲結構。WIA-PA支持HART協議，還能接納 Profibus、Modbus、FF 等。

4.2 路由

路由是指從一個接口上接收到數據包，根據數據包的目的地址進行定向發送并轉發到另一個接口的過程。路由工作包含兩個基本的動作:確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息(即數據交換)。

Wireless HART系統中的無線現場設備均具有路由功能。距離無線網關較遠或與無線網關之間有障礙物的無線現場設備可通過確定最佳路徑，由鄰近的無線現場設備路由將信息傳送到無線網關，這是路由功能最大的優點。解決方案的主要特征是現場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數，而且可以同時為其他儀表的通信進行路由。

WIA-PA系統早期有單獨的路由器，而且是可以接收多臺現場設備信號的路由器。但據了解，目前路由功能均作為無線現場設備的一部分提供。

ISA100.11a(OneWireless)的早期版本不支持路由功能，而無線現場設備不帶路由功能。這就要求作為無線網關的多功能節點以及隨后推出的現場設備接入點(FDAP)與所有無線現場設備之間沒有障礙物，能直接進行通信。2010年6月推出的R200版本中，無線現場設備通過組態可以執行路由功能或不執行路由功能。當組態為執行路由功能時，它與 Wireless HART、WIA-PA系統在路由這一點上就沒有區別;當組態為不執行路由功能時，現場設備接入點(FDAP)和多功能節點應直接與區域內所有無線現場設備通信，其優點是減少數據無線傳輸的跳數、加快數據刷新速率、降低數據傳輸的不確定性時延及安全風險、提高可靠性，同時減少電池能量的消耗，延長電池的使用壽命。

4.3 刷新速率

當現場無線設備有路由功能時，大部分變送器需經多臺無線變送器的路由才能將信號傳送到網關，所以網絡的通信時間滯后較大，無線變送器通信速度較慢，從而使無線變送器的刷新速率不可能達到很快。

Wireless HART目前可選的數據刷新速率為:8 s、16 s、32 s或1 ～60 min，未來可以達到 4 s，甚至還出現過刷新速率為 1 s的非正式說法［1］。ISA100.11a(OneWireless)目前的數據刷新速率為:1 s、5 s、10 s、30 s，未來預計可以達到0.25 s，最新的說法是可以達到0.1 s。WIA-PA 的數據刷新速率為:1 s～1 h。

4.4 電池壽命

無線現場設備的電池壽命通常取決于傳送數據的刷新速率、是否具有路由功能、環境溫度及無線設備的種類。刷新速率快、帶路由功能、環境溫度高、測量信號數量多的無線現場設備，其電池壽命較短。

Wireless HART無線變送器的電池壽命為1～10 a。ISA100.11a(OneWireless)無線現場設備通過組態為不執行路由功能時，如果選擇常溫下1 s的刷新速率，則電池使用時間可以達到4.5 a，而5 s以上的刷新速率，電池使用時間可以達到10 a;當組態為執行路由功能時，電池使用時間將縮短。WIA-PA的電池壽命為1～5 a。也有公司正在開發利用太陽能電池、風能電池就地供電的無線現場設備。

4.5 傳輸距離

傳輸距離取決于環境條件、天線種類等。Wireless HART采用短天線時，無線設備的最大有效信號傳遞距離為230 m，采用長天線時無線設備的最大有效信號傳遞距離為800 m;在一般建筑物內，無線設備的最大有效信號傳遞距離為75 m，在厚實的建筑物內，無線設備的最大有效信號傳遞距離為30 m。ISA100.11a(OneWireless)無線現場設備同多功能節點之間的通信距離為610 m，采用高增益天線時為3 km，兩個多功能節點之間的通信距離為1 km，采用高增益天線時為10 km;當無線現場設備組態具有路由功能時，兩個無線現場設備之間的通信距離為400 m。WIA-PA無線設備在室內的通信距離為200 m，在室外為1 km。

