工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型

Device Types of Industrial Wireless Network

方原柏

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明　650051)

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型

Device Types of Industrial Wireless Network

方原柏

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明650051)

摘要：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)包括多種設(shè)備類型。針對某個(gè)具體應(yīng)用、不同的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、不同公司的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，組成工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型也有所不同。初步了解工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備類型，能較為深入地理解不同標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備類型工業(yè)自動化

Abstract：At present, the technology of industrial wireless network is one of the hot spots in the field of process automation, while the industrial wireless network includes a variety of device types. For a specific application, different industrial wireless network standard, with products of industrial wireless network from different manufacturer, the device types composing industrial wireless network may also be different. Preliminary understanding of various device types of industrial wireless network will be helpful to understand the features of different standards in-depth.

Keywords：Industrial wireless networkIndustrial wireless network standardsDevice typesProcess automation

0引言

國際上目前引起業(yè)界廣泛關(guān)注的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)主要有Wireless HART、ISA 100.11a和WIA-PA。這些標(biāo)準(zhǔn)雖然各有特點(diǎn)，但從構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備類型上講，還是差別小而共同點(diǎn)更多。

一般來說，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)包括以下設(shè)備類型。

① 現(xiàn)場設(shè)備：是連接到工業(yè)過程上用來測量或者控制工業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場檢測、數(shù)據(jù)處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等的終端節(jié)點(diǎn)。

② 路由設(shè)備：是一種能為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到另一個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即提供路由器服務(wù)的設(shè)備。路由設(shè)備可以由支持路由功能的現(xiàn)場設(shè)備承擔(dān)，也可以是獨(dú)立的路由設(shè)備。

③ 適配器：將有線HART協(xié)議的設(shè)備或其他協(xié)議的設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，使有線HART設(shè)備或其他協(xié)議的有線設(shè)備升級為無線現(xiàn)場設(shè)備。

④ 中繼器：用于強(qiáng)化無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，如用于擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)通信范圍或改善通信質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

⑤ 手持設(shè)備：操作人員現(xiàn)場移動時(shí)隨身攜帶的可連接到無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝、維護(hù)和操作。

⑥ 接入點(diǎn)：是一種位于網(wǎng)關(guān)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。接入點(diǎn)的一側(cè)與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)相連，另外一側(cè)是與網(wǎng)關(guān)的外部連接，如以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)連接。

⑦ 網(wǎng)關(guān)：作為上位機(jī)與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁設(shè)備，能用于兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，使兩個(gè)或多個(gè)不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)看起來像同種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)一樣，并且還能實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。

⑧ 網(wǎng)絡(luò)管理器：負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理、調(diào)度和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如網(wǎng)絡(luò)的形成、配置新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、讓新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

⑨ 安全管理器：一種應(yīng)用程序，用于管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全資源和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)，如生成和管理工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)所用到的密碼信息，也負(fù)責(zé)生成、存儲和管理各種密鑰。

1工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型

1.1　現(xiàn)場設(shè)備

現(xiàn)場設(shè)備是變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等終端設(shè)備，即能夠提供測量值或能夠向執(zhí)行器給出指令的設(shè)備。通?，F(xiàn)場設(shè)備是生產(chǎn)廠家在原有有線現(xiàn)場設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些優(yōu)化改造(如低功耗改造)而成的。變送器通常用來測量溫度、壓力、流量、物位、成分、振動、腐蝕量等生產(chǎn)過程中涉及到的參數(shù)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括閥門之類的終端控制設(shè)備。

Wireless HART工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備要求首先是HART現(xiàn)場設(shè)備，遵守HART現(xiàn)場設(shè)備的要求，支持所有HART通用命令、一些HART常規(guī)命令及針對Wireless HART設(shè)備定義的標(biāo)準(zhǔn)化的命令和程序。Wireless HART工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備包括各種無線壓力、溫度、分析、閥門位置、振動、開關(guān)量等參數(shù)的變送器。

