胡伯琪 （1971-）

男，浙江寧波人，工程師，畢業(yè)于成都科技大學(xué)計(jì)算機(jī)及自控系自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)就職于鎮(zhèn)海石化工程公司設(shè)計(jì)部，從事自控專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作。

摘要：這篇論文主要介紹了Honeywell工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在中石化鎮(zhèn)海煉化8公里乙烯運(yùn)輸管線(xiàn)項(xiàng)目上的應(yīng)用。該項(xiàng)目采用無(wú)線(xiàn)溫度變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管線(xiàn)每隔1公里的溫度測(cè)點(diǎn)，以確保乙烯管線(xiàn)的正常運(yùn)行。工業(yè)無(wú)線(xiàn)方案在管線(xiàn)上的應(yīng)用，不僅技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用創(chuàng)新，而且解決了一般有線(xiàn)方案8公里傳輸?shù)臏囟刃盘?hào)衰減的問(wèn)題和安裝困難的問(wèn)題，也節(jié)省了大量的安裝成本和調(diào)試時(shí)間，并明顯降低后期維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)確保實(shí)時(shí)可靠通訊，避免因傳統(tǒng)有線(xiàn)方式電纜損壞帶來(lái)的通訊中斷問(wèn)題。本文詳細(xì)闡述這個(gè)管線(xiàn)項(xiàng)目上的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)一步探討工業(yè)無(wú)線(xiàn)在石油煉化行業(yè)中更多的應(yīng)用場(chǎng)合，并比較了目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制的2個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，ISA100和WirelessHART。附件也簡(jiǎn)單介紹了霍尼韋爾公司無(wú)線(xiàn)架構(gòu)，以及一個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺(tái)支持多種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用和多種通訊協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)儀表的特點(diǎn)等。

關(guān)鍵詞：鎮(zhèn)海煉化；無(wú)線(xiàn)；ISA100；Wireless HART；霍尼韋爾無(wú)線(xiàn)；OneWireless

Abstract: This paper mainly focuses on the wireless application in ZhenHai Refinery 8 km
 enthyleve pipeline project. Wireless temperature transmitters were applied in this project
 to monitor the temperature measurement points every 1 km, as a result to ensure the safe 
transportation operation. The advantages in installation cost saving, commission time 
saving, and maintenance cost reducing, and the innovative technology application brings 
value to this project. Two international industrial standards about wireless application 
in monitoring and control are compared, and in the last, explained Honeywell’s OneWireless solution, 
which provide a multifunctional wireless network structure, that 
is one structure supporting multi wireless applications and multi protocol wireless 
instruments.

Key words: Power Plant; Wireless; Multifunctional Wireless Network; ISA100; Wireless HART;
 Honeywell Wireless; OneWireless

    把工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于石油煉化工廠(chǎng)的過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制，可以沒(méi)有電纜的束縛，采集更多偏遠(yuǎn)分散區(qū)域的測(cè)點(diǎn)、敷設(shè)電纜和接線(xiàn)比較困難的測(cè)點(diǎn)、電纜容易損壞和燙傷的測(cè)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的測(cè)點(diǎn)、信號(hào)傳輸危險(xiǎn)和受干擾的測(cè)點(diǎn)，以及用在電纜橋架和卡件已經(jīng)用滿(mǎn)的改造項(xiàng)目中，安裝工期要求迅速的項(xiàng)目中，以及現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有電源供應(yīng)的場(chǎng)合，也支持在移動(dòng)工作站以及無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)視，支持現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和安全應(yīng)用。