4.6 變送器種類

艾默生公司推出的無線現場設備的品種有:無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線分析變送器、無線閥門位置變送器、無線機械健康狀態變送器、無線開關量變送器、無線振動音叉液位開關、無線聲感變送器、智能無線適配器。

Honeywell公司推出的無線現場設備的品種有兩大類，一類支持 ISA100.11a，另一類支持 802.11 WiFi。支持ISA100.11a的工業無線設備包括:無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線腐蝕測量變送器、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、無線雷達液位計、無線閥門回訊變送器(定位器)、HART信號的無線轉接模塊。支持802.11 WiFi的無線設備包括:無線設備振動(健康狀態)監測變送器、無線讀表器、無線視頻、移動工作站、無線巡檢、無線可燃氣體變送器。

WIA-PA系統推出的無線現場設備的品種有:無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線 I/O設備(可接收AI/AO/DI等類型的信號)。

4.7 安全

無線數據傳送是否可靠安全是很多用戶最擔心的問題。無線節點面臨的威脅包括:竊聽、篡改數據以及拒絕服務攻擊等。從流程行業無線技術發展歷程來看，2003～2006年間，小規模的試驗階段經歷了4 a左右，然后從2007年開始商業推廣，三大標準也幾乎同時在中國市場應用。到目前為止，這個過程又經歷了4～5 a，每一個標準在中國的用戶數都達到近百個或更多，應用規模最大的達到四五百點，應用的行業已經有石化、冶金、電力、煤炭、煙草、長距離管線、海上石油平臺等各行各業。

德國測量與控制標準委員會NAMUR于2009年11月提交了一份報告，表示經過對ABB、艾默生過程管理、E+H、MACTek、P+F和西門子公司提供的Wireless HART設備的測試表明，Wireless HART符合NAMUR的推薦技術規范NE124“無線自動化的要求”和工作草案NA115“過程自動系統的IT安全”。測試包括在實驗室對Wireless HART的特性指標進行評估以及在實際過程工廠環境中的多項應用測試，現場測試在位于德國路德維希港的巴斯夫公司進行。通過測試，MAMUR最終得出結論:Wireless HART通信具有靈活、安全、性能可靠、與其他無線電技術共存等特點，并且可以在同一個Wireless HART網絡中與其他符合Wireless HART標準的設備進行互操作［2］。

早期使用DCS系統時，用戶也曾擔心可靠安全，常常備用記錄儀、手操器之類的常規儀表，事后證明這種擔心是多余的。在國內的應用實例中，有的用戶也采用同時使用有線、無線兩套儀表的方式考察無線儀表是否安全可靠。在江蘇金翔石化三期油庫儲罐計量系統中，采用了艾默生常規罐區總線方式計量及無線方式計量的冗余方案，有線和無線兩套儀表的信號同時送至控制室PCS7系統進行集中顯示［3］。對比4個油罐的總線監控界面與無線監控界面可知，有線和無線兩套儀表的數據完全一致，驗證了無線數據傳送是可靠安全的。

2012年10月30日，艾默生在全球用戶大會上宣布其1萬套遍布世界各地的Wireless HART智能無線網絡已累計運行達10億h。這表明過程工程師們已視智能無線為一項信得過的技術［4］。

4.8 PID 控制

根據ISA為過程工業無線網絡設定的使用等級，目前，用于各類監測的4、5類使用等級及用于開環控制的3類使用等級采用過程工業無線網絡應該是沒有問題的，而這3類已經占據所有數據類型的80%以上，也就是說絕大多數數據采集使用過程工業無線網絡是可靠的。而作為通常不是關鍵參數的閉環監督控制，目前的進展仍處于試驗考察階段。

艾默生過程管理公司針對PID控制采取了冗余無線I/O、冗余電源、冗余通信、冗余的智能無線Remote Link(遠程鏈接)以及增強型的PID等措施。

Broadley James公司是一家生物技術公司，它采用艾默生的Wireless HART pH計和溫度變送器來控制一臺單用途的一次性生物反應器。該公司總裁Scott Broadley說［5］:“我們對動物細胞培養進行批量管理，在pH值和溫度控制方面，采用無線測量和有線測量所達到的效果是一樣的。”

