無線網絡中無線通信和有線通信的結合

方原柏

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引言

工業無線通信是聯系現場儀表與控制系統的橋梁，用于將分布在生產過程現場儀表所收集到的信息傳送到控制系統。以往，工業通信普遍采用有線連接，現場儀表通過接線箱、電纜、電纜橋架等將信息有線傳送到控制室。而無線通信技術能將現場儀表所收集到的信息以無線方式傳送到控制系統，省去了有線連接所需的大量接線箱、電纜、電纜橋架。

但在工業無線通信系統中，仍然有部分有線連接。本文將介紹在設計和應用無線通信技術時，有線通信連接和無線通信連接的結合方式。這種結合使無線通信技術的應用更加合理、經濟，信息傳送質量更高。

1 早期無線網絡的有線連接

以一個小型現場無線網絡為例，其通常包括網關和數臺至數十臺無線現場設備，如圖1所示。設備之間采用無線通信，然后由網關以有線方式(例如Modbus、TCP/IP、OPC、以太網等)連接到控制系統[1]。

圖1 小型現場無線網絡圖

無線通信技術具有無需敷設電纜，現場施工節省人力、物力，安裝投運快速、方便等優勢。但從無線通信技術應用的目標來看，它絕不是要全面取代現有的有線網絡，而只是為有線網絡提供一種有益的補充。也就是說，從安全、可靠、經濟等方面考慮，必要時還是應該采用有線；只有在滿足安全、可靠的前提下，如采用有線方式實施困難或不經濟，可采用無線通信技術。正因為如此，無線通信技術在實際應用時，大多為有線通信和無線通信的結合。

霍尼韋爾公司2004年推出的無線網絡系統構成如圖2所示。

圖2 早期無線網絡系統構成圖

當時的工業無線變送器是基于ZigBee無線技術的XYR5000系列產品，其載頻為902～928 MHz。作為網關設備的無線基站(wireless base radio,WBR)可與各種類型的XYR5000無線變送器直接通信，最大數量為50臺，最大距離為610 m?；九c控制系統的連接有RS-485 Modbus 遠程終端單元(romote terminal unit,RTU)接口，還可提供RS-232與無線管理工具(wireless management toolkit,WMT)連接的RS-232接口。作為由有線向無線系統過渡的產品，基站還可有線接入最多25個AO/DO組件。這是一個很典型的無線通信連接和有線通信連接相結合的例子[2]。

2 無線網絡中常規有線連接

無線通信系統中的常規有線連接通常是在系統的兩端：一端是網關與有線控制系統的連接，另一端是無線現場設備安裝時可能存在的有線連接。網關與有線控制系統連接時，通常采用多種通信協議的接口，如Modbus、TCP/IP、OPC、以太網等。有的公司可以將網關設備以控制系統I/O卡有線連接的形式直接掛在控制系統的網絡上，如艾默生過程管理公司的無線I/O卡就可以直接掛在DeltaV控制系統的網絡上。無線現場設備安裝時可能存在有線連接，如多點無線溫度變送器與多個溫度測點的連接、無線開關量變送器與多個開關量節點的連接等。

另外，網關、接入點、專用路由設備等都需要由工業電網線路供電，電壓等級有110/220 VAC、24 VDC等，這也需要有線連接。

3 無線網絡中其他有線連接

在無線網絡中，還存在其他有線通信連接方式，如同HART適配器與有線HART設備的連接、無線轉接模塊有線接入各類通信協議、接入點和網關的有線連接、接入點相互間的有線連接、視頻信號的有線連接等。

3.1 HART適配器與有線HART設備的連接

HART適配器與有線HART設備都需要有線連接，連接方式可分為三類：第一類是直接安裝，HART適配器的外連接螺紋直接插入有線HART設備的螺紋接線口，接線很短；第二類是帶安裝附件，HART適配器通過安裝附件與有線HART設備分離安裝，以便為適配器的天線尋找更為合適的安裝位置，接線距離通常為數米[3-4]；第三類是多點HART設備，部分廠家的HART適配器支持多臺有線HART設備，需采用多分枝方式(multi-drop mode,MDM)有線連接，接線距離可達數十米。

3.2 有線接入各類通信協議

無線轉接模塊可以有線接入第三方設備。比如霍尼韋爾公司XYR400E無線轉接模塊，它可以無線轉接如下協議的第三方設備：RS-232、RS-485、Ethernet。當第三方設備，如PLC、分析儀、流量計算機、攝像機、報警盤等，以上述協議有線接入時，XYR400E無線轉接模塊可以通過多功能節點等設備進行無線通信，再將第三方設備的信息送入控制系統。

橫河電機的RS-485 Modbus協議無線轉接模塊可以與帶RS-485 Modbus協議的第三方設備有線連接。先將第三方設備的信息以RS-485 Modbus協議方式傳送到YFGW510現場無線接入點，然后再傳送到控制系統。

