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兰斯三重制版攻略:綜述與研討:過程自動化無線通信網絡及應用

發布時間:2019-10-31 16:01   類型:應用案例   人瀏覽

战国兰斯8 www.kaxqfl.com.cn 1 概述

在先期應用的基礎上,2010年、2011年、2014國際電工委員會(IEC)先后批準IEC62591 WirelessHART、IEC62601 WIA-PAIEC62734 ISA100.11a 三個工業過程測量和控制領域的無線國際標準。WirelessHART通信協議是由HART通信基金會發布,得到艾默生過程管理公司、ABB、E+H、MACTek、P+F和西門子在內的過程控制廠商的支持;WIA-PA通信協議是由中國國家標準化管理委員會提出,得到中國工業無線聯盟的支持;ISA100.11a通信協議是由國際自動化學會(ISA)的ISA100工業無線委員會提出,得到霍尼韋爾、橫河、??松梨?、GE、山武在內的過程控制廠商的支持。

上述屬于過程自動化領域的無線通信網絡目前已得到較為廣泛的應用,僅WirelessHART2012年就有1萬套智能無線網絡運行在全球運行,而生產WIA-PA的主力廠商沈陽中科奧維科技公司的用戶應用規模非常大,如在沈陽供電局用電信息采集系統用戶規模就達二萬戶,在遼河油田的油井遠程計量與優化控制系統中采集規模達1500點。

無線通信網絡像現場總線一樣,可以看成是采集現場設備數據的遠程I/O設備??贍芤徊糠鐘沒Ф暈尷咄ㄐ磐緇菇銜吧?,本文將先介紹涉及無線通信網絡的一些基礎知識,然后就無線通信網絡的應用談幾點作者的想法。

2 最簡單的無線通信網絡

我們先從最簡單的無線通信網絡入手,以后再復雜的無線通信網絡無非是在最簡單的無線通信網絡上增加設備、擴展功能,差別就不是很大。圖1所示為最簡單的無線通信網絡,由一臺網關和數臺無線現場設備兩種設備類型組成。無線現場設備采集工藝生產過程現場數據或接收控制系統指令指揮現場執行機構動作,網關(Gateway)是一種網絡設備,一方面它以無線通信方式接收無線現場設備采集的數據,或向無線現場設備的執行機構發出控制系統指令,另一方面網關帶多種有線通信接口,如串行口或以太網口,通過這些接口與控制系統通信。

 

最簡單的無線通信網絡

一般來說,一臺無線現場設備與一臺網關這樣的一對一通信也是可行的,但通?;故怯迷詼嘍砸壞撓τ?,一般一臺網關可以連接100臺或200臺無線現場設備,具體連接數量取決于網關型號及無線現場設備的刷新率,如果無線現場設備的刷新率太快,例如4s、2s、1s甚至0.5s,那么一臺網關可以連接無線現場設備的臺數將只有三五十臺到十臺左右。

3 較大規模的無線通信網絡

再大的現場無線網絡要么是由多個最簡單的無線通信網絡疊加,要么是在最簡單的無線通信網絡中擴充一些設備,如中繼器、接入點等等。

為了適應較大規模的現場無線網絡應用,一種方式是采用多個最簡單的無線通信網絡平行接入控制系統,另一種方式是采用先通過多個接入點將大規模無線通信網絡劃分為幾個小型無線通信網絡,然后由多個接入點構成回傳(Backhaul)網絡。接入點分為2類:網格接入點和根接入點,網格接入點與網關有線連接,用于采集該網關所連接無線現場設備的信息,多個網格接入點又以無線Wi-Fi方式將多個現場無線網絡的信息傳送到根接入點,根接入點以有線Modbus TCP/IP、OPC等方式通過管理型交換機與控制系統連接(見圖2。

通過多個接入點連接的較大規模無線通信網絡

4 無線通信網絡的安全性

無線信號在空間傳播,其傳播信號可能會擴張到裝置范圍以外。必須禁止外人甚至是敵手加入網絡、竊聽、修改、延遲或發送數據,破壞網絡安全,否則生產數據與庫存數據將會泄露,危及信息安全。因此任何應用中的無線通信都要求采取加密,驗證和其它安全措施。

相對于一般的無線通信網絡來說,過程自動化無線通信網絡采用了更多的安全措施來保障無線通信網絡和數據的安全。這些安全措施有:跳頻擴頻、定義設備黑名單、加密算法、設備認證、信息認證、通信信息新鮮度等。

以安全措施中的設備認證為例,防止未經設備認證的設備加入網絡是無線通信網絡安全的關鍵,每個無線通信網絡的設備都擁有各自的入網密鑰,用于設備入網過程中的加密和認證,以確保加入過程中發送和接收數據的機密性。入網密鑰還用于向安全管理器證明設備屬于該網絡,入網密鑰為每臺設備所獨有或在給定的無線通信網絡中共用,但每個無線通信網絡產生的入網密鑰是不同的,入網密鑰應被視為保密的,并滿足有關方安全政策的要求。設備的入網密鑰不能以物理或數字方式讀取,既不能被非預期的用戶讀取,也不能被用戶讀取,入網密鑰被存儲在網關的文件中。

5 無線通信網絡的應用

無線通信網絡具有易于安裝、應用規??紗罌尚?、與各類現有控制系統連接方便等特點,所以相對容易實施,也就是說,只要您對無線通信網絡感興趣,有想法,從嘗試開始到正式投運的過程是比較快,也比較簡單的。以下無線應用的一些思路或許會對您有參考價值:

