工业无线通信入门十问

阐述工业无线通信用户最关心的十个问题,为不熟悉工业无线通信技术的读者提供最基本的了解。

工业无线通信从2007年开始在工业生产过程中应用以来,已经得到大范围的推广,在中国也有近千个用户使用工业无线通信国际标准的产品,绝大部分都取得良好的应用效果。以下将回答工业无线通信用户最关心的十个问题,使不太熟悉工业无线通信技术的读者入门,从而对这项技术有一个最基本的了解。
1 工业无线通信的国际标准有哪几种?
到目前为止,国际电工委员会IEC先后批准了三个工业无线通信领域的国际标准:WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a。
WirelessHART通信协议是2007年9月由HART通信基金会发布,这一新标准得到艾默生过程管理公司、ABB、E+H、MACTek、P+F和西门子在内的过程控制厂商的支持。2010年4月12日国际电工委员会(IEC)表决通过为工业过程测量和控制领域的无线国际标准IEC 62591。
WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是工业过程自动化的无线网络规范,它是由中国国家标准化管理委员会提出,主要成员包括中科院沈阳自动化研究所等十余家单位,并得到中国工业无线联盟的支持。2011年10月14日,经国际电工委员会成员国投票,由我国负责制定的WIA-PA技术标准提案以100%的通过率,成为正式无线国际标准IEC62601。
ISA(International Society of Automation,国际自动化学会)的ISA100工业无线委员会是由终端用户和技术提供者组成,2009年9月,它提出了工业无线标准ISA100.11a,该标准得到霍尼韦尔、横河、埃克森美孚、GE、山武在内的过程控制厂商的支持,霍尼韦尔公司和横河电机推出全套产品。2014年09月,ISA100.11a标准由国际电工委员会(IEC)批准,成为无线国际标准IEC62734。
2 工业无线通信国际标准采用哪一个频段?
2.4GHz(2.400GHz~2.4835GHz)频段是唯一的全球免费许可频段,这使得它是完美的全球标准,2.4GHz频段可用于几乎任何地方,区分只是允许发送功率(1mW、10mW或100mW)。在2.4GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力,目前广泛应用于家用及商用领域。例如,蓝牙和WLAN工作在这个频率范围内,这个范围让你几乎在世界任何地方使用笔记本电脑或蓝牙设备。工业无线通信的国际标准均采用2.4GHz频段,图1为2.4GHz频带中通常指定的16个信道,每个信道的带宽是2MHz,信道间隔为3MHz。但因为一些国家不允许使用信道26,所以像WirelessHART也不支持使用信道26,只使用另外的15个信道。在某个瞬间,只使用其中一个信道通信,这个信道可以指定也可以以跳频方式选择,以保证通信不受干扰。
 
图1  根据IEEE 802.15.4在2.4GHz频带中指定的信道
3无线网络的设备类型最基本的有哪几种?
工业无线网络的最基本的设备类型有以下几种:
现场设备:是连接到工业过程上用来测量或者控制工业过程,实现现场检测、数据处理、执行机构等的终端节点;
路由设备:是一种能为一个网络设备无线转发数据到另一个网络设备的装置,即提供路由器服务的装置,路由设备可以由支持路由功能的无线现场设备承担,也可以是独立的路由设备;
适配器:将有线HART协议的设备或其他协议的设备连接到无线网络的设备,使有线HART设备或其他协议的有线设备升级为无线现场设备;
中继器:用于强化无线现场网络,如用于扩展无线网络通信范围或改善通信质量的设备;
手持设备:操作人员现场移动时随身携带的可连接到无线网状网络的设备,用于网络设备的安装、维护和操作;
接入点:是一种位于无线现场设备、网关和控制系统之间的网络设备;
网关:作为控制系统与工业无线网络之间的桥梁设备,能用于两个不同网络间的协议转换,使两个或多个不同协议的网络看起来像同种协议的网络一样,并且还能实现命令和数据的格式转换;
网络管理器:一种应用程序,负责整个网络的管理、调度和优化,如网络的形成、配置新网络设备、让新网络设备加入网络以及监测网络;
安全管理器:一种应用程序,用于管理网络设备的安全资源和监控网络安全状态,如生成和管理工业无线网络所用到的密码信息,也负责生成、存储和管理各种密钥。
4 怎样构成一个最小的现场无线网络?
要想了解一个新系统,可以先从最小的系统开始,小系统理解了,大的系统无非是小系统的叠加或扩充一些新的部件,理解就没有多大的障碍了,所以我们先从最小的现场无线网络说起。
如图2所示,最小的现场无线网络是由网关加多台无线现场设备组成,无线现场设备是连接到工业过程上用的变送器、执行机构等终端设备,可实现现场检测、数据处理、向执行器给出指令的终端节点。这些设备应按工业无线通信三大标准中的一个发送2.4GHz无线通信信号。网关(Gateway)是一种网络设备,它包含了至少一个控制系统接口(如串行口或以太网口),并充当控制系统和无线现场设备间通信的出入口。所以一个最小的现场无线网络是由多台检测、控制用的无线现场设备加一台采集无线现场设备信息并将信息传送到控制系统的网关组成,非常简单。再大的现场无线网络要么是由多个小的现场无线网络叠加,要么是在小的现场无线网络中扩充一些设备,如中继器、接入点等等。
 
