霍尼韋爾公司工業(yè)無線解決方案的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表

霍尼韋爾（中國）有限公司 江天生

江天生男，清華大學(xué)工商管理碩士，霍尼韋爾（中國）有限公司中國區(qū)無線產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理，研究方向?yàn)闊o線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和技術(shù)特點(diǎn)，以及無線國際標(biāo)準(zhǔn)。

霍尼韋爾公司是把工業(yè)無線技術(shù)應(yīng)用于過程控制的領(lǐng)先者，是全球第一個(gè)提供工業(yè)無線解決方案的DCS供應(yīng)商，全球第一個(gè)在業(yè)內(nèi)推出工業(yè)無線變送器，全球第一個(gè)推出能夠應(yīng)用于控制的無線冗余網(wǎng)關(guān)。自2003年，受美國能源部委托研發(fā)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的無線技術(shù)以來，已經(jīng)獲得300余項(xiàng)工業(yè)無線專利以及正在申請的專利。

霍尼韋爾的無線產(chǎn)品符合開放的ISA100工業(yè)無線國際標(biāo)準(zhǔn)，支持基于ISA100標(biāo)準(zhǔn)的前后兼容和互操，能夠有效保護(hù)用戶的投資。ISA100標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持多種無線應(yīng)用、同時(shí)支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。同時(shí)配置一個(gè)無線管理平臺即可以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的安全管理、通訊管理和設(shè)備管理。

1 工業(yè)無線應(yīng)用場合的對單一無線架構(gòu)的需求

當(dāng)前工業(yè)流程的過程控制非常復(fù)雜，其中一個(gè)主要方面就是采用了很多種有線通信協(xié)議，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet、ControlNet以及其他類似的標(biāo)準(zhǔn)和專用協(xié)議。工業(yè)應(yīng)用場合通常都會有若干個(gè)有線協(xié)議并存。每個(gè)協(xié)議都基于各自的專用架構(gòu)（最典型的就是銅導(dǎo)線），因此多個(gè)協(xié)議可以輕松地共存而不會相互影響。

不同于有線應(yīng)用的每個(gè)協(xié)議都有自己的架構(gòu)或傳導(dǎo)介質(zhì)，無線版本的這些協(xié)議卻需要共享一種公共介質(zhì)——空氣，這些協(xié)議必須在這種公共介質(zhì)中共存，而且會由于處于同一個(gè)物理空間而相互干擾。因此，把工業(yè)無線應(yīng)用在工廠控制領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，就需要一個(gè)單一架構(gòu)，即在一個(gè)工廠，通過構(gòu)建一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，來同時(shí)支持多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。這既可以減少不必要的相互干擾，確保無線通訊更加可靠，同時(shí)也節(jié)省了用戶的投資，減少用戶因?yàn)橐粋€(gè)工廠建立多個(gè)無線平臺帶來的管理上的困難。

Honeywell公司的One Wireless無線方案就是一個(gè)多功能的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺支持全廠的多種應(yīng)用，如過程參數(shù)的監(jiān)控、安全視頻監(jiān)視、支持流動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)設(shè)備即時(shí)定位、管道腐蝕監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)診斷（如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、位移）等等；一個(gè)平臺支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表：如HART，Modbus，F(xiàn)F，4~20mA等；工廠運(yùn)行維護(hù)人員不必面對多個(gè)單獨(dú)的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺，不必為管理不同的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)而煩惱。

2 ISA100工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)單一無線架構(gòu)支持多種無線應(yīng)用

目前把無線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制的技術(shù)方案主要有2類，即通過無線儀表本身路由或通過節(jié)點(diǎn)來路由。其中WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)，就是依靠無線變送器本身路由來實(shí)現(xiàn)的；而ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)是依靠節(jié)點(diǎn)路由來實(shí)現(xiàn)的。

兩種解決方案都為了達(dá)到工業(yè)等級的無線應(yīng)用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴(kuò)頻通訊技術(shù)以及基于精確時(shí)間同步的通訊和基于數(shù)據(jù)碰撞的通訊技術(shù)。但是兩種方案的技術(shù)設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特點(diǎn)卻有很大的差別。

（a）以WirelessHART為代表的，無線網(wǎng)絡(luò)依靠無線儀表路由來實(shí)現(xiàn)

該解決方案的主要特征是現(xiàn)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(shù)，而且同時(shí)為其它儀表的通訊進(jìn)行路由。通常配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，所以優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)施較為簡單。

但是這種技術(shù)路徑的缺點(diǎn)也非常明顯。

首先網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后較大、無線變送器通訊速度較慢：因?yàn)檎麄€(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的通訊是通過低速通訊的無線變送器路由來實(shí)現(xiàn)的，所以整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的通訊速度必然受到限制，從而無線變送器的刷新速度不可能做到很快，典型的是1分鐘，也可以做到16秒和8秒。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后可能很明顯，典型的是10秒。設(shè)定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后也越長；網(wǎng)絡(luò)所帶設(shè)備的數(shù)量愈多，需要路由和中轉(zhuǎn)的次數(shù)愈多，網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間的滯后也越長。

