無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合對自控設(shè)計的影響

方原柏

(云南 昆明 650228)

國際電工委員會(IEC)自1984年開始制定現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)該項工作的IEC/TC 65(工業(yè)測量和控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會)于2000年初公布IEC 61158： 1999標(biāo)準(zhǔn)包含了8種類型的現(xiàn)場總線，多種總線并存這一結(jié)果違背了當(dāng)初制定世界上單一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的初衷。如Emerson公司主推的FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在過程自動化應(yīng)用頗多，而Siemens公司Profibus現(xiàn)場總線早期主要用于工廠自動化，為擴(kuò)展其影響，在Profibus-DP的基礎(chǔ)上又開發(fā)出Profibus-PA以適用于過程自動化。用戶如果同時使用了FF，Profibus-PA兩類現(xiàn)場總線設(shè)備，就必須分別使用這兩類現(xiàn)場總線的接口(如總線模塊、耦合器等)與上位控制系統(tǒng)連接。

流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)也存在這個問題，IEC先后批準(zhǔn)了3個標(biāo)準(zhǔn)： WirelessHART，WIA-PA和ISA100.11a，在工業(yè)無線領(lǐng)域形成了3個標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，由此帶來了標(biāo)準(zhǔn)之間互通性差、多標(biāo)準(zhǔn)支持設(shè)備研發(fā)周期長、成本高昂等問題。用戶曾希望有統(tǒng)一的過程自動化行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)，但是達(dá)到這一目標(biāo)難度太大，到目前為止仍未做到。

大多數(shù)流程工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的用戶可能會選擇三種主流無線技術(shù)中的一種，并接受排它性的選擇。在許多情況下，這種選擇可能是用戶選擇DCS的直接結(jié)果，比如選擇了Emerson公司的Delta V DCS，就要用WirelessHART，選擇了Honeywell公司的Experion DCS，就要用ISA100.11a。這樣會導(dǎo)致部分現(xiàn)場儀表供應(yīng)商所支持的無線通信標(biāo)準(zhǔn)和DCS供應(yīng)商所支持的無線通信標(biāo)準(zhǔn)并不一致。

1 流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合

從2017年1月開始，流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，Honeywell公司在符合ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的OneWireless產(chǎn)品中，給無線Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備接入點(FDAP)賦予多協(xié)議、多應(yīng)用、多標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)新的功能。

Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備具備兼容IEEE 802.11a/n(5 GHz)和802.11b/g/n(2.4 GHz)的三個兩段式射頻，它還具備以太網(wǎng)、光纖以及小型可插拔(SFP)回程選項，可為ISA100.11a和WirelessHART現(xiàn)場儀表、使用平板電腦等設(shè)備的Wi-Fi客戶端和以太網(wǎng)設(shè)備等提供完美的解決方案。節(jié)點設(shè)備內(nèi)配有ISA100.11a和WirelessHART多協(xié)議的無線通信，可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸提供回程鏈路。Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備可提供單盒式解決方案，無需使用2個獨立的無線網(wǎng)絡(luò)： 用于802.11n網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]。FDAP可以作為接入點、路由器或網(wǎng)關(guān)使用，可用于接入ISA100.11a和WirelessHART現(xiàn)場儀表，還可將無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)大[2]。融合WirelessHART的ISA100.11a無線通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，在圖1中左側(cè)有2臺現(xiàn)場設(shè)備接入點FDAP，其中FDAP1接入WirelessHART現(xiàn)場儀表信號，F(xiàn)DAP2采用有線以太網(wǎng)方式接入1臺控制設(shè)備(PLC)，然后以ISA100.11a無線方式將信息傳送到Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備1，該節(jié)點設(shè)備與Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備2作為根接入點與Experion控制系統(tǒng)有線連接。圖1中右側(cè)Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備3，以3種無線方式分別與3臺無線現(xiàn)場設(shè)備通信： 與WirelessHART現(xiàn)場儀表以WirelessHART無線方式通信，與ISA100.11a現(xiàn)場儀表以ISA100.11a 無線方式通信，與手持式現(xiàn)場巡檢儀以Wi-Fi無線方式通信。而在Cisco Aironet 1552S節(jié)點設(shè)備之間則以IEEE802.11無線回傳方式通信[3]。

圖1 融合WirelessHART的ISA100.11a無線通信網(wǎng)絡(luò)示意

Emerson公司在2017年6月宣布了一種新的雙模無線網(wǎng)關(guān)，支持WirelessHART和ISA100.11a工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)，所采用的方案是將雙模無線網(wǎng)關(guān)集成到Cisco1552WU中，它結(jié)合了WirelessHART，ISA100.11a工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)和Wi-Fi的解決方案[4]。