ISA 100.11a(One Wireless)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線現(xiàn)場設(shè)備的品種有兩類，一類為支持ISA 100.11a通信的無線變送器，一類為支持802.11 WiFi通信的無線設(shè)備。支持ISA 100.11a的無線變送器包括無線壓力、溫度、腐蝕量、開關(guān)量、模擬量、多輸入組合、雷達(dá)、閥門回訊等變送器。支持802.11WiFi的無線設(shè)備包括無線設(shè)備振動(健康狀態(tài))監(jiān)測變送器、無線讀表器、無線視頻、移動工作站、無線巡檢等。

WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線現(xiàn)場設(shè)備目前提供的無線設(shè)備有無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線I/O設(shè)備(可接AI/AO/DI等類型信號)、無線稱重變送器、無線HART適配器、無線核探測頭變送器、無線油井示功儀、無線投入式液位計(jì)、無線紅外測溫變送器、無線溫濕度變送器、無線油井注水閥門控制器、無線可燃有毒氣體變送器等。

1.2　路由設(shè)備

路由是指從一個(gè)接口上收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進(jìn)行定向發(fā)送并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)接口的過程。完成這一過程的設(shè)備稱為路由設(shè)備或路由器。路由設(shè)備可以自尋相鄰的現(xiàn)場設(shè)備，形成工業(yè)無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。所以，路由設(shè)備的工作包含兩個(gè)基本的動作：確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息(即數(shù)據(jù)交換)。

Wireless HART系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場設(shè)備通常具有路由功能，距離無線網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)或與無線網(wǎng)關(guān)之間有障礙物的無線現(xiàn)場設(shè)備可通過確定最佳路徑由鄰近的無線現(xiàn)場設(shè)備路由，將其信息傳送到無線網(wǎng)關(guān)，這是路由功能最大的優(yōu)點(diǎn)。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)，而且可以同時(shí)為其他儀表的通信進(jìn)行路由。

WIA-PA系統(tǒng)早期有專用的路由設(shè)備，而且是可以接收多臺現(xiàn)場設(shè)備信號的路由設(shè)備。但據(jù)了解，目前路由功能均作為無線現(xiàn)場設(shè)備功能的一部分提供。

One Wireless的早期版本不支持路由功能，而無線現(xiàn)場設(shè)備不帶路由功能，這就要求作為無線網(wǎng)關(guān)的多功能節(jié)點(diǎn)Multinode以及隨后推出的現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)FDAP與所有無線現(xiàn)場設(shè)備之間沒有障礙物，能直接通信。2010年6月推出的版本R200中，無線現(xiàn)場設(shè)備通過組態(tài)可以執(zhí)行路由功能或不執(zhí)行路由功能。當(dāng)組態(tài)為執(zhí)行路由功能時(shí)，它與Wireless HART、WIA-PA系統(tǒng)在路由這一點(diǎn)上就沒有區(qū)別；當(dāng)組態(tài)為不執(zhí)行路由功能時(shí)，現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)FDAP和多功能節(jié)點(diǎn)等接入點(diǎn)設(shè)備應(yīng)直接與區(qū)域內(nèi)所有無線現(xiàn)場設(shè)備通信，其優(yōu)點(diǎn)是減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)，加快數(shù)據(jù)刷新率，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性時(shí)延及安全風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性，同時(shí)減少無線現(xiàn)場設(shè)備電池能量的消耗，延長電池的使用壽命。

無線現(xiàn)場設(shè)備可以帶路由功能；路由設(shè)備也可以是專用的，它只完成路由功能；后面介紹的接入點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)也可以作為路由器使用。3種路由設(shè)備方案的比較如表1所示。

表1　3種路由設(shè)備方案比較

根據(jù)路由器所處的位置，可將其劃分為傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器和骨干網(wǎng)絡(luò)路由器。上述傳感器一般是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由器。骨干網(wǎng)絡(luò)路由器指的是當(dāng)接入點(diǎn)通過802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到無線現(xiàn)場設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)后，再采用以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)專有網(wǎng)絡(luò)等傳送到網(wǎng)關(guān)。這些網(wǎng)絡(luò)稱為骨干網(wǎng)，骨干網(wǎng)絡(luò)路由器的功能則由接入點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)承擔(dān)。