    中石化鎮(zhèn)海煉化公司正是借助于先進(jìn)的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接裝卸碼頭和低溫罐區(qū)的低溫乙烯運(yùn)輸管線(xiàn)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，并同低溫罐區(qū)DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案，不同于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，而是采用了Mesh 多路徑、FHSS/ DSSS跳頻，以及端對(duì)端的無(wú)線(xiàn)通訊控制技術(shù)，等等，確保無(wú)線(xiàn)通訊工業(yè)等級(jí)的可靠和安全，確保快速的、配置通訊時(shí)間滯后管理機(jī)制的通訊技術(shù)，而且解決了長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)儀表（變送器）的電池供電問(wèn)題。由于無(wú)線(xiàn)傳輸為數(shù)字傳輸，再加上mesh多路徑的空間通訊，基于時(shí)間同步和碰撞檢測(cè)的通訊，以及跳頻抗干擾通訊，能夠確保無(wú)線(xiàn)通訊應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的可靠性。

1 項(xiàng)目背景和挑戰(zhàn)

    鎮(zhèn)海煉化計(jì)劃修建的低溫乙烯運(yùn)輸管線(xiàn)，總長(zhǎng)約7650米，連接裝卸碼頭和低溫罐區(qū)。運(yùn)輸管線(xiàn)的管道外徑為325mm，壁厚4.5mm，材質(zhì)為304碳鋼，保溫層厚230mm。乙烯運(yùn)輸溫度要求范圍為-150℃~-100℃。為確保管線(xiàn)運(yùn)輸正常工作，避免事故發(fā)生，需要對(duì)管線(xiàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。管線(xiàn)兩端約500米各有一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，其他測(cè)點(diǎn)分布為平均每隔1公里一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。管線(xiàn)溫度數(shù)據(jù)要求傳輸至低溫罐區(qū)控制室DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

    如果采用常規(guī)的有線(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)7.6公里管線(xiàn)每個(gè)1公里一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，非常困難。首先是數(shù)公里外的溫度信號(hào)傳輸至DCS控制室，信號(hào)衰減已經(jīng)非常弱，不能正常測(cè)量。如FF基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主干和分支的總長(zhǎng)度也不能超過(guò)1.9公里（通信速率為31.25kbps），Modbus RS485通訊的距離最遠(yuǎn)也在1.2公里左右（9.6kbps 傳輸速度），Profibus DP/ PA的通訊距離同樣在1.9公里的范圍內(nèi)，因此也很難用有線(xiàn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果采用光纜通訊，那么每個(gè)測(cè)點(diǎn)處都需要光電轉(zhuǎn)換接口等附件，不僅設(shè)備昂貴，而且工程實(shí)施困難，通訊很容易因?yàn)楣收宵c(diǎn)或光纜損壞而中斷，而且后期維護(hù)費(fèi)用高，維護(hù)工作量大。

2 無(wú)線(xiàn)方案的配置

    采用Honeywell的OneWireless工業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案，無(wú)需安裝電纜、橋架和接線(xiàn)，非常容易就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)乙烯管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)。低溫乙烯運(yùn)輸管線(xiàn)的溫度測(cè)點(diǎn)共7點(diǎn)如圖所示，分別位于離罐區(qū)DCS控制室1000米處T1、1850米處（高位）T2、2850米處T3、3850米處T4、4850米處（高位）T5、5950米處T6、6950米處T7。其中T2和T5是關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)。其中T1和T7采用有線(xiàn)溫度變送器，T2、T3、T4、T5、T6測(cè)點(diǎn)采用無(wú)線(xiàn)溫度變送器。

    安裝在管線(xiàn)溫度測(cè)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)變送器同多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊；多功能節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線(xiàn)通訊構(gòu)建mesh無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)。位于低溫罐區(qū)的多功能節(jié)點(diǎn)M1做為網(wǎng)關(guān)，把所有數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至罐區(qū)DCS控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。該項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示：

                                 圖1   網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    3臺(tái)多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建快速通訊的無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò)。安裝位置為：M1低溫罐區(qū)DCS控制室屋頂（外部供電）、 M2離罐區(qū)控制室1000米處（外部供電）、M3離碼頭控制室700米處（碼頭控制室供電）。都配置20dbi定向板狀高增益天線(xiàn)，帶有防雷端子。

