基于無(wú)線技術(shù)的控制系統(tǒng)間無(wú)線橋式連接解決方案

1 概述

在流程行業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多地應(yīng)用于各行各業(yè)時(shí)，用戶更多見(jiàn)到的是由無(wú)線變送器檢測(cè)的過(guò)程參數(shù)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送，而對(duì)于無(wú)線技術(shù)可以用于控制系統(tǒng)之間無(wú)線橋式連接解決方案（Wireless Bridge Solution）則了解不多。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，常常有很多分廠、車間、工序、設(shè)備分散布置，相互間被公路、鐵路、河流、山丘、建筑物分隔，相距或近或遠(yuǎn)；相距較近或設(shè)計(jì)時(shí)有所考慮，或許會(huì)通過(guò)電纜、光纖等方式連接，相距較遠(yuǎn)或設(shè)計(jì)時(shí)未能考慮時(shí)，通過(guò)電纜、光纖等方式連接可能難以實(shí)施，這時(shí)再想將這些“信息孤島”連成一體就很難了。

控制系統(tǒng)之間無(wú)線橋式連接將為同一控制系統(tǒng)或不同控制系統(tǒng)之間的連接架起一座無(wú)形的橋梁，使同一控制系統(tǒng)得以擴(kuò)展，成為較大規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò)，也可以使不同控制系統(tǒng)之間共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更大范圍不同控制系統(tǒng)的集成。

控制系統(tǒng)之間無(wú)線橋式連接可以低成本提供安全可靠的通信，消除“信息孤島”，為更大范圍的企業(yè)管理提供“大數(shù)據(jù)”的全面支持服務(wù)。

本文將介紹控制系統(tǒng)之間無(wú)線橋式連接的方式、組成、實(shí)施和一些應(yīng)用例。

2 無(wú)線橋式連接的方式和架構(gòu)

2.1 無(wú)線橋式連接的方式

圖1所示為愛(ài)默生過(guò)程管理的WirelessHART無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線橋式連接的方式，遠(yuǎn)程站點(diǎn)和控制室分別所在的兩個(gè)廠區(qū)相距很遠(yuǎn)，且中間由水域分隔，實(shí)施有線連接難度很大，而采用無(wú)線橋式連接的方式，可以大大節(jié)省光纖、電纜的用量和施工費(fèi)用。采用的設(shè)備是無(wú)線接入點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)，當(dāng)信息傳送的可靠性要求高時(shí)，可選發(fā)送和接收設(shè)備冗余配置，構(gòu)成冗余無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際安裝時(shí)。2臺(tái)發(fā)送器和2臺(tái)接收器的位置可分別錯(cuò)開(kāi)一段距離，以保證在發(fā)送和接收設(shè)備的路徑不會(huì)同時(shí)被移動(dòng)的障礙物所遮擋。

圖1 采用WirelessHART無(wú)線橋式連接系統(tǒng)解決方案

圖2所示為霍尼韋爾公司的OneWireless的無(wú)線橋式連接的兩種方式：一種是先通過(guò)XYR400E無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊有線連接如下協(xié)議的第三方設(shè)備：RS232、RS485、Ethernet，然后通過(guò)無(wú)線通信將信息傳送到多功能節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送到主控制系統(tǒng)，如圖2中右下方所示；第二種是先通過(guò)多功能節(jié)點(diǎn)直接有線連接如下協(xié)議的第三方設(shè)備：Modbus、TCP-IP、OPC，再通過(guò)無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送到主控制系統(tǒng)，如圖2中下方所示。這兩種連接方式所指的第三方設(shè)備，一般包括PLC、DCS、分析儀、照相機(jī)、報(bào)警盤(pán)、流量計(jì)算機(jī)等。

圖2 采用OneWireless無(wú)線橋式連接系統(tǒng)解決方案架構(gòu)

類似OneWireless的XYR400E無(wú)線轉(zhuǎn)接模塊還有橫河電機(jī)的多協(xié)議無(wú)線適配器，它可以將支持RS485 Modbus協(xié)議的控制系統(tǒng)，以有線方式接入后通過(guò)無(wú)線轉(zhuǎn)接的方式傳送到無(wú)線接入點(diǎn)，再接入主控制系統(tǒng)。在國(guó)產(chǎn)WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，沈陽(yáng)中科博微自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RS485/232無(wú)線透?jìng)髂K，可有線接入RS485/RS232總線的控制系統(tǒng)或設(shè)備，以有線方式接入后通過(guò)無(wú)線透?jìng)髂K傳送到網(wǎng)關(guān)，再接入主控制系統(tǒng)，通信方式可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等多種模式。

2.2 無(wú)線橋式連接的架構(gòu)

以愛(ài)默生過(guò)程管理的WirelessHART無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為例，與Delta V無(wú)線橋式連接系統(tǒng)解決方案的架構(gòu)見(jiàn)圖3。圖中右側(cè)為主控制室的Delta V主控制系統(tǒng)，左側(cè)上部為擴(kuò)展的Delta V控制系統(tǒng)，左側(cè)下部為遠(yuǎn)程控制器。