1.3　適配器

適配器可連接到有線HART設(shè)備上，可通過4~20 mA回路和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)提供并行通信路徑。適配器有2種供電方式：由有線HART設(shè)備供電、外接24 VDC供電。

適配器主要有以下4個(gè)用法。

① 由于主機(jī)系統(tǒng)的限制，可能在4~20 mA回路上無法檢測到HART信號，不能進(jìn)行HART診斷訪問。

② 向本身沒有無線功能的HART設(shè)備提供無線通信。

③ 設(shè)備信息可能沒有直接進(jìn)控制系統(tǒng)的入口，啟用后可訪問多個(gè)用戶。在這種情況下4~20 mA信號發(fā)送到控制室，而無線HART信號用于維護(hù)人員或其他人員訪問的參數(shù)和診斷數(shù)據(jù)。

④ 作為無線中繼器。

已經(jīng)在生產(chǎn)過程中使用的有線HART現(xiàn)場設(shè)備，或者某些檢測參數(shù)已經(jīng)有HART現(xiàn)場設(shè)備但還沒有相對應(yīng)的可用于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線現(xiàn)場設(shè)備，可以采用適配器與HART現(xiàn)場設(shè)備相連，然后通過工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。適配器和在HART設(shè)備上的安裝示意圖如圖1所示。適配器支持與其相聯(lián)的現(xiàn)場設(shè)備之間的HART通信，從HART設(shè)備上獲得回路供電及HART信息，但它不影響HART設(shè)備原先的模擬信號傳送。也就是說，適配器允許現(xiàn)有的4~20 mA信號與數(shù)字無線信號同時(shí)運(yùn)行。通過適配器可將任何一個(gè)普通的HART(可能要求HART5.0或以上版本)設(shè)備升級成準(zhǔn)無線設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)。適配器的簡化版尺寸短小，可以直接通過螺紋接口擰在變送器本體上，近乎與有線HART現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)一體化，甚至可以將這個(gè)一體化的有線HART現(xiàn)場設(shè)備當(dāng)作是準(zhǔn)無線現(xiàn)場設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)。

圖1　適配器(左)和在HART設(shè)備上的安裝(右)

適配器通常由以下幾部分組成：與有線HART現(xiàn)場設(shè)備連接的FSK(頻移鍵控)端口、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和天線、對外的FSK端口。

一般1臺適配器支持1臺HART設(shè)備。菲尼克斯公司的RAD-WHA適配器支持最多4臺HART設(shè)備；西門子公司SITRANS AW200 Wireless HART適配器在多線路模式下支持最多4臺HART設(shè)備；SITRANS AW210 Wireless HART適配器在多線路模式下支持最多8臺HART設(shè)備。

對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)來說，適配器往往是一個(gè)最基礎(chǔ)的產(chǎn)品。以Wireless HART產(chǎn)品為例，除了艾默生過程管理有較完整的各種現(xiàn)場設(shè)備類型之外，目前另外一些生產(chǎn)廠商推出的產(chǎn)品只有適配器、網(wǎng)關(guān)或者再加上壓力、溫度無線現(xiàn)場設(shè)備。如ABB公司、E+H公司、菲尼克斯公司的Wireless HART產(chǎn)品僅有無線適配器和網(wǎng)關(guān)，P+F公司的Wireless HART產(chǎn)品僅有適配器、網(wǎng)關(guān)、溫度無線現(xiàn)場設(shè)備，西門子公司的WirelessHART產(chǎn)品僅有適配器、網(wǎng)關(guān)、溫度無線現(xiàn)場設(shè)備、壓力無線現(xiàn)場設(shè)備。