    這個(gè)無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)，自組織、自愈合，最快通訊速度可以達(dá)到54Mbps，為構(gòu)建冗余的多路徑通訊，可以考慮增加更多的多功能節(jié)點(diǎn)。這個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)支持多種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，即不僅可以支持同無(wú)線(xiàn)變送器的通訊，而且支持無(wú)線(xiàn)移動(dòng)工作站，運(yùn)行維護(hù)人員可以在任何一個(gè)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)移動(dòng)工作站瀏覽DCS里的畫(huà)面和信息，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。這個(gè)多功能的無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)也支持無(wú)線(xiàn)視頻通訊、即時(shí)定位、管道和儲(chǔ)罐腐蝕監(jiān)測(cè)，以及其它Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通訊。這個(gè)無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)也支持多種通訊協(xié)議的符合ISA100 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)儀表，如HART、FF、4-20mA、Profibus等。

    無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多功能節(jié)點(diǎn)M1把數(shù)據(jù)集成到罐區(qū)的DCS控制系統(tǒng)中。采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議：Modbus TCP，或Modbus RS485/232或OPC或HART。本項(xiàng)目采用Modbus RS485 同控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成。

    該項(xiàng)目中T2至T6共5臺(tái)無(wú)線(xiàn)溫度變送器安裝在管架正上方1米高的抱柱上，采用20dbi定向板狀高增益天線(xiàn)（傳輸距離遠(yuǎn)、安裝隱蔽）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，而且都配有防雷端子。其中T2用2個(gè)天線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)冗余通訊路徑。溫度變送器的測(cè)溫元件采用PT100 外貼式熱電阻，導(dǎo)線(xiàn)直接接入無(wú)線(xiàn)溫度變送器。每臺(tái)無(wú)線(xiàn)溫度變送器配置1個(gè)熱電阻：材質(zhì)316不銹鋼、溫度范圍-150℃至-100℃，長(zhǎng)度350mm。

    Honeywell公司的解決方案也為項(xiàng)目配置一個(gè)管理軟件平臺(tái)（服務(wù)器），安裝在罐區(qū)控制室，完成如下功能：可視化監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài)；支持無(wú)線(xiàn)變送器在線(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)；負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的診斷和安全管理。

    這個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)采用2.4GHz公用波段跳頻（ISM），自組織、自愈合；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊遲延短；無(wú)線(xiàn)變送器自恢復(fù)速度快；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模靈活，安裝方便；無(wú)線(xiàn)設(shè)備有國(guó)家無(wú)線(xiàn)電委員會(huì)的核準(zhǔn)。Honeywell的無(wú)線(xiàn)變送器的刷新速度可以設(shè)定為1秒、5秒、10秒、30秒；無(wú)線(xiàn)溫度變送器可以同時(shí)隔爆和本安。無(wú)線(xiàn)變送器的電池壽命可預(yù)測(cè)，常溫下，1秒刷新時(shí)為4.5年；5秒時(shí)為10年。該項(xiàng)目的設(shè)備清單見(jiàn)表1。

                                    表1

    序號(hào)    名稱(chēng)                                     型號(hào)                              數(shù)量

     1    無(wú)線(xiàn)多功能節(jié)點(diǎn) （帶電源轉(zhuǎn)換模塊）      WNMS-M00000-W00000-F00000-PM-XXXX      3

     2    無(wú)線(xiàn)溫度變送器                        STTW400-000-0000-V0000-XD,MB,1C-XXXX    5

     3    表面式熱電阻PT100                      PT100                                  7

     4    無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)：軟件25點(diǎn)             SP                                     1

     5    工作站                               DELL D630工作站、2G內(nèi)存、160G固態(tài)硬盤(pán)    1

     6    無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)設(shè)備                      XSK00                                   1