終上所述，Honeywell公司和Emerson公司所宣布的并不是流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，ISA100.11a和WirelessHART兩個標(biāo)準(zhǔn)都沒有觸動。但是兩家公司都做到了另外一點： 流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合，即在一個底層的無線通信網(wǎng)絡(luò)里，采用ISA100.11a和WirelessHART通信標(biāo)準(zhǔn)的無線現(xiàn)場設(shè)備可以共存，可以通過各自的無線通信協(xié)議將信息傳送到同一個網(wǎng)關(guān)，再轉(zhuǎn)送到上位控制系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線，標(biāo)準(zhǔn)不但統(tǒng)一不了，也不可能在一個最底層網(wǎng)段里同時接入兩類現(xiàn)場總線的設(shè)備。所以流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合也是一個進(jìn)步，是領(lǐng)先于現(xiàn)場技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的。

2 流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合對自控設(shè)計思路的影響

流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到融合這一步，對自控設(shè)計人員的工作思路，至少帶來一些影響。

2.1 思路的拓展

以往流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的選型往往依據(jù)控制系統(tǒng)的選型而定，大多數(shù)主流自動化廠家都按無線通信標(biāo)準(zhǔn)站隊，比如選擇WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的有Emerson，ABB，E+H，MACTek，P+F，Phoenix和Siemens等公司，選擇ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的有Honeywell，YOKOGAWA，Azbil，GE，F(xiàn)uji，PEPPERL+FUCHS等公司。這樣設(shè)計人員做設(shè)計時，只收集其中一個標(biāo)準(zhǔn)的資料，只了解一個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的性能。而現(xiàn)在需要拓展思路，要收集兩個標(biāo)準(zhǔn)的資料，了解兩個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的性能。

2.2 深度學(xué)習(xí)

以往當(dāng)選定無線通信標(biāo)準(zhǔn)后，該標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的性能可不做深入研究，甚至廠家還會幫助用戶選定無線儀表設(shè)備；而現(xiàn)在可能需要在兩個標(biāo)準(zhǔn)的同類型產(chǎn)品中作性能對比，以確定到底選哪個標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品更合適。

比如WirelessHART的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主，所有的無線現(xiàn)場設(shè)備都兼有路由器功能，信息傳送的路徑常常要經(jīng)歷多“跳”才能傳送到網(wǎng)關(guān)；而ISA100.11a的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主，無線現(xiàn)場設(shè)備的路由器功能只是一個選項，信息傳送的路徑常常只經(jīng)歷一兩“跳”就能傳送到網(wǎng)關(guān)。所以WirelessHART網(wǎng)絡(luò)傳送稍滯后，無線現(xiàn)場設(shè)備耗電多，而ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)傳送滯后小，無線現(xiàn)場設(shè)備耗電少。

2.3 單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的突破

當(dāng)然，一般情況下設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)可能仍然是單一無線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，就像大多數(shù)工程項目儀表選型一樣： 統(tǒng)一供貨商。但針對一些特殊情況、有一些具體要求時，是否也可以跳出這個約束，必要時是否在設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)里選用兩個無線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品呢？如前文所述，無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合允許這樣做，遇到特殊情況，不妨試一試。

3 根據(jù)現(xiàn)場需求和無線現(xiàn)場設(shè)備的性能選型

生產(chǎn)現(xiàn)場如果對無線通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的特定性能有要求，那么就可以對比兩個無線通信標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的特定性能進(jìn)行選型。

3.1 刷新率

當(dāng)用于提供控制回路測量值的無線現(xiàn)場設(shè)備時，要求刷新率盡量高，目前Emerson的WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備刷新率最短的為1 s，而Honeywell，YOKOGAWA提供的ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備刷新率最短的為0.5 s。

3.2 電池

當(dāng)要求無線現(xiàn)場設(shè)備的電池可在市場選購時， Emerson的WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備的電池盒是專用的，用戶不能在市場采購，而ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備的電池可在市場選購，這樣有可能優(yōu)先選用支持ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的無線現(xiàn)場設(shè)備。

3.3 供電

當(dāng)要求無線現(xiàn)場設(shè)備的供電采用24 V(DC)時，Honeywell提供支持的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的SmartLine無線變送器[5]、YOKOGAWA支持的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備中新版本的EJX系列無線壓力/差壓變送器和YTMX580無線溫度變送器[6]，都帶外部24 V電源選項，而WirelessHART暫時沒有該選項，只能選用支持ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)產(chǎn)品。ABB公司推出的WirelessHART無線溫度變送器的儀表選項中可配備能量采集器，如果溫度檢測元件所處環(huán)境的工藝過程溫度和環(huán)境溫度之間存在大于30 ℃的溫差，則可通過能量采集器采集熱能并轉(zhuǎn)換成無線變送器工作所需的電能[7]。

3.4 障礙物

當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備安裝位置障礙物較多時，由于WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備都帶路由器功能，可提供較多的路徑避開障礙物，而ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備路由器功能需組態(tài)確定，或者提供專用的無線路由器，這樣有可能優(yōu)先選用WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備。

3.5 傳輸距離

當(dāng)傳輸距離要求較遠(yuǎn)時，WirelessHART給出的視準(zhǔn)線無障礙最遠(yuǎn)傳輸距離為230 m，ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)給出的傳輸距離為400～600 m無線現(xiàn)場設(shè)備。