當(dāng)需要將有線HART設(shè)備開發(fā)成高度集成的無線HART設(shè)備時(shí)，可在HART適配器的基礎(chǔ)上作如下的改動：去除內(nèi)部的FSK連接，將HART設(shè)備和適配器的電路整合成一塊電路，將大部分軟件(如堆棧)保留在適配器中。

還有一些廠商推出連接其他標(biāo)準(zhǔn)的適配器，如橫河電機(jī)2014年推出的適配器除支持有線HART協(xié)議外，還有支持RS- 485 Modbus標(biāo)準(zhǔn)的適配器，近期還將推出覆蓋其他標(biāo)準(zhǔn)，如FF、Profibus-PA等現(xiàn)場總線的多協(xié)議無線適配器產(chǎn)品。中國中科博微公司的RS-485/232無線透傳模塊是一款針對現(xiàn)有的RS- 485/RS-232總線開發(fā)的適配器無線解決方案，可實(shí)現(xiàn)RS- 485總線和無線通信之間的透明傳輸。

1.4　中繼器

中繼器是通過增加額外的通信路徑來加強(qiáng)無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的，或者是擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的一種無線現(xiàn)場設(shè)備。

中繼器沒有特殊的要求，中繼器設(shè)備的管理應(yīng)像任何其他無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一樣，且受所有無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)特性的制約。

在現(xiàn)有工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品系列中，還沒有找到中繼器這一名稱的產(chǎn)品，替代的方案是采用有路由器功能的現(xiàn)場設(shè)備或適配器。采用有路由器功能的現(xiàn)場設(shè)備時(shí)，通常選用價(jià)格較低的類別，如艾默生過程管理的648無線溫度變送器、702型無線開關(guān)量變送器。

1.5　手持設(shè)備

手持設(shè)備是由工廠人員操作的便攜式設(shè)備，例如加固的或防爆的個(gè)人數(shù)字助埋(PDA)、移動PC等。手持設(shè)備由無線操作者用來與無線網(wǎng)絡(luò)連接，這些設(shè)備可以移動，當(dāng)它移動到某個(gè)位置時(shí)，就會建立與本地網(wǎng)絡(luò)的連接，并與一個(gè)或更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信；當(dāng)通信結(jié)束時(shí)，它將斷開與網(wǎng)絡(luò)的連接。手持設(shè)備被用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安裝、維護(hù)、操作。它是一種口袋大小的計(jì)算設(shè)備，通常有一個(gè)小的顯示屏幕、小型的鍵盤輸入或觸控輸入，它通過網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信。對于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)而言，這類手持設(shè)備就像另一個(gè)上位機(jī)，操作人員在離開控制室之后仍能從工廠內(nèi)的任何地點(diǎn)獲得過程參數(shù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、畫面、報(bào)警、組態(tài)信息，并監(jiān)測報(bào)警和事件；也可按照實(shí)時(shí)運(yùn)行工況來執(zhí)行操作，使用過程數(shù)據(jù)或設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行故障排查、了解文檔工作狀態(tài)，或者使用集成的條形碼技術(shù)采集信息。

One Wireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)手持設(shè)備有IntelaTrac PKS無線手持巡檢設(shè)備、移動氣體檢測儀、現(xiàn)場巡檢儀和移動工作站，如圖2所示。無線巡檢儀支持采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，安排巡檢人員嚴(yán)格按照規(guī)定的線路及內(nèi)容巡檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場異常工況時(shí)，可為關(guān)鍵設(shè)備提供最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)。移動工作站支持運(yùn)行人員在現(xiàn)場(甚至在危險(xiǎn)區(qū)域)使用，以無線的方式獲取控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視圖。移動氣體檢測儀、現(xiàn)場巡檢儀可以通過無線網(wǎng)絡(luò)自動收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。移動工作站有以下3種版本：①無線接入eServer標(biāo)準(zhǔn)版——支持設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)訪問過程信息，查看工廠數(shù)據(jù)；②無線接入eServer增強(qiáng)版——支持動態(tài)讀取過程信息，只支持讀取功能；③無線接入工作站——基于手持設(shè)備的功能完善的Experion工作站。對于由專門操作人員和手持設(shè)備許可系統(tǒng)嚴(yán)格控制的各種操作變化，Experion系統(tǒng)同樣可以支持。