图2  最小的现场无线网络
网关将无线网络接入有线网络,实现异构网络之间的协议转换。通过连接以太网、串行口或其他现有控制装置,能在无线现场设备和主机之间通信,管理无线现场设备,管理网络安全。从概念上讲,网关相当于有线通信系统的配线柜和接线箱。
一般来说,一台无线现场设备与一台网关这样的一对一通信也是可行的,但通常还是用在多对一的应用,一般一台网关可以连接100台无线现场设备,具体连接数量取决于网关型号及无线现场设备的刷新率。
5 怎样构成一个较大的现场无线网络?
为了适应较大规模的现场无线网络应用,一种方式是采用多个最小的现场无线网络平行接入控制系统,另一种方式是采用多个接入点将大规模现场无线网络划分为几个小型现场无线网络。接入点有2种工作方式:一种方式是在无线现场设备与网关之间增加接入点设备,负责从无线现场设备网络接收数据包并上传给网关或下发来自网关的数据,起无线现场设备与网关的桥梁作用,此时接入点以无线通信国际标准之一(如WirelessHART、ISA100.11a或WIA-PA),无线接收无线现场设备的信息,然后以这种无线通信标准或无线Wi-Fi方式将采集到的信息传送到网关;另一种方式是在网关(或接入点)与控制系统之间增加接入点设备,负责从网关(或接入点)接收现场无线网络的接收数据并上传给控制系统或下发来自控制系统的数据,起网关(或接入点)与控制系统的桥梁作用,与网关的连接可采用有线方式,与接入点则多为无线Wi-Fi方式(见图3)。多个接入点的加入可以提高整个网络的有效吞吐量和可靠性,特别适合于要求更快刷新率、更高性能的网络,所以接入点是一种位于无线现场设备、网关和控制系统之间的一种网络设备。
图3中,接入点分为2类:网格接入点和根接入点,网格接入点与网关有线连接,用于采集该网关所连接无线现场设备的信息,多个网格接入点又以无线Wi-Fi方式将多个现场无线网络的信息传送到根接入点,根接入点以有线Modbus TCP/IP、OPC等方式通过管理型交换机与控制系统连接。
 