3 無(wú)線(xiàn)方案的優(yōu)勢(shì)及技術(shù)討論

    在鎮(zhèn)海管線(xiàn)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中采用Honeywell的無(wú)線(xiàn)解決方案，突破接線(xiàn)和電纜的束縛，實(shí)現(xiàn)更靈活和更方便的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸管線(xiàn)的過(guò)程參數(shù)采集，并同現(xiàn)有有線(xiàn)的DCS控制系統(tǒng)無(wú)縫式數(shù)據(jù)集成，這進(jìn)一步延伸DCS控制網(wǎng)絡(luò)的廣度和深度，提高了管線(xiàn)運(yùn)輸安全監(jiān)控水平、提高了項(xiàng)目施工效率，也同時(shí)節(jié)省了大量安裝成本、調(diào)試時(shí)間，和后期維護(hù)費(fèi)用。而且未來(lái)項(xiàng)目非常容易擴(kuò)展，例如如果未來(lái)再增加2條運(yùn)輸管線(xiàn)，那么可以直接安裝無(wú)線(xiàn)變送器即可，它們經(jīng)過(guò)授權(quán)后，可以自動(dòng)加入現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

    無(wú)線(xiàn)方案在石油煉化工廠(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合還很多，如在罐區(qū)安裝無(wú)線(xiàn)變送器監(jiān)測(cè)罐區(qū)過(guò)程參數(shù)；安裝工業(yè)無(wú)線(xiàn)攝像頭，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)視；支持無(wú)線(xiàn)移動(dòng)工作站，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)獲取DCS控制系統(tǒng)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等等；如在工廠(chǎng)改造項(xiàng)目中由于電纜橋架、卡件、機(jī)柜等備用容量用完，可以實(shí)現(xiàn)快速增加測(cè)點(diǎn)；凡是敷設(shè)電纜或接線(xiàn)非常困難的測(cè)點(diǎn)、分布分散的區(qū)域、隔離和屏蔽的區(qū)域、檢修困難的區(qū)域、移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、電纜容易損壞和折斷的場(chǎng)所，都可以考慮采用工業(yè)無(wú)線(xiàn)方案。

    確定工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的因素包括過(guò)程因素、技術(shù)因素、成本因素等。需要考慮到未來(lái)無(wú)線(xiàn)應(yīng)用的可擴(kuò)展性、延續(xù)性和互操作性（一個(gè)平臺(tái)支持多種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用、多通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表、開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)），需要考慮無(wú)線(xiàn)儀表的安全考慮；無(wú)線(xiàn)通訊的可靠性、安全性；無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性（儀表的刷新速度、網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后）；無(wú)線(xiàn)通訊的頻段考慮；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；以及同有線(xiàn)DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成等等。

3.1 多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) vs. 單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

    用戶(hù)在考慮采用無(wú)線(xiàn)方案時(shí)，必須考慮無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的可擴(kuò)展性，以確保現(xiàn)有的投資在未來(lái)也不會(huì)過(guò)時(shí)。其中就要考慮是采用單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，還是采用多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。采用單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只能支持某一種通訊協(xié)議的儀表，只支持某一種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用。如果未來(lái)需要實(shí)施其它無(wú)線(xiàn)應(yīng)用時(shí)，需要構(gòu)建多個(gè)不同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。這既增加了用戶(hù)的投資，增添用戶(hù)管理多個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺(tái)的困難，同時(shí)也是對(duì)現(xiàn)有投資的浪費(fèi)。

    與之相反，（如圖2所示）如果采用多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，那么構(gòu)建一個(gè)單一架構(gòu)，就可以同時(shí)支持多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。這既可以減少不必要的相互干擾，確保無(wú)線(xiàn)通訊更加可靠，同時(shí)也節(jié)省了用戶(hù)的投資，工廠(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員不必面對(duì)多個(gè)單獨(dú)的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，不必為管理不同的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)而煩惱。

                                    圖2   多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

    Honeywell公司的OneWireless無(wú)線(xiàn)方案就是一個(gè)多功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)支持全廠(chǎng)的多種應(yīng)用如：過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控、安全視頻監(jiān)視、支持流動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)設(shè)備即時(shí)定位、管道腐蝕監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)如振動(dòng)等診斷等等 ；一個(gè)平臺(tái)支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表：如HART，Modbus，F(xiàn)F，4-20mA等； 