其次，無線變送器的電池壽命也會因?yàn)閮x表的路由而受到影響。當(dāng)一臺無線變送器為其它無線變送器進(jìn)行路由時(shí)，需要消耗額外的電池能量。由于無線變送器電池90%的能量都是消耗在無線發(fā)射上的，所以電池的壽命比較短，典型的是常溫下1分鐘刷新速度時(shí)候電池可以使用5年。但是在快速刷新時(shí)，如8秒時(shí)電池的壽命會很短。

而且由于無線設(shè)備路由的次數(shù)，與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和測點(diǎn)的分布相關(guān)，是不確定的，所以即使電池的電壓可以隨時(shí)顯示報(bào)警，但是電池什么時(shí)候電壓低是不可預(yù)測的，即電池的壽命很難預(yù)測。

而且由于鋰電池本身屬于高蓄能設(shè)備，不可能做到本質(zhì)安全，所以在石油化工廠的應(yīng)用需要隔爆的變送器選型。但是由于需要頻繁更換電池（儀表刷新速度快時(shí)，如8秒），所以會在現(xiàn)場后期的維護(hù)時(shí)帶來很多不便之處。

其三，也正是由于考慮到網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間滯后和通訊速度的因素，整個(gè)無線mesh網(wǎng)絡(luò)的通訊路由次數(shù)必需有所限制，即最遠(yuǎn)的儀表到網(wǎng)關(guān)的路由次數(shù)不能大于多少次，否則通訊時(shí)間滯后會很長；同時(shí)通訊時(shí)間滯后的因素也決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，如無線儀表1秒刷新時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)所帶的設(shè)備可能非常有限。

當(dāng)在大項(xiàng)目中應(yīng)用時(shí)，可能需要配置很多網(wǎng)關(guān)，分別構(gòu)建很多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)時(shí)候，就會遇到不同無線網(wǎng)絡(luò)之間的干擾問題，以及如何統(tǒng)一管理多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的問題。

最后，這種以WirelessHART為代表的通過無線儀表本身路由來構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的無線解決方案，一個(gè)無線架構(gòu)只支持某種通訊協(xié)議的無線儀表無線通訊，如WirelessHART僅僅支持HART儀表的無線通訊。這沒有考慮到支持其它協(xié)議的現(xiàn)場儀表和其它無線應(yīng)用（如移動(dòng)工作站、可燃?xì)怏w監(jiān)測、無線視頻監(jiān)視、無線音頻通訊等等），也是其不足之處。

當(dāng)然這個(gè)單一無線架構(gòu)的優(yōu)勢就是，其應(yīng)用范圍集中、實(shí)施簡單，適合小規(guī)模、刷新速度要求不高、對電池壽命要求不長的場合。而且由于其支持單一的通訊協(xié)議，所以可以繼續(xù)支持原有協(xié)議的管理工具，如WirelessHART支持HART儀表的無線通訊，可以繼續(xù)利用現(xiàn)有的HART管理工具。

（b）以ISA100為代表的，通過節(jié)點(diǎn)路由來實(shí)現(xiàn)無線通訊

該方案主要是由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)通訊速度非?？焖俚臒o線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，而且這個(gè)無線主干網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，同時(shí)支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表?，F(xiàn)場無線儀表可以自動(dòng)選擇同任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊，自組織、自愈合。但是現(xiàn)場儀表不配置路由功能。通常任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以或同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的快速的、mesh主干網(wǎng)絡(luò)，使得無線變送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于無線變送器只需要1個(gè)“hop”就可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)通訊速度非常快的無線主干網(wǎng)上，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后也很短。

因?yàn)槊颗_無線變送器都不為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長，常溫下1秒刷新的時(shí)候就可以達(dá)到5年。而且正是由于沒有配置路由功能，所以電池的電壓不僅可以隨時(shí)顯示報(bào)警，而且電池什么時(shí)候電池電壓低，即電池的壽命，都是可以預(yù)測的。

而且這種解決方案由于整個(gè)架構(gòu)的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常靈活，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持的無線儀表的數(shù)量可以達(dá)到上千臺。

另外這個(gè)多功能的解決方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線架構(gòu)支持多種協(xié)議的現(xiàn)場儀表和多種工廠的無線應(yīng)用。

3 霍尼韋爾公司無線解決方案，支持ISA100工業(yè)無線國際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持多種無線應(yīng)用，為用戶帶來優(yōu)勢

霍尼韋爾公司的OneWireless無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是一個(gè)多功能的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，符合開放的ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，安全、通用、支持多種應(yīng)用，可以支持的設(shè)備如變送器、閥門、WiFi設(shè)備、移動(dòng)工作站、即時(shí)定位設(shè)備、煙氣探測等等；支持多種現(xiàn)場儀表的通訊協(xié)議，如HART、FOUNDATION Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。