圖2　One Wireless無線網(wǎng)絡(luò)手持設(shè)備

艾默生過程管理者采用加固的或防爆的PC或PDA等手持設(shè)備供移動作業(yè)人員使用，以訪問過程數(shù)據(jù)、排除故障或執(zhí)行操作。

1.6　接入點(diǎn)

接入點(diǎn)是負(fù)責(zé)從無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包的設(shè)備，起到無線現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的橋梁作用。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模很小時(shí)，網(wǎng)關(guān)可以直接連接為數(shù)不多的無線現(xiàn)場設(shè)備；當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí)，往往需要有多個(gè)接入點(diǎn)。接入點(diǎn)將眾多的無線現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集后送到網(wǎng)關(guān)，這種情況下可以提高網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量和可靠性，特別適合于要求更快刷新率、更高性能的網(wǎng)絡(luò)。所以接入點(diǎn)是一種位于網(wǎng)關(guān)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備之間的一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

接入點(diǎn)的一邊與工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備相連，另外一邊是一個(gè)外部連接。這個(gè)外部連接可以是一個(gè)以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)專有網(wǎng)絡(luò)。但接入點(diǎn)通常不直接與過程控制設(shè)備相連，而是通過一個(gè)工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)或控制系統(tǒng)連接。

流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品早期都只有網(wǎng)關(guān)，稍后One Wireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)增加了現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)FDAP，再往后又增加了Cisco AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為接入點(diǎn)。接入點(diǎn)又分為網(wǎng)格接入點(diǎn)(mesh access point，MAP)、根接入點(diǎn)(root access point，RAP)。網(wǎng)格接入點(diǎn)是Mesh網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程接入點(diǎn)，它作為無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，這是所有接入點(diǎn)的默認(rèn)角色。根接入點(diǎn)具有到有線網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)器的光纖、有線以太網(wǎng)或電纜連接器連接，作為到有線網(wǎng)絡(luò)的“根”或“網(wǎng)關(guān)”。

網(wǎng)格接入點(diǎn)用于采集無線現(xiàn)場設(shè)備的信息，多個(gè)網(wǎng)格接入點(diǎn)又以WiFi無線方式將多個(gè)無線現(xiàn)場設(shè)備的信息傳送到根接入點(diǎn)，根接入點(diǎn)與控制系統(tǒng)以有線Modbus TCP/IP、OPC等方式連接。

現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量不多的ISA 100.11a現(xiàn)場設(shè)備中小型網(wǎng)絡(luò)，通常用于非關(guān)鍵、不需要快速更新率的監(jiān)控系統(tǒng)。這類小型網(wǎng)絡(luò)可以采用現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)(field device access point，F(xiàn)DAP)覆蓋ISA 100.11a網(wǎng)絡(luò)，然后現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)FDAP作為路由器將信息傳送到作為網(wǎng)關(guān)的多功能節(jié)點(diǎn)，也可以直接通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接到無線管理平臺WDM，這樣的系統(tǒng)可以不用網(wǎng)關(guān)。

One Wireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)可以有多種接入點(diǎn)選擇。如選擇現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)FDAP，只能接收從ISA 100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備來的數(shù)據(jù)。如選擇多功能節(jié)點(diǎn)作為接入點(diǎn)，除ISA 100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備來的數(shù)據(jù)外，還可作為IEEE 802.11a/b/g WiFi客戶端基礎(chǔ)設(shè)施的接入點(diǎn)，支持無線視頻、移動工作站、振動監(jiān)測等多種無線通信。如選擇思科公司Cisco1552S AP作為接入點(diǎn)，則又增加了IEEE 802.11a/n(Mesh網(wǎng)絡(luò))，且?guī)捈哟?、通信速度加快、通信距離加長。