3.2 ISA 100 vs. Wireless HART

    目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制的技術(shù)方案可以分為2類(lèi)，即以WirelessHART為代表的儀表傳感器無(wú)線(xiàn)mesh解決方案，和以ISA100為代表的節(jié)點(diǎn)mesh無(wú)線(xiàn)方案。兩種解決方案都為了達(dá)到工業(yè)等級(jí)的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴(kuò)頻通訊技術(shù)以及基于精確時(shí)間同步的通訊和基于數(shù)據(jù)碰撞的通訊技術(shù)。也都考慮了其它技術(shù)特點(diǎn)，如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全性、無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性（儀表的刷新速度、網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后）、無(wú)線(xiàn)通訊的頻段考慮、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及可擴(kuò)展性，以及同有線(xiàn)DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成等等。但是兩種方案的技術(shù)路徑卻差別很大，給用戶(hù)帶來(lái)的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)也不盡相同。

    （1）以WirelessHART為代表的儀表mesh無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

    該解決方案的主要特征是現(xiàn)場(chǎng)儀表配置路由功能，即每臺(tái)無(wú)線(xiàn)儀表不僅測(cè)量自己的過(guò)程參數(shù)，而且同時(shí)為其它儀表的通訊進(jìn)行路由（如圖3所示）。通常配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無(wú)線(xiàn)變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，所以?xún)?yōu)點(diǎn)就是實(shí)施較為簡(jiǎn)單。

                                     圖3  儀表網(wǎng)絡(luò)

    但是這種技術(shù)路徑的缺點(diǎn)也非常明顯，因?yàn)檎麄€(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通訊是通過(guò)變送器路由來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以其通訊速度受到了相應(yīng)的限制，如變送器的刷新速度不可能做到很快，典型的是16秒和8秒；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后可能很明顯，典型的是16秒或60秒，設(shè)定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后也越長(zhǎng)。

    因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)變送器為其它變送器的路由都需要消耗電池，所以電池的壽命不會(huì)很長(zhǎng)，30秒刷新時(shí)可能5年，但是快速刷新時(shí)，如8秒或更快如1秒，那么電池壽命會(huì)很短。而且正是由于設(shè)備的路由需要消耗電池，所以即使電池的電壓可以隨時(shí)顯示報(bào)警，但是電池的壽命很難預(yù)測(cè)。

    也是由于需要節(jié)省電池的能量，所以無(wú)線(xiàn)儀表的無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率就有所限制，即2個(gè)無(wú)線(xiàn)儀表之間的通訊距離很短（如果申請(qǐng)的是2.4GHz微功率設(shè)備，那么不同的國(guó)家關(guān)于其發(fā)射功率的限定都不同，如中國(guó)無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)關(guān)于微功率無(wú)線(xiàn)設(shè)備的發(fā)射功率限制設(shè)定為必需小于10毫瓦，設(shè)備間的通訊距離也就在100米左右）。

    也正是由于考慮到網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)間滯后和通訊速度的因素，整個(gè)無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的通訊路由次數(shù)必需有所限制，即最遠(yuǎn)的儀表到網(wǎng)關(guān)的路由次數(shù)不能大于多少次，否則通訊時(shí)間滯后會(huì)很長(zhǎng)；同時(shí)通訊時(shí)間滯后的因素也決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，如無(wú)線(xiàn)儀表1秒刷新時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)所帶的設(shè)備可能非常有限。

    另外這種以WirelessHART為代表的儀表mesh無(wú)線(xiàn)解決方案，一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構(gòu)只支持一種通訊協(xié)議的儀表（而且是HART儀表）的無(wú)線(xiàn)通訊，沒(méi)有考慮到支持其它協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表和其它無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，也是其局限性。

    (2）以ISA100為代表的節(jié)點(diǎn)mesh無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

    該方案主要是由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)通訊速度非常快速的無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò)，而且這個(gè)無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)自組織，自愈合，同時(shí)支持多種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表。現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表可以自動(dòng)選擇同任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，自組織，自愈合。但是現(xiàn)場(chǎng)儀表不配置路由功能。通常任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以或同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無(wú)線(xiàn)變送器由電池供電，跳頻擴(kuò)頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