沈陽中科博微自動化技術有限公司生產的WIA-PA無線網絡產品中有一款RS-485/232無線透傳模塊。這是一款針對現有RS-485/232總線開發的無線解決方案，可實現RS-485總線和無線通信之間的透明傳輸，并將PLC等控制系統的RS-485總線以有線形式接入無線透傳模塊，從而實現PLC控制系統的點到點、點到多點等多種模式的數據通信。

霍尼韋爾公司的多功能節點、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節點設備有Modbus TCP/IP以太網通信接口，可以接入有線以太網設備，然后通過節點的無線通信，將第三方設備的信息傳送到工廠的控制系統。無線轉接以太網通信如圖3所示。

圖3 無線轉接以太網通信示意圖

在中石油西北銷售公司蘭州西固油庫，控制室安裝的DCS系統是霍尼韋爾過程知識系統(process knowledge system,PKS)，并在距離控制室8 km遠的遠程油庫安裝了計量PLC系統。項目改造時，希望實現油庫計量可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)系統的數據能以無線方式集成到控制室內的PKS。

油庫無線通信如圖4所示[5-6]。

圖4 油庫無線通信示意圖

實施方案采用了霍尼韋爾公司的OneWireless無線通信網絡。在油庫計量PLC系統附近的高處安裝了多功能節點M5，并以Modbus TCP協議有線接入油庫計量PLC系統的信息。系統包括5臺多功能節點、20臺無線壓力變送器、6臺無線閥門回訊變送器、4臺移動工作站、無線管理平臺。多功能節點M1～M5構成Mesh無線主干網絡。將無線現場設備及油庫計量PLC系統的數據以無線方式傳送至作為無線網關的多功能節點M1，M1也以Modbus TCP協議有線方式接入PKS，從而實現了油庫計量PLC系統的數據無線轉接。多功能節點中，M2、M3、M5都采用定向大角度板狀高增益天線，以實現長距離無線傳輸。

3.3 接入點和網關的有線連接

一般來說，無線通信網絡的接入點與網關之間應采用無線連接，但在很多場合，目前仍采用有線連接。隨著網絡規模的擴大，需要將大規模網絡劃分為幾個小型網絡或幾個簇。由于無線現場設備節點只需通過次數很少的幾“跳”，就可到達網關然后到主機，所以簇方式加快了整個網絡的通信速度。

艾默生過程管理公司WirelessHART無線網絡使用簇方式后，要求網關盡量安裝在靠近現場設備的地方，然后采用有線方式與網格接入點(mesh access point,MAP)連接，多個網格接入點通過WiFi連接，以提供過程無線現場數據回傳，從而實現遠程測量與過程控制系統的集成。

無線現場數據回傳解決方案架構如圖5所示[7]。

圖5 無線現場數據回傳解決方案架構圖

無線網絡有2種類型：①通過智能無線網關采集WirelessHART無線現場設備的數據；②通過無線I/O卡(wireless I/O card,WIOC)和遠程鏈路采集無線現場設備的數據。智能無線網關和WIOC以有線以太網的方式將采集數據回傳到WiFi無線主干網絡的多個MAP，最終網格接入點通過WiFi匯集到根接入點(root access point，RAP)，與有線網絡連接。

采用有線以太網的連接簡化網絡拓撲架構，大大減少了無線現場設備通過網狀網絡傳送時的路由次數(即“跳”的次數)，降低了網絡的管理難度，減少了網絡的維護量，使網絡性能可靠、穩定。

無線現場設備到控制系統的信息傳送方式，經歷了“無線-有線-無線-有線”。無線信號傳送方式如圖6所示。

圖6 無線信號傳送方式示意圖

艾默生過程管理公司的WIOC和遠程鏈路，其結構是將原有的1420智能無線網關的功能分為WIOC和781遠程鏈路兩個部件。有2個Ethernet I/O口實現與控制系統DeltaV局域網的有線連接，而781遠程鏈路實現與WirelessHART的無線連接。WIOC和781遠程鏈路之間采用2對導線進行有線連接，最遠距離達到200 m。其中：一對導線是WIOC提供的電源線，另一對導線為遠程鏈路的通信線。這實際上也是一種無線連接和有線連接結合的范例。

3.4 接入點相互間的有線連接

霍尼韋爾公司的無線現場數據回傳解決方案中采用多功能節點或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節點設備，它們相互之間通常采用WiFi通信。由于多功能節點或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節點設備都提供了有線以太網的通信接口，因此單一設備之間或兩種設備之間也可以通過有線以太網方式連接。據霍尼韋爾公司介紹：通過有線以太網方式有線連接，能夠更好地改善數據集成的速度和通信帶寬。