艾默生過程管理公司與奧斯汀德克薩斯大學在火電廠CO2收集的氣提塔進行了蒸汽流量和塔壓控制試驗。他們將有線、無線儀表平行安裝，在進行回路控制時，操作人員可以在有線、無線儀表輸入數據之間切換。試驗中PID整定參數、濾波參數和控制組態參數設置相同。控制方案的性能比較如表2所示。有線、無線儀表回路控制方案的性能沒有差別［5］。

表2中，絕對誤差積分控制是用系統期望輸出與實際輸出或主反饋信號之間的偏差的某個函數的積分式表示的一種性能指標，在無線測量值更新次數僅為有線的1/10的條件下，有線、無線方案的絕對誤差積分控制值基本一致。

表2 控制方案的性能比較Tab.2 Performance comparison of the control schemes

在由中科院沈陽自動化研究所、鞍山焦耐院等實施的江蘇力達寧化工公司2.6－二異丙基苯胺項目中，DCS系統采用了WIA無線網絡技術。系統投運后，不僅檢測的數據可靠，還實現了重要參數如溫度和壓力的控制。由于刷新速率為1 s，對參與控制的節點設置了高優先級，由DCS發送到執行器的電流信號平均時延在1 s之內，保證了控制回路響應迅速、反饋及時，控制系統的質量可以滿足生產需要［6］。但據了解，該項目中無線系統的控制回路目前已改為手動模式，原因是自動模式存在一定的風險。

4.9 費用

美國Honeywell公司就一個槽罐區(64個槽罐的溫度、液位檢測，共128點)的有線系統與無線系統的費用進行了比較，結果如表3所示［7］。

表3 槽罐區費用比較結果Tab.3 Comparison results of the cost for tank yards

由表3可見，如以有線系統的各項費用為100%，則無線系統的設備費用要高出16.7%，但現場安裝費用節省78.4%，工程費用節省43.2%，總費用節省49.5%。

艾默生過程管理集團也就一個30點的系統進行了有線、無線方案的比較，但未列出設備費用比較，僅就材料、施工、調試、5 a維護費用及后期改造費用進行了比較，如表4 所示［8］。

由表4可見，如以有線系統的各項費用為100%，則無線系統現場安裝費用節省95.2%，5 a維護費用節省86.7%;當后期存在增加測點等改造項目時，無線系統可不增加費用。由于未對設備費用進行比較，就上述安裝、維護、后期改造的總費用來說，無線系統可節省94.5%。

表4 30點系統部分費用比較Tab.4 Partial cost comparison of 30-point system

WIA-PA無線標準主要制定單位——中國科學院沈陽自動化研究所與鞍山焦耐院等單位合作，為江蘇力達寧化工公司二異丙基苯胺項目設計投運了一套WIA-PA無線系統［6］。該生產裝置共使用了各類變送器及電動執行器共37點，有線系統與無線系統費用比較如表5所示。

表5 二異丙基苯胺項目費用比較Tab.5 The cost comparison for diisopropylaniline project

值得說明的是，在計算DCS費用時，有線系統的41個I/O點的I/O板卡費用增加35600元，而無線系統省去了I/O板卡，增加的只有1個帶Modbus RTU協議的板卡和無線網關，費用僅6000元，所以在DCS費用上，無線系統可節省3萬元。

比較上述3項費用，大致可得到以下幾個結論:①無線系統現場安裝費用約節省80% ～90%;②無線系統現場購置費用約增加10%～20%;③有線系統需增加I/O板卡費用，無線系統需增加網關費用，兩者費用大體相當或無線系統能省一點;④無線系統總費用有較大的節省;⑤無線系統后期維護費用大大低于有線系統;⑥無線系統后期如需改造，其費用大大低于有線系統;⑦國產無線系統的費用遠低于進口無線系統費用。