图3  通过多个接入点连接的较大规模无线现场网络
6 无线是否整个通信路径都无需有线连接?
无论是在无线网络内部,还是在无线网络与控制系统连接时,往往都还需要有线连接。例如无线网关由于耗电量较大,往往采用工业电源供电,这就需要电源配线(如24VDC供电),无线现场设备虽然绝大多数采用锂电池供电,但也有采用工业电源供电、太阳能供电的选项,这也需要配线。再如无线网络与控制系统最终连接时,需要通过Modbus TCP、Modbus RTU、OPC或以太网有线连接,还有如图3中网格接入点与网关的连接也是有线连接。所以,现场无线网络与有线网络比较,虽然可以省去绝大部分有线连接线路,但是并不能百分之百的无线连接,仍然会保留少量的有线连接。
7 无线现场设备与网关之间的传输距离有多远?
采用2.4GHz频段的工业无线通信三个国际标准的现场无线网络,无线现场设备与网关之间的传输距离取决于采用哪一个标准、天线型式、无线现场设备的发射功率、网关与无线现场设备之间障碍物的状况。一般来说,无线现场设备的发射功率为10mW(10dBm)、内部天线、网关与无线现场设备之间无障碍物的条件下,传输距离约200~500m,依据障碍物的多少,传输距离将减少到30~100m。通常可以采用增加路由器、中继器等方法或将无线现场设备设置为有路由功能的设备,则可通过转接方式将无线现场设备的信息传送到网关,以延长传输距离,还可以采用外接天线的方法延长传输距离。
8 无线现场设备电池的使用寿命有多长?
无线现场设备多采用锂电池供电,其使用寿命一般可达到1~10年,寿命的长短取决于无线现场设备的种类、刷新率和是否承担路由功能。一般来说,刷新率设置为30s或更长,估算使用寿命约为5年。
由于电池电压可由控制系统无线网络的诊断画面连续监视并在低电压时提供报警信号,所以无线现场设备不致因不及时更换电池而停止工作。
9 无线网络怎样与控制系统连接?
如前所述,无线网络与控制系统最终连接时,可以通过Modbus TCP、Modbus RTU、OPC或以太网等有线方式连接,前面已经介绍了可以通过现场无线网络的网关,也可以通过根接入点与控制系统连接。一些主流厂家的控制系统提供了系统内部连接的无线I/O卡,可以像设置普通I/O卡一样设置无线I/O卡,这样的控制系统可直接通过无线I/O卡接入现场无线网络的所有信息。在艾默生过程管理公司的DeltaV控制系统里,从DeltaV11版开始,提供了DeltaV S系列无线I/O卡和781无线远程链路组成的完全冗余的WirelessHART解决方案(见图4),可与所有的DeltaV和AMS的应用实现本地节点集成。
 
图4  WirelessHART工业无线系统通过DeltaV控制系统的本地节点集成
图4中,无线I/O卡本身就是DeltaV S系列控制器的一个I/O节点,可直接挂在控制网络上,也可通过DeltaV防火墙与控制器相连。DeltaV提供的组态工具完全支持无线I/O卡和无线仪表的组态、设备监视等功能,系统还可以自动识别无线I/O卡和无线设备,可方便快捷地进行安装和调试。
10 无线网络看不见摸不着,如何监控网络的运行?
没有使用过现场无线网络的同志可能有这样的疑问:无线网络看不见摸不着,如何监控网络的运行?实际上大可不必担心,看一个无线网络通信诊断界面(见图5)就可以知道,所有无线现场设备的通信质量和通信状态,都可以在画面中查看。这个画面是我院在内蒙呼伦贝尔驰宏矿业有限公司14万t/a氧压浸出工程控制系统操作员站上显示的画面之一,以画面第一行Tag(HART位号)HLOL_PT1009为例:Node state(节点状态)栏表示节点状态是否正常,若正常为绿色圆圈,不正常为红色圆圈,画面显示的是正常的绿色;Active neighbors(运行的邻居)表示该仪表周围可用于传输数据的网关或者作为路由器的无线仪表设备,wihartgw为采集本参数数据的网关,HLOL_TT1007为可作为路由器传输数据的无线现场设备;Service denied(服务拒绝)表示该仪表是否被网关拒绝服务,正常服务为绿色圆圈,服务被拒绝为红色圆圈,画面显示的是正常服务的绿色;Reliability(可靠性)表示仪表可靠性的百分比,统计的时间从上一次网关重启时开始,图中上一次网关重启时间为2014年10月23日,屏幕截图时间为2014年11月26日,在这1个多月的时间内,图中仪表的可靠性均为100%,仪表的运行情况非常可靠;Missed updates(重启后丢失的数据)表示从上一次网关重启时开始,未收到数据个数的统计,同样在在这1个多月的时间内未丢失过数据;Path stability(路径稳定性)表示15分钟内该设备数据传输最好的那条通道的信号强度百分比,一般来说该值应大于60%,所显示数据大于60%;RSSI(信号强度)表示信号强度值,一般来说该值大于-75db时即可正常传输数据,显示的RSSI为-44db,信号非常好;Joins(加入)表示从上一次网关重启时开始,该无线仪表尝试连接网关的次数,如果次数大于1,则该无线仪表信号中断过,且重新连接过无线网关,画面显示为1,无线仪表信号从未中断过;Join Time(加入时间)表示从上一次无线仪表尝试连接网关的具体时间。
 
图5  通信诊断画面
类似的画面还有多种,用户可自行挑选和绘制,比如无线现场设备电池的电量也可以加入到通信诊断画面中。但总的来说,无线网络中无线现场设备的通信质量和通信状态完全可以在控制室实现远程监控。

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