3.5 視頻信號的有線連接

無線視頻傳輸的優勢在于無需布線，以及終端攝像頭移動方便。新建項目施工投運過程中，這種優勢非常明顯。但無線網絡系統供應商的意見是不鼓勵所有的視頻信號都占用廠區的無線骨干網絡，而且即使視頻信號采用無線傳輸，也要限制視頻數據的傳輸速度，因而也限制了視頻信號的清晰度或無線視頻的節點數。其目的都是為了確保無線骨干網絡的穩定性與可靠性。

中聯煤層氣山西沁縣氣田10口煤層氣井分布的區域方圓5 km，2010年11月實施的無線系統包括各類過程參數(壓力、溫度、流量、開關量)數據采集，以及視頻監控。過程參數(壓力、溫度、流量、開關量)的數據采集中：5口煤層氣井的溫度、壓力、流量的測量值選用無線變送器采集；另5口煤層氣井的溫度、壓力、流量的測量值選用常規儀表以有線方式采集后，再通過多點無線模擬量輸入變送器轉換成無線信號后輸出。視頻監控中，IP攝像機與多功能節點有2種通信方式：距離很近的5口直接采用有線接入方式；距離較遠的采用WiFi通信方式[8]。

4 有線無線連接的現場調整

由于現場條件是千變萬化的，需要根據現場實際運行情況，確定某一環節是采用有線連接還是無線連接。以下是一個實際應用中作出調整的例子。

中石化鎮海煉化修建一條低溫乙烯運輸管線，總長約為7 650 m，連接裝卸碼頭和低溫罐區。乙烯運輸溫度要求為-150～-100 ℃。為確保管線運輸正常工作，需要實時監測管線溫度。管線兩端約500 m處各有一個溫度測點，中間每隔1 km設置一個溫度測點，共有7個溫度測點(其中兩端2個溫度測點采用有線溫度變送器，中間5個溫度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。系統采用霍尼韋爾公司的OneWireless工業無線解決方案。

乙烯運輸管線無線通信如圖7所示。

圖7 乙烯運輸管線無線通信示意圖

圖8中：T1、T7為有線溫度變送器，T2～T6為無線溫度變送器，M1～M3為初期安裝的3臺多功能節點。初期安裝后，管線上的無線溫度變送器與多功能節點M2、M3進行無線通信；多功能節點之間以無線通信構建Mesh無線主干網絡；位于低溫罐區的多功能節點M1作為網關，以Modbus RS-485有線接口將M2、M3采集的所有數據傳輸至低溫罐區側DCS控制系統[9]。

由于多功能節點與無線溫度變送器之間的最遠距離約為3 km，多功能節點M2與M3之間的距離約為6 km，所以多功能節點與無線溫度變送器均配置了定向板狀高增益天線，可實現遠程通信(通信距離分別可達4 km、10 km)。但在使用過程中發現，由于多功能節點M2與M3之間距離較遠，且中間有一道鋼板圍裹的固體輸送棧橋，一定程度上阻擋了M2與M3之間的信號傳輸，造成了末端T5和T6兩點溫度在系統顯示的時有時無。當T5和T6兩點溫度“丟失”后，M2會不斷嘗試建立與M3的聯系，加大了M2的工作負荷，加快了M2的損壞速度。

考慮到裝卸碼頭與低溫罐區DCS之間已有備用的通信光纖，在裝卸碼頭側PLC機柜室屋頂增設1個多功能節點M4，接收相距較近的M3多功能節點無線傳送過來的T5、T6兩點溫度信號。T5和T6兩點溫度信號反向傳送到裝卸碼頭PLC機柜，然后通過交換機及備用的光纖傳送到低溫罐區DCS。即通過M3-M4-裝卸碼頭側交換機-碼頭與罐區之間的光纖-低溫罐區交換機-無線設備管理器(wireless device manager,WDM)平臺-DCS

路徑，以無線方式采集T5和T6兩點無線溫度變送器信號，并以有線方式傳送到DCS，實現了全線溫度的檢測。改造后，該系統運行較為穩定，解決了T5和T6兩點溫度“丟失”的問題[9-10]。

5 結束語

相對于有線系統，無線系統具有節省電纜、簡化安裝、減少維護時間和停工時間的優點，但在設計、安裝一個無線系統時，不是網絡中的所有連接全都要用無線方式解決，而應該從安全、可靠、經濟等方面綜合考慮。當控制系統有一些連接處必須采用有線方式時，如網關與控制系統的連接、供電連接及某些條件下接入點和網關的連接、接入點相互間連接，還是應該采用有線方式；而只是在采用有線方式實施困難或不經濟時，可采用無線通信技術。根據現場的實際情況和系統的要求，可靈活地實現無線通信和有線通信的有機結合。