5 流程行業無線技術選擇思路

流程行業無線技術存在三大標準，每一個標準的旗下又有多家公司的產品。以下選擇思路或許對用戶有參考價值。

①2011年6月，美國《Control Engineering》完成無線技術調查，一個客戶說［9］:“我不會干等著無線標準的統一，如果我的問題能用哪種無線技術解決，我就會使用哪種無線技術。”這代表一種實用的思路。

②跟著主體控制系統走，這樣有利于無線系統與控制系統無縫連接。若主體系統已采用艾默生過程控制的產品，大多數用戶選用無線系統時會采用Wireless HART;若主體系統已采用Honeywell公司的產品，大多數用戶選用無線系統時會采用ISA100.11a(OneWireless);若主體系統已采用國產控制系統，這樣的用戶不妨選用WIA-PA無線系統。

③原有系統已大量采用了帶HART通信的現場設備，現場迫切要求在此基礎上增添無線設備時，可能更多會采用Wireless HART。

④系統不僅有大量現場設備需要采用無線通信，同時還要求實現一個無線網絡架構，以支持多種無線應用、多個標準、多種協議。如同時支持移動操作站、巡檢手持終端、無線攝像頭、有線設備的無線轉接等，選用ISA100.11a(OneWireless)可能更合適。

⑤大多數無線設備的類型是溫度、壓力、閥位、物位，而有些類型的無線設備是某一廠家所特有的，如用于就地壓力表信號傳送的無線讀表器、無線腐蝕測量變送器、無線可燃氣體變送器目前是Honeywell公司獨有的產品，無線分析(pH值和電導率)變送器、無線振動音叉液位開關、無線聲感變送器目前是艾默生過程管理公司獨有的產品。當用戶需要使用這類特殊無線設備時，特別是當這類設備用量比較大時，可能選用對應公司的系統。

⑥對刷新速率要求快速、對電池壽命要求盡量長的用戶，應選不帶路由器功能的系統。

⑦對要求節省費用的用戶，可選擇WIA-PA。

6 結束語

隨著工業無線技術、標準以及產品的發展和完善，無線技術在工業上的典型應用加深了用戶對工業無線技術的認識，并得到越來越多用戶的認可。相信隨著無線網絡可靠性、實時性的提高及無線產品價格的降低，工業無線技術在信號傳送方式方面的應用將越來越廣泛，工業無線市場潛力無限!

［1］艾默生.艾默生為智能無線監測和控制應用提供全冗余功能［EB/OL］.［2010 － 04 － 09］.http://www.gongkong.com/company/news/201210.

［2］艾默生.德國測量與控制標準委員會NAMUR驗證了Wireless HART在過程工業中的應用［EB/OL］.［2009－11－23］.http://www.iianews.com/ca/_01 － ABC0000000000.

［3］吳雪松.艾默生智能無線技術在江蘇金翔三期油庫罐區計量系統中的應用［J］.自動化博覽，2011(S1):131－134.

［4］艾默生.用于過程自動化的無線網絡技術已經成熟［EB/OL］.［2012 － 10 － 11］.http://www.gongkong. com/company/news/201210.

［5］艾默生.WirelessHART成功實現控制功能［EB/OL］.［2011－09 －03］.http://www.gongkong.com//article/ind.aspx?.

［6］張瓊，王紅艷，白冰穎.工業無線網絡在化工領域的應用實例［J］.儀器儀表標準化與計量，2011(2):24－29.

［7］江天生.工業無線儀表的應用場合和優勢［R］.昆明儀器儀表學會技術交流會，云南:昆明，2011.

［8］姚永斌.艾默生智能無線產品和方案［R］.中國工控網無線通訊研討會，2009.

［9］Soroush.控制工程調查報告［EB/OL］.soroush'Blogblog.cechina.cn/soroush/2011/11/23.aspx.