    這種方案的優(yōu)點(diǎn)就是由于節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的快速的、mesh主干網(wǎng)絡(luò)，使得無(wú)線(xiàn)變送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于無(wú)線(xiàn)變送器只需要1個(gè)“hop”就可以把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)通訊速度非常快的無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)上，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后也很短。

    因?yàn)槊颗_(tái)無(wú)線(xiàn)變送器都不為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長(zhǎng)，常溫下1秒刷新的時(shí)候就可以達(dá)到5年。而且正是由于沒(méi)有配置路由功能，所以電池的電壓不僅可以隨時(shí)顯示報(bào)警，而且電池什么時(shí)候電池電壓低，即電池的壽命，都是可以預(yù)測(cè)的。

    也是由于電池的壽命很長(zhǎng)，所以無(wú)線(xiàn)儀表的無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率就可以相對(duì)靈活，即2個(gè)無(wú)線(xiàn)儀表之間的通訊距離可以做到更遠(yuǎn)（如中國(guó)無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)關(guān)于2.4GHz 擴(kuò)頻通信設(shè)備的發(fā)射功率限制設(shè)定為不能超過(guò)500毫瓦，設(shè)備之間的通訊距離可以做到數(shù)十公里）。

    而且這種解決方案由于整個(gè)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常靈活，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持的無(wú)線(xiàn)儀表的數(shù)量可以達(dá)到上千臺(tái)。另外這個(gè)多功能的解決方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構(gòu)支持多種協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表和多種工廠(chǎng)的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用。

                                     圖4  節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

4 無(wú)線(xiàn)通訊的可靠性和安全性

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域，不同于傳統(tǒng)意義的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。為了確保工業(yè)等級(jí)的可靠性，象ISA100和WirelessHART都采用了mesh 多路徑和跳頻的技術(shù)，以及基于時(shí)間同步/數(shù)據(jù)碰撞檢測(cè)的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。

    例如，如果某一個(gè)設(shè)備受到干擾，當(dāng)這個(gè)干擾的頻段不是2.4GHz時(shí)，則不會(huì)影響無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠通訊。如果干擾的頻段正好是2.4GHz，那么無(wú)線(xiàn)設(shè)備會(huì)自動(dòng)選擇下一個(gè)最優(yōu)的通訊頻道進(jìn)行跳頻通訊，可以設(shè)置數(shù)據(jù)包通訊重試的次數(shù)。如果跳頻通訊也不能完成通訊，那么設(shè)備還可以自動(dòng)選擇下一個(gè)最優(yōu)通訊路徑進(jìn)行通訊。而且無(wú)線(xiàn)通訊的速度非常快，一次數(shù)據(jù)傳輸只需要15毫秒，無(wú)線(xiàn)設(shè)備可以在干擾的15毫秒的波谷時(shí)間窗口完成數(shù)據(jù)傳輸。Honeywell 端對(duì)端的通訊控制技術(shù)，支持無(wú)線(xiàn)變送器主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)和系統(tǒng)主動(dòng)向無(wú)線(xiàn)變送器索取數(shù)據(jù)，來(lái)確保通訊數(shù)據(jù)的可靠。

    在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全性方面，Honeywell的OneWireless無(wú)線(xiàn)解決方案設(shè)計(jì)更為巧妙和便捷。一個(gè)無(wú)線(xiàn)管理軟件平臺(tái)負(fù)責(zé)管理整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全授權(quán)，凡是要加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的設(shè)備必須經(jīng)過(guò)授權(quán)，這個(gè)授權(quán)密碼是從管理平臺(tái)上唯一獲取，然后授權(quán)設(shè)備會(huì)通過(guò)無(wú)線(xiàn)變送器和多功能節(jié)點(diǎn)的紅外端口進(jìn)行授權(quán)。經(jīng)過(guò)授權(quán)的設(shè)備會(huì)自動(dòng)加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，并完成其它設(shè)置如通訊的認(rèn)證和驗(yàn)證、數(shù)據(jù)包加密、數(shù)據(jù)源驗(yàn)證、CRC循環(huán)碼校驗(yàn)、回放保護(hù)、跳頻、密碼管理等等。