當(dāng)需要強(qiáng)化無線網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)，可選擇路由器或接入點(diǎn)。但考慮到接入點(diǎn)能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余，選擇1臺接入點(diǎn)優(yōu)于選擇1臺路由器。

接入點(diǎn)也可以看成網(wǎng)關(guān)的I/O模塊，只不過在物理位置上可以相互分開。當(dāng)有多個(gè)子網(wǎng)時(shí)，多個(gè)接入點(diǎn)接入各個(gè)子網(wǎng)的無線現(xiàn)場設(shè)備的信息后，相互間構(gòu)成骨干網(wǎng)，骨干網(wǎng)采用無線或有線通信的方式將信息傳送到網(wǎng)關(guān)，但這里所采用的通信方式不是由該無線通信標(biāo)準(zhǔn)所授權(quán)的。

1.7　網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包含了至少一個(gè)上位機(jī)接口(如串行口或以太網(wǎng)口)，并充當(dāng)上位機(jī)和無線現(xiàn)場設(shè)備間通信的出入口。

網(wǎng)關(guān)將無線網(wǎng)絡(luò)接入有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過連接以太網(wǎng)、串行口或其他現(xiàn)有控制裝置通信網(wǎng)絡(luò)，能在無線現(xiàn)場設(shè)備和主機(jī)之間通信，管理無線現(xiàn)場，管理網(wǎng)絡(luò)安全。從概念上講，網(wǎng)關(guān)是配線柜和接線箱的無線版本。

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以安裝一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)，多個(gè)網(wǎng)關(guān)間可以相互冗余。

Wireless HART工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)1420智能無線網(wǎng)關(guān)(西門子公司有IE/WSN-PA LINK網(wǎng)關(guān)，E+H公司有Fieldgate SWG70網(wǎng)關(guān)等)是現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)控制系統(tǒng)多種通信協(xié)議的接口，1420智能無線網(wǎng)關(guān)接口類型有Modbus、TCP/IP、OPC、以太網(wǎng)等。與DeltaV或Ovation的集成可以選擇Modbus或OPC的方式，如果DeltaV是10.3以后的版本，智能無線網(wǎng)關(guān)可以像控制器一樣直接掛在DeltaV的控制網(wǎng)絡(luò)上。

One Wireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)多功能節(jié)點(diǎn)可以作為網(wǎng)關(guān)同DCS、PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，兩個(gè)10/100 Mbit/s以太網(wǎng)通信口可以同時(shí)接在一個(gè)交換機(jī)上，用于控制系統(tǒng)的通信。Modbus、TCP/IP、OPC用于多功能節(jié)點(diǎn)與控制系統(tǒng)的有線互聯(lián)。在最新采用Cisco Aironet 1552S AP構(gòu)建的One Wireless工業(yè)無線架構(gòu)中，現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)(FDAP)、多功能節(jié)點(diǎn)、思科Cisco 1552s AP均稱之為接入點(diǎn)，而無線管理平臺WDM則稱之為網(wǎng)關(guān)。它是單一的ISA 100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中心管理組件，負(fù)責(zé)組態(tài)、調(diào)度和無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的安全。采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如HART、Modbus TCP、Modbus RTU、OPC，支持ISA 100.11a的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的控制系統(tǒng)集成，WDM主機(jī)的接口將現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)連接到控制應(yīng)用中。

WIA網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)WIA網(wǎng)絡(luò)的管理、調(diào)度和優(yōu)化，設(shè)定和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源和路由，配置WIA網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，調(diào)度WIA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，監(jiān)控并報(bào)告WIA網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。WIA網(wǎng)關(guān)支持一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)，網(wǎng)格接入點(diǎn)提供連接其他網(wǎng)絡(luò)的接口，如串口和以太網(wǎng)，服務(wù)接入點(diǎn)為上位機(jī)提供訪問和管理WIA網(wǎng)絡(luò)的接口，如OPC、XML、HART。