圖3 Delta V無(wú)線橋式連接系統(tǒng)解決方案架構(gòu)

如果需要將擴(kuò)展的Delta V控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制器無(wú)線連接到主控制系統(tǒng)，需要選用以下設(shè)備：

1）無(wú)線網(wǎng)橋

無(wú)線網(wǎng)橋可以選用無(wú)線接入點(diǎn)，有室內(nèi)型和室外型，以及防爆I類、2級(jí)或ATEX區(qū)域2認(rèn)證的設(shè)備，可根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和您的要求利用無(wú)線頻段IEEE 802.11n 2.4GHz或5GHz。

2）智能交換機(jī)

在DeltaV的橋接解決方案中，采用的是DeltaV的智能交換機(jī)，交換機(jī)用于將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)連接。無(wú)線局域網(wǎng)控制器和無(wú)線控制系統(tǒng)也通過(guò)交換機(jī)連接。

3）無(wú)線局域網(wǎng)控制器

無(wú)線局域網(wǎng)控制器負(fù)責(zé)全網(wǎng)的無(wú)線功能，如安全策略、入侵防御、RF管理、服務(wù)質(zhì)量和移動(dòng)性。

4）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)允許網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)計(jì)、控制，通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)控制器監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，并提供包括診斷和故障排除的網(wǎng)絡(luò)管理工具軟件，以保持網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運(yùn)行。

如果系統(tǒng)已經(jīng)投入了或規(guī)劃了無(wú)線通信系統(tǒng)，那么無(wú)線橋式連接的方式可能就沒(méi)有必要再新增智能交換機(jī)、無(wú)線局域網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等設(shè)備了，這在下面的一些應(yīng)用例中可以看到。

3 無(wú)線橋式連接的實(shí)施工作

實(shí)施工作將包括準(zhǔn)備工作和提交網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)資料。

準(zhǔn)備工作大體包括以下內(nèi)容：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查控制系統(tǒng)的要求；核算控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量；收集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)地理?xiàng)l件、信息發(fā)送和接收位置之間距離的信息；調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)射頻（RF）狀況。

提交的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)資料可包括以下內(nèi)容：提供無(wú)線橋式連接架構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工具；確定接入點(diǎn)位置；確定無(wú)線通信鏈路是單一的還是冗余的；評(píng)估集成的安全性。

4 無(wú)線橋式連接的應(yīng)用例

4.1中石油西固油庫(kù)

2009年，中石油西固油庫(kù)改造項(xiàng)目提出以下任務(wù)：在油庫(kù)罐區(qū)增加輸油管路無(wú)線壓力測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；支持操作工使用移動(dòng)工作站能實(shí)時(shí)獲取控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)錄入裝車數(shù)據(jù)和信息；實(shí)時(shí)獲取遠(yuǎn)離控制室的油庫(kù)計(jì)量PLC中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而最遠(yuǎn)端的油庫(kù)到控制室距離達(dá)8km。由于輸油管線的壓力測(cè)點(diǎn)與控制室之間被鐵路分隔、現(xiàn)有橋架和電纜溝已經(jīng)接近滿載等原因，項(xiàng)目改造實(shí)施方案采用霍尼韋爾公司的PKS控制系統(tǒng)和無(wú)線信號(hào)傳輸方案。

所提供的無(wú)線設(shè)備包括：5臺(tái)Multinode多功能節(jié)點(diǎn)、20臺(tái)無(wú)線壓力變送器、6臺(tái)無(wú)線閥門(mén)回訊變送器、4臺(tái)移動(dòng)工作站/RESS Server、無(wú)線管理平臺(tái)。通過(guò)5個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的Mesh無(wú)線主干網(wǎng)絡(luò)同時(shí)支持3類無(wú)線應(yīng)用：

提供ISA100.11a無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，支持同20臺(tái)無(wú)線壓力變送器、6臺(tái)無(wú)線閥門(mén)回訊變送器的通信和過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；

提供IEEE802.11a/b/gWi-Fi無(wú)線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，支持4個(gè)移動(dòng)工作站，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)，實(shí)時(shí)瀏覽PKS控制系統(tǒng)畫(huà)面、組態(tài)、報(bào)表、報(bào)警等，以及輸入鐵路裝卸站臺(tái)的過(guò)程數(shù)據(jù)；

提供Mesh無(wú)線主干網(wǎng)絡(luò)，支持多功能節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信；

采用Modbus TCP方式將油庫(kù)計(jì)量PLC控制系統(tǒng)有線接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多功能節(jié)點(diǎn)，再以無(wú)線傳送方式接入西固油庫(kù)控制室的PKS控制系統(tǒng)。