5 Honeywell公司無(wú)線(xiàn)方案簡(jiǎn)介

    霍尼韋爾公司的OneWireless無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是基于ISA100 技術(shù)路徑的多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解決方案。主要是由多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)通訊速度最快可以達(dá)到54Mbps的無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)變送器可以自動(dòng)選擇同任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行冗余、跳頻的無(wú)線(xiàn)通訊。同時(shí)可以配置一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和診斷平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖形可視化監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài)、統(tǒng)一的安全管理，和支持無(wú)線(xiàn)變送器的遠(yuǎn)程在線(xiàn)組態(tài)和校驗(yàn)。

    這個(gè)由多功能節(jié)點(diǎn)（Multinode）搭建起來(lái)的mesh主干網(wǎng)絡(luò)，可以無(wú)線(xiàn)接入工業(yè)用的無(wú)線(xiàn)變送器（采用2.4GHz世界公用頻段跳頻通訊），無(wú)線(xiàn)接入802.11 Wi-Fi無(wú)線(xiàn)設(shè)備，每一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)做為網(wǎng)關(guān)或配置冗余網(wǎng)關(guān)同DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫式通訊，可以避免單點(diǎn)故障。它支持802.11a/b/g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通訊；無(wú)線(xiàn)設(shè)備之間相互通訊、自我組織和管理，形成一個(gè)通用、安全、容易管理和維護(hù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

    這個(gè)多功能的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（如圖5所示）支持多種應(yīng)用，可以支持的設(shè)備如變送器、閥門(mén)、WiFi設(shè)備、移動(dòng)工作站、即時(shí)定位設(shè)備、煙氣探測(cè)等等；支持多種現(xiàn)場(chǎng)儀表的通訊協(xié)議，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。該網(wǎng)絡(luò)中任何多功能節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)同控制系統(tǒng)和高級(jí)應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。

                                     圖5  多功能工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

    Honeywell 無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的特點(diǎn)：

    最多可以由40個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)快速無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)，自組織、自愈合，無(wú)線(xiàn)變送器可以自動(dòng)選擇任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多路徑、冗余、跳頻通訊；多功能節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)同DCS進(jìn)行數(shù)據(jù)集成（標(biāo)準(zhǔn)通訊接口 Modbus TCP / OPC/ RTU / HART）。

    每臺(tái)無(wú)線(xiàn)變送器只采集自己的過(guò)程參數(shù)，可以自動(dòng)選擇任何一個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)通訊，但不為其它無(wú)線(xiàn)變送器路由；現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表的刷新速度可以設(shè)定：1秒、5秒、10秒、30秒，未來(lái)可以達(dá)到0.25秒。

    最多可以有40個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)，每個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)可以帶400臺(tái)無(wú)線(xiàn)變送器（30秒刷新時(shí)）或100臺(tái)（5秒刷新時(shí)）或20臺(tái)（1秒刷新時(shí)）。

    2個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)之間1公里（或10公里，采用高增益天線(xiàn)時(shí)）通訊距離，可以mesh延伸，變送器同多功能節(jié)點(diǎn)之間的通訊距離為610米（或3~4公里，采用高增益天線(xiàn)時(shí)）。

    無(wú)線(xiàn)變送器電池供電4.5年（1秒刷新時(shí)）或10年（5秒刷新時(shí)）；采用4種經(jīng)過(guò)安全設(shè)計(jì)的通用電池；支持在一般區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)更換、不建議在危險(xiǎn)的現(xiàn)場(chǎng)就地更換；無(wú)線(xiàn)變送器同時(shí)符合隔爆和本安。

    整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合、實(shí)施簡(jiǎn)單；國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)核準(zhǔn)，2.4GHz 公用頻段擴(kuò)頻通信設(shè)備。