5.1 可以試用

有兩種方式可以在做決策之前試用無線通信網絡,一種是幾乎所有無線通信網絡設備生產廠商都提供無線通信網絡現場啟動包(或啟動套件),啟動包提供最基本的工業無線通信網絡設備,如一個網關、5臺或5臺以上無線現場設備(見圖3)。進口設備啟動包的價格不超過十萬元,國產約在二三萬元。

3 Awia Tech公司WirelessHART的啟動套件

一個啟動包相當于我們前面所說最簡單的無線通信網絡,發貨時啟動包已預先組態,開箱后幾個小時內即可搭建一個安全的、堅固的自組織網絡。啟動包提供了一些功能選擇,使用戶能夠快速而方便地提高運行性能,同時體驗無線技術,獲取無線技術的操作經驗,并為未來實現更大范圍的無限應用奠定基礎。由于啟動包的點數不多,價格較低,可降低用戶投資風險。

第二種試用方法是當您規劃應用無線通信網絡的規模較大、與無線通信網絡設備生產廠商關系較好時,或許有的廠商就會愿意自帶設備到您的生產現場做試驗。

5.2 可以逐步擴大應用范圍

無線通信網絡安裝簡單,管線敷設量很少甚至沒有,所以系統擴展特別方便。只要前期網關容量有富余,再增加數十臺無線現場設備一般問題都不大。即使要增加網關,相對控制系統增加I/O卡也還是要簡便得多。

4示例了無線通信網絡逐漸擴大應用范圍的過程,它分成4個階段:第一階段,您可以從某個遠程無線現場應用開始,選用點數較少的無線現場變送器,然后通過接入點使用Wi-Fi網絡將數據傳送到位于控制室附近的網關;第二階段,擴展網絡,添加小規模的無線移動作業人員的應用;第三階段,擴展無線通信網絡的范圍,并利用RFID標牌進行位置跟蹤和添加無線視頻傳輸;第四階段,添加更多設備,并繼續擴展無線通信網絡的范圍。

 

無線通信網絡應用規模逐漸擴大示意圖

5.3 更適合項目后期改造時應用

項目后期改造時,會碰到原有控制系統I/O卡、接線箱、電纜橋架富余量不夠或現場施工難度大等問題,而采用無線通信網絡的改造方案,不必增加I/O卡、接線箱、電纜橋架的數量,現場施工方便快捷,也不致因改造而長期停產,而這些優點往往是項目后期改造時最優先考慮的問題。

項目原有設備可以利用,因為一個無線通信網絡僅相當于控制系統的一個遠程I/O,所以原有的控制系統肯定保留,而原有的現場設備,如變送器、熱電偶、熱電阻等,可保留其原有有線傳輸方式,也可用增加無線適配器或無線溫度變送器等設備后,改用無線傳輸。

5.4 裝置的配線可以無線和有線結合

裝置的配線原來都是有線傳輸,增加了無線通信網絡后,可以根據現場需求,靈活選擇有線或無線的配線方式。

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,它們相互之間的通信通常采用Wi-Fi無線方式。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以太網方式有線連接。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。

無線視頻傳輸的優勢在于無需布線,還有一個優勢是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,視頻數據的傳輸速度也受限制,這就限制了視頻信號的清晰度或無線視頻的節點數,限制的目的是為了確保無線骨干網絡的穩定性與可靠性,所以在終端攝像頭布置較多時,可以考慮部分無線、部分有線的傳輸方式。

5.5 小型獨立的無線通信網絡

一些特定的場合,如檢測參數總點數僅數十點,考慮設置控制系統經濟上不合算,或為臨時設置,或需經常移動,這時就可以考慮按小型獨立的無線通信網絡選用一些有顯示功能的網關設備。

橫河電機2013年推出集成ISA100.11a無線網關功能的GX20W無線無紙記錄儀,它是由ISA100.11a YFGW710無線網關+ GX20無紙記錄儀組合而成。GX20是一臺具有強大數據采集、顯示、通信功能的記錄儀,甚至可以看成是一個小型的計算機數據采集系統。圖5是由GX20W無線無紙記錄儀組成的ISA100.11a無線通信網絡示意圖,只不過無線無紙記錄儀不僅可以無線采集ISA100.11a無線通信網絡現場設備的信息,它本身還能以有線方式采集現場設備的信息,構成了一個小型的無線通信和有線通信混合的數據采集系統。

 

5 GX20W無線無紙記錄儀組成的小型獨立的無線通信網絡

5.6 特定場合應用

在一些特定場合,無線通訊網絡具有獨特的優勢,此時應用無線通信網絡就是理所當然的。如旋轉設備回轉窯體上的測溫,有線傳輸要用測溫滑環,誤差大,維護困難;再如傳輸線路如需通過公路、鐵路、江河,有線敷設不現實;測點重要但點數少,如需遠程敷設線路費用過高。

5.7 國產無線通信網絡

中國不僅主持制定了WIA-PA國際標準和生產符合該標準的產品,而且還有WirelessHART產品生產。僅就無線通信網絡本身來說,不同標準、不同廠商產品的差距是很小的,但就產品價格來說,國內外產品的差距非常大,甚至達到幾倍的價差,所以用戶從性價比考慮,選用國產無線通信網絡產品應該是上策。

6 結束語

過程自動化領域的無線通信網絡具有網絡結構簡單、安裝簡便、投資節省、擴展性好、安全可靠等優點,目前已在國內外得到較為廣泛的應用。隨著企業自動化水平的提高和對安全、環保的要求更為嚴格,中國無線通信網絡的應用也將提升到新的高度。

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