西固油庫(kù)無(wú)線通信設(shè)備及布置見(jiàn)圖4。

圖4 西固油庫(kù)無(wú)線通信示意圖

無(wú)線變送器可以自動(dòng)選擇同多功能節(jié)點(diǎn)M1、M2、M3、M4進(jìn)行無(wú)線通信，多功能節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信構(gòu)建Mesh無(wú)線主干網(wǎng)絡(luò)，位于控制室樓頂?shù)亩喙δ芄?jié)點(diǎn)M1作為網(wǎng)關(guān)，采用Modbus TCP協(xié)議有線接入PKS控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)附近高處安裝一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)M5，以Modbus TCP協(xié)議有線接入油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)，多功能節(jié)點(diǎn)M5再通過(guò)無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)通信，將油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳至無(wú)線網(wǎng)關(guān)M1，實(shí)現(xiàn)同西固油庫(kù)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，從而使油庫(kù)計(jì)量PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式集成到PKS控制系統(tǒng)中。

多功能節(jié)點(diǎn)M2、M3置于橫跨鐵路的高架棧橋上，多功能節(jié)點(diǎn)M4置于綜合泵房附近的屋頂上。多功能節(jié)點(diǎn)M2、M3、M5都采用定向大角度板狀高增益天線，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸。

2010年6月投運(yùn)一年多以后的回訪表明，20t油罐車裝運(yùn)所需時(shí)間由40min縮短為25min，油罐車裝運(yùn)工由7人/班減少為2人/班；火車裝運(yùn)原由人工抄寫(xiě)車號(hào)再計(jì)算機(jī)錄入的工作由無(wú)線手操器完成；視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)的投入提高了罐區(qū)安全管理水平。

4.2 北美L.P.公司天然氣廠

位于北美的天然氣、原油、成品油和石化產(chǎn)品生產(chǎn)商L.P.公司，其天然氣工廠和遠(yuǎn)程設(shè)備之間相距超過(guò)12km，裝置采用霍尼韋爾的Experion PKS過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)，兩地之間原采用光纖連接。但在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)幾次光纖故障，切斷了天然氣工廠和遠(yuǎn)程設(shè)備之間的通信，為此L.P.公司考慮需要為光纖連接尋找備份的方案。霍尼韋爾公司提出采用OneWireless網(wǎng)絡(luò)為光纖連接提供無(wú)線備份解決方案，而且還承諾當(dāng)光纖連接故障時(shí)交換機(jī)能自動(dòng)轉(zhuǎn)移到無(wú)線通信連接。

霍尼韋爾公司經(jīng)過(guò)評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提供了采用OneWireless網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方案：

采用Multinode多功能節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)長(zhǎng)距離通信；

確定了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為11Mbps；

對(duì)比2.4GHz和5.8GHz頻段后，決定采用干擾少的5.8GHz無(wú)線頻段；

交換機(jī)配置了生成樹(shù)算法（spanning tree algorithm），確保當(dāng)光纖連接故障時(shí)交換機(jī)能自動(dòng)切換到無(wú)線通信連接。

安裝完畢后，霍尼韋爾做了一系列的調(diào)整和測(cè)試工作：

調(diào)整天線對(duì)齊，使信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到100%，無(wú)線通信是可靠的；

對(duì)光纖連接故障進(jìn)行了測(cè)試，交換機(jī)能自動(dòng)切換到無(wú)線通信連接，故障切換測(cè)試非常成功；

天然氣工廠和遠(yuǎn)程設(shè)備兩個(gè)系統(tǒng)仍然獨(dú)立運(yùn)行；

光纖連接和備份的無(wú)線連接的狀態(tài)可以在控制系統(tǒng)的操作畫(huà)面上清晰可見(jiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于歷史和區(qū)位分散的原因，在很多企業(yè)內(nèi)部的分廠、車間、工序、設(shè)備控制系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的，形成所謂的“信息孤島”局面。采用光纖、電纜連接控制系統(tǒng)是其中的一個(gè)解決辦法，但對(duì)于相距較遠(yuǎn)、線纜敷設(shè)困難的場(chǎng)合，控制系統(tǒng)之間的無(wú)線橋式連接無(wú)疑提供了另一種投資節(jié)省、施工快捷、性能穩(wěn)定的解決辦法。

作者簡(jiǎn)介

昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院電氣自動(dòng)化分院教授級(jí)高級(jí)工程師，衡器、自動(dòng)化儀表、冶金自動(dòng)化、儀器儀表用戶、儀器儀表與自動(dòng)化等雜志編委，昆明儀器儀表學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，中國(guó)衡器協(xié)會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)顧問(wèn)，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，曾出版“電子皮帶秤的原理及應(yīng)用”（1994年，冶金工業(yè)出版社）、“電子皮帶秤”（2007年，冶金工業(yè)出版社）“流程行業(yè)無(wú)線通信技術(shù)及應(yīng)用”（2015年化學(xué)工業(yè)出版社）、“有色金屬生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化”（2015年，人民郵電出版社）四本專著，發(fā)表論文300篇。