1.8　網(wǎng)絡(luò)管理器

網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的形成、配置新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、讓新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)管理器還可以收集無線網(wǎng)絡(luò)性能和診斷信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，獲取的這些信息用于觀察和分析無線網(wǎng)絡(luò)行為。如果發(fā)現(xiàn)了問題，可執(zhí)行對無線網(wǎng)絡(luò)重新配置。

1.9　安全管理器

安全管理器生成并管理網(wǎng)絡(luò)所用到的密碼信息，也負(fù)責(zé)生成、存儲和管理各種密鑰。安全管理器和網(wǎng)絡(luò)管理器應(yīng)在彼此間建立連接，并維護(hù)這個(gè)連接以支持設(shè)備入網(wǎng)請求和建立會話。安全管理器與網(wǎng)絡(luò)管理器協(xié)同工作，以保證網(wǎng)絡(luò)免受外來威脅。

2工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備組成及設(shè)備的邏輯角色

不同的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，不同公司的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，或者說某個(gè)具體應(yīng)用，可能只有以上工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型的一部分，如只有現(xiàn)場設(shè)備、適配器、網(wǎng)關(guān)或只有現(xiàn)場設(shè)備、接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)管理器、安全管理器。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品都有一個(gè)設(shè)備名稱，但如上所述，同一個(gè)名稱的設(shè)備可能扮演了不同的邏輯角色，如果一個(gè)設(shè)備扮演某種邏輯角色，那么它必須能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯角色要求的相應(yīng)功能。如網(wǎng)關(guān)可同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)管理器和安全管理器的邏輯角色，專用路由器同時(shí)承擔(dān)了骨干路由器的邏輯角色，有的現(xiàn)場變送器承擔(dān)現(xiàn)場非路由設(shè)備的邏輯角色，有的現(xiàn)場變送器承擔(dān)現(xiàn)場路由設(shè)備的邏輯角色，掌上型計(jì)算機(jī)承擔(dān)了非路由手持設(shè)備的邏輯角色，低層的路由器承擔(dān)了配置邏輯角色，現(xiàn)場執(zhí)行器承擔(dān)了非路由設(shè)備的邏輯角色。這些相應(yīng)的功能往往需要在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)指定或授權(quán)，如ISA 100.11a工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線現(xiàn)場設(shè)備組態(tài)時(shí)就需要對是否帶路由功能進(jìn)行組態(tài)。

3結(jié)束語

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)包括了多種設(shè)備類型，每一種設(shè)備類型往往還承擔(dān)其他設(shè)備類型的邏輯角色，如現(xiàn)場設(shè)備可承擔(dān)路由設(shè)備邏輯角色，如適配器可承擔(dān)路由設(shè)備邏輯角色、中繼器邏輯角色，如接入點(diǎn)可承擔(dān)網(wǎng)關(guān)邏輯角色等。制造商通常選擇將網(wǎng)絡(luò)管理器、安全管理器功能集成到網(wǎng)關(guān)中，如艾默生過程管理的Wireless HART 1420智能無線網(wǎng)關(guān)就包含了網(wǎng)絡(luò)管理器、安全管理器的邏輯

角色。One Wireless工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線管理平臺(WDM)也承擔(dān)了網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)管理器以及安全管理器的邏輯角色。

當(dāng)對各種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備類型作了一些初步了解和分析后，可以知道不同標(biāo)準(zhǔn)之間或同一標(biāo)準(zhǔn)不同架構(gòu)產(chǎn)品之間的差異，從而能較為深入地理解不同標(biāo)準(zhǔn)、不同架構(gòu)產(chǎn)品的特點(diǎn)，可以讓我們在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試時(shí)能靈活應(yīng)用這些設(shè)備，真正用好工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。

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中圖分類號：TH89;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508007

修改稿日期：2014-05-13。

作者方原柏(1942-)，男，昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院教授級高級工程師，發(fā)表論文260余篇;長期從事冶金自動化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。