    一個(gè)架構(gòu)支持多種無(wú)線(xiàn)應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的無(wú)線(xiàn)儀表。多種應(yīng)用如：安全視頻監(jiān)視、支持流動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)設(shè)備即時(shí)定位、管道腐蝕監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)如振動(dòng)等診斷等等 ；支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表，如HART、Modbus、FF、4-20mA等。

    支持向后、向前的產(chǎn)品兼容：Honeywell承諾目前的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品安裝到現(xiàn)場(chǎng)，以后全廠(chǎng)只需要＄500下載升級(jí)軟件，可以在線(xiàn)升級(jí)整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以符合最新的ISA100標(biāo)準(zhǔn)。

    Honeywell 配置一個(gè)管理平臺(tái)，可視化管理現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、支持對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)變送器的在線(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)、負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全；Honeywell的方案簡(jiǎn)單易用，不需要復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)

6 總結(jié)

    綜上所述，工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在鎮(zhèn)海煉化8公里乙烯運(yùn)輸管線(xiàn)的應(yīng)用，突破接線(xiàn)和電纜的束縛，實(shí)現(xiàn)更靈活和更方便的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸管線(xiàn)的過(guò)程參數(shù)采集，并同現(xiàn)有有線(xiàn)的DCS控制系統(tǒng)無(wú)縫式數(shù)據(jù)集成，延伸了DCS控制網(wǎng)絡(luò)的廣度和深度，提高了管線(xiàn)運(yùn)輸安全監(jiān)控水平，提高了項(xiàng)目施工效率，也同時(shí)節(jié)省了大量安裝成本、調(diào)試時(shí)間，和后期維護(hù)費(fèi)用。而且未來(lái)項(xiàng)目非常容易擴(kuò)展。多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能夠確保現(xiàn)有的投資未來(lái)也不會(huì)過(guò)時(shí)。

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在石油煉化行業(yè)的潛在應(yīng)用還有很多，主要是敷設(shè)電纜或接線(xiàn)非常困難的測(cè)點(diǎn)、分布分散的區(qū)域、隔離和屏蔽的區(qū)域、檢修困難的區(qū)域、移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、電纜容易損壞和折斷的場(chǎng)所，以及電纜橋架、卡件、機(jī)柜等備用容量用完改造的場(chǎng)合。

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)的應(yīng)用需要考慮的因素，主要是要考慮應(yīng)用場(chǎng)合、技術(shù)因素、成本因素等。技術(shù)因素主要包括無(wú)線(xiàn)儀表的安全選型考慮；無(wú)線(xiàn)通訊的可靠性、安全性；無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性（儀表刷新速度、網(wǎng)絡(luò)通訊滯后管理）；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及可擴(kuò)展性；以及同有線(xiàn)DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成等。

    目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)在過(guò)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)路徑主要是以WirelessHART為代表的儀表傳感器無(wú)線(xiàn)mesh解決方案，和以ISA100為代表的節(jié)點(diǎn)mesh無(wú)線(xiàn)方案。兩種解決方案都為了達(dá)到工業(yè)等級(jí)的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴(kuò)頻通訊技術(shù)以及基于精確時(shí)間同步的通訊和基于數(shù)據(jù)碰撞的通訊技術(shù)。也都考慮了其它技術(shù)特點(diǎn)，如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全性、無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性（儀表的刷新速度、網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)間滯后）、無(wú)線(xiàn)通訊的頻段考慮、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及可擴(kuò)展性，以及同有線(xiàn)DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。但是兩種不同的技術(shù)路徑有著不同的技術(shù)特點(diǎn)，ISA100更適合刷新速度快、測(cè)點(diǎn)更分散的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1] 江天生.一個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺(tái)支持多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表[J]. 中國(guó)儀器儀表，2009(4).

[2] Honeywell 公司無(wú)線(xiàn)技術(shù)資料.

[3] 控制工程中文網(wǎng): 無(wú)線(xiàn)儀表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).