霍尼韋爾公司One Wireless無線解決方案，是由多功能節(jié)點(diǎn)（Multinode）構(gòu)建一個(gè)通訊速度非?？斓臒o線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場無線變送器可以自動(dòng)選擇與任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通訊。整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)自組織，自愈合，冗余網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，沒有單點(diǎn)故障，同時(shí)采用了2.4GHz ISM頻段DSSS跳頻通訊，確保無線通訊能夠達(dá)到工業(yè)等級的可靠性和安全。

無線主干網(wǎng)絡(luò)支持多種應(yīng)用，多功能節(jié)點(diǎn)不僅支持同無線變送器的無線通訊，如3通道無線溫度變送器，無線壓力變送器（絕壓、表壓、差壓），3通道無線開關(guān)量輸入變送器（3個(gè)DI或 1個(gè)TC + 2 DI）；3通道無線模擬量輸入變送器（3個(gè)AI或1AI+2個(gè)TC、DI的組合）；3通道無線開關(guān)量輸出變送器（1個(gè)DO+2個(gè)AI、TC、DI的組合） ；無線腐蝕變送器；無線閥門定位器（測量閥門的實(shí)時(shí)開度）；無線雷達(dá)液位計(jì)（Honeywell Enraf）等等，而且同時(shí)支持無線振動(dòng)監(jiān)視、移動(dòng)工作站、無線視頻監(jiān)視、無線讀表器、無線語音通話等等。

不僅如此，無線主干網(wǎng)絡(luò)還可以同時(shí)支持現(xiàn)場Ethernet設(shè)備的無線轉(zhuǎn)接，即現(xiàn)場的第3方設(shè)備可以直接有線接入多功能節(jié)點(diǎn)從而進(jìn)入無線網(wǎng)絡(luò)?；蛘吲渲脽o線轉(zhuǎn)接模塊，然后同多功能節(jié)點(diǎn)無線通訊。

無線主干網(wǎng)絡(luò)所支持的現(xiàn)場儀表可以符合多種通訊協(xié)議，而不會局限于某種單一的通訊協(xié)議。如無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。

而且，還會配置一個(gè)無線管理平臺，可視化管理現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)，支持對無線網(wǎng)絡(luò)的診斷和維護(hù)；支持對現(xiàn)場無線變送器的在線遠(yuǎn)程組態(tài)、負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全；運(yùn)行人員通過這一個(gè)平臺即可管理這個(gè)支持全廠多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議現(xiàn)場儀表的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)同霍尼韋爾Experion控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成時(shí)，這個(gè)無線管理平臺的所有功能都完全一體化集成在控制系統(tǒng)的Control Builder中。

通過構(gòu)建一個(gè)無線平臺，支持整個(gè)廠區(qū)的、大規(guī)模的無線應(yīng)用；支持全廠的多種無線應(yīng)用；使用一個(gè)無線管理平臺統(tǒng)一管理整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的安全、通訊和設(shè)備組態(tài)、診斷等等，能夠?yàn)樽罱K用戶帶來極大的便利。

用戶無需為工廠的現(xiàn)場儀表建立很多個(gè)獨(dú)立的、同類無線網(wǎng)絡(luò)；無需為工廠不同的無線應(yīng)用而建立多個(gè)不同的無線網(wǎng)絡(luò)；無需擔(dān)心很多同類但獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響。工廠運(yùn)行維護(hù)人員不必面對多個(gè)單獨(dú)的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺，不必為管理不同的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)而煩惱。這也大大降低了用戶的管理費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、培訓(xùn)費(fèi)用、安裝費(fèi)用等。

One Wireless無線解決方案的優(yōu)勢，不僅在于降低安裝成本，更體現(xiàn)在支持充分利用工廠工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，支持更多的應(yīng)用，提高和優(yōu)化工廠管控水平。One Wireless無線解決方案靈活、開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，能夠支持工廠實(shí)施先進(jìn)的高級優(yōu)化應(yīng)用。霍尼韋爾公司在產(chǎn)品上向下和向上的兼容，支持霍尼韋爾公司的已有產(chǎn)品、經(jīng)過認(rèn)證的第三方符合標(biāo)準(zhǔn)的變送器以及其它符合IEEE 802.11的第三方產(chǎn)品，保護(hù)用戶的投資。

4 總結(jié)

霍尼韋爾的OneWireless無線解決方案符合開放的ISA 100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同時(shí)支持多種通訊協(xié)議和多種無線應(yīng)用，并通過開放的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口實(shí)現(xiàn)同控制系統(tǒng)的無縫式數(shù)據(jù)集成。

通過把有線的控制網(wǎng)絡(luò)無線延伸到現(xiàn)場，可以經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)化工廠的運(yùn)行，提高可靠性和安全水平，以及更加環(huán)保，節(jié)能減排。One Wireless網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的端對端的安全管理，可以確保通訊安全；電池管理也非常高效、可預(yù)測電池壽命；可設(shè)定的快速網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控速度，支持從監(jiān)測到閉環(huán)控制的所有應(yīng)用。

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

[2] Honeywell 公司無線技術(shù)資料.

[3] 控制工程中文網(wǎng): 無線儀表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).