3.6 壓力表

Honeywell提供的ISA100.11a的無線讀表器是與生產(chǎn)現(xiàn)場原有機(jī)械壓力表配套使用的，它采用圖像識別方法在原有壓力表上讀數(shù)，并將機(jī)械壓力表的讀數(shù)值數(shù)字化后傳送到控制室，但整體準(zhǔn)確度受限于機(jī)械壓力表的準(zhǔn)確度(通常為1.0級)，只能達(dá)到1.5級；Emerson提供的WirelessHART無線壓力表則是全新的儀表，同時它還帶確保設(shè)備與人員安全的雙層流程隔離、高達(dá)量程范圍150倍的過壓保護(hù)等性能，其0.5級的準(zhǔn)確度和可靠性也遠(yuǎn)優(yōu)于由機(jī)械壓力表及配套無線讀表器的組合[8]。

3.7 流量變送器

Emerson提供了WirelessHART無線一體化孔板流量計、無線調(diào)節(jié)孔板流量計、無線緊湊型阿牛巴流量計、無線累計變送器[9]等，這些在ISA100.11a無線產(chǎn)品系列中均找不到對應(yīng)的產(chǎn)品，因此只能選用WirelessHART的產(chǎn)品了。

3.8 機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測變送器

以往WirelessHART和ISA100.11a兩個標(biāo)準(zhǔn)都可提供旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測的變送器，如Emerson的WirelessHART AMS9420無線振動變送器可提供包括總體水平、能帶、高分辨率光譜和波形在內(nèi)的完整振動數(shù)據(jù)診斷技術(shù)，Honeywell的ISA100.11a的設(shè)備振動(健康狀態(tài))監(jiān)測變送器可監(jiān)測動設(shè)備的振動、位移、轉(zhuǎn)速、軸瓦溫度的狀態(tài)信息，上述兩款變送器均可根據(jù)振動波形頻譜分析進(jìn)行精細(xì)診斷，目標(biāo)對象都是關(guān)鍵大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備，價格很高。而YOKOGAWA在2018年開發(fā)的無線壽司(Sushi)傳感器是一款緊湊型無線設(shè)備，可根據(jù)設(shè)備的振動和表面溫度監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)，用在工廠非關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行的健康狀態(tài)監(jiān)測，如普通的電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等[10]，價格較低。

3.9 適配器

采用WirelessHART和ISA100.11a兩個標(biāo)準(zhǔn)的適配器，都能用于有線HART設(shè)備的信息轉(zhuǎn)換，而YOKOGAWA提供的ISA100.11a的FN310現(xiàn)場無線多協(xié)議模塊，除了支持HART協(xié)議轉(zhuǎn)換外，還支持RS-485接口 Modbus協(xié)議轉(zhuǎn)換，F(xiàn)N510現(xiàn)場無線多功能模塊除可選擇模擬輸入、數(shù)字輸入、脈沖輸入外，還可輸入專用加速度傳感器信息以檢測加速度和速度。Honeywell的XYR400E無線轉(zhuǎn)接模塊，可以無線轉(zhuǎn)接如下協(xié)議的第3方設(shè)備： RS-232，RS-485，Ethernet。

3.10 溫度變送器

大部分無線溫度變送器是與熱電偶、熱電阻配合使用的常規(guī)溫度檢測儀表，但一些性能特殊的溫度檢測儀表值得關(guān)注，比如2014年ABB公司推出的SensyTemp TSP341-W無線非插入式溫度測量裝置，采用了雙傳感器設(shè)計，同時檢測管道的表面溫度和環(huán)境溫度，再與專門開發(fā)的補(bǔ)償計算模型結(jié)合準(zhǔn)確計算管道內(nèi)介質(zhì)溫度，在多數(shù)測量場合與傳統(tǒng)插入式測溫裝置具有相同的準(zhǔn)確度、響應(yīng)時間[11]。2016年Emerson生產(chǎn)的WirelessHART產(chǎn)品中也推出非插入式無線溫度變送器，工作原理與ABB公司上述產(chǎn)品類似[12]。

3.11 網(wǎng)絡(luò)容量

2019年Emerson推出的新型無線接入點是由無線1410S網(wǎng)關(guān)、781S智能天線以及Cisco Catalyst IW6300 Heavy Duty系列接入點整合而成，新型無線接入點可以支持WirelessHART，ISA100.11A，Wi-Fi三網(wǎng)通信，而值得注意的是網(wǎng)絡(luò)容量由原來接入100臺WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備增加到200臺或200臺WirelessHART加ISA100.11A無線現(xiàn)場設(shè)備[13]。在一些無線現(xiàn)場設(shè)備密集安裝的場合，接入容量加大一倍的接入點無疑是最佳的選擇。

4 結(jié)束語

流程工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合對自控工程設(shè)計的影響是深遠(yuǎn)的，要求自控設(shè)計工程師對多個無線通信標(biāo)準(zhǔn)及其產(chǎn)品比以前更深入地了解并融會貫通，還要經(jīng)常關(guān)注無線通信標(biāo)準(zhǔn)及其產(chǎn)品的發(fā)展動態(tài)，掌握最新的信息，使完成的自控工程設(shè)計更優(yōu)化、更合理、更經(jīng)濟(jì)。