2020年6月27日 机器视觉与计算机视觉技术

智慧工厂 | 过程自动化无线通信网络及应用

1 概述

在先期应用的基础上,2010年、2011年、2014年国际电工委员会(IEC)先后批准IEC62591 WirelessHART、IEC62601 WIA-PA和IEC62734 ISA100.11a 三个工业过程测量和控制领域的无线国际标准。

WirelessHART通信协议是由HART通信基金会发布,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;WIA-PA通信协议是由中国国家标准化管理委员会提出,得到中国工业无线联盟的支持;ISA100.11a通信协议是由国际自动化学会(ISA)的ISA100工业无线委员会提出,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。

上述属于过程自动化领域的无线通信网络目前已得到较为广泛的应用,仅WirelessHART在2012年就有1万套智能无线网络运行在全球运行,而生产WIA-PA的主力厂商沈阳中科奥维科技公司的用户应用规模非常大,如在沈阳供电局用电信息采集系统用户规模就达二万户,在辽河油田的油井远程计量与优化控制系统中采集规模达1500点。

无线通信网络像现场总线一样,可以看成是采集现场设备数据的远程I/O设备。可能一部分用户对无线通信网络还较为陌生,本文将先介绍涉及无线通信网络的一些基础知识,然后就无线通信网络的应用谈几点作者的想法。

2 最简单的无线通信网络

我们先从最简单的无线通信网络入手,以后再复杂的无线通信网络无非是在最简单的无线通信网络上增加设备、扩展功能,差别就不是很大。图1所示为最简单的无线通信网络,由一台网关和数台无线现场设备两种设备类型组成。

无线现场设备采集工艺生产过程现场数据或接收控制系统指令指挥现场执行机构动作,网关(Gateway)是一种网络设备,一方面它以无线通信方式接收无线现场设备采集的数据,或向无线现场设备的执行机构发出控制系统指令,另一方面网关带多种有线通信接口,如串行口或以太网口,通过这些接口与控制系统通信。

图1 最简单的无线通信网络

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台或200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,如果无线现场设备的刷新率太快,例如4s、2s、1s甚至0.5s,那么一台网关可以连接无线现场设备的台数将只有三五十台到十台左右。

3 较大规模的无线通信网络

再大的现场无线网络要么是由多个最简单的无线通信网络叠加,要么是在最简单的无线通信网络中扩充一些设备,如中继器、接入点等等。

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简单的无线通信网络平行接入控制系统,另一种方式是采用先通过多个接入点将大规模无线通信网络划分为几个小型无线通信网络,然后由多个接入点构成回传(Backhaul)网络。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(见图2)。

图2 通过多个接入点连接的较大规模无线通信网络

4 无线通信网络的安全性

无线信号在空间传播,其传播信号可能会扩张到装置范围以外。必须禁止外人甚至是敌手加入网络、窃听、修改、延迟或发送数据,破坏网络安全,否则生产数据与库存数据将会泄露,危及信息安全。因此任何应用中的无线通信都要求采取加密,验证和其它安全措施。

相对于一般的无线通信网络来说,过程自动化无线通信网络采用了更多的安全措施来保障无线通信网络和数据的安全。这些安全措施有:跳频扩频、定义设备黑名单、加密算法、设备认证、信息认证、通信信息新鲜度等。

以安全措施中的设备认证为例,防止未经设备认证的设备加入网络是无线通信网络安全的关键,每个无线通信网络的设备都拥有各自的入网密钥,用于设备入网过程中的加密和认证,以确保加入过程中发送和接收数据的机密性。

入网密钥还用于向安全管理器证明设备属于该网络,入网密钥为每台设备所独有或在给定的无线通信网络中共用,但每个无线通信网络产生的入网密钥是不同的,入网密钥应被视为保密的,并满足有关方安全政策的要求。

设备的入网密钥不能以物理或数字方式读取,既不能被非预期的用户读取,也不能被用户读取,入网密钥被存储在网关的文件中。

5 无线通信网络的应用

无线通信网络具有易于安装、应用规模可大可小、与各类现有控制系统连接方便等特点,所以相对容易实施,也就是说,只要您对无线通信网络感兴趣,有想法,从尝试开始到正式投运的过程是比较快,也比较简单的。以下无线应用的一些思路或许会对您有参考价值:

5.1 可以试用

有两种方式可以在做决策之前试用无线通信网络,一种是几乎所有无线通信网络设备生产厂商都提供无线通信网络现场启动包(或启动套件),启动包提供最基本的工业无线通信网络设备,如一个网关、5台或5台以上无线现场设备(见图3)。进口设备启动包的价格不超过十万元,国产约在二三万元。

图3 Awia Tech公司WirelessHART的启动套件

一个启动包相当于我们前面所说最简单的无线通信网络,发货时启动包已预先组态,开箱后几个小时内即可搭建一个安全的、坚固的自组织网络。启动包提供了一些功能选择,使用户能够快速而方便地提高运行性能,同时体验无线技术,获取无线技术的操作经验,并为未来实现更大范围的无限应用奠定基础。由于启动包的点数不多,价格较低,可降低用户投资风险。

第二种试用方法是当您规划应用无线通信网络的规模较大、与无线通信网络设备生产厂商关系较好时,或许有的厂商就会愿意自带设备到您的生产现场做试验。

5.2 可以逐步扩大应用范围

无线通信网络安装简单,管线敷设量很少甚至没有,所以系统扩展特别方便。只要前期网关容量有富余,再增加数十台无线现场设备一般问题都不大。即使要增加网关,相对控制系统增加I/O卡也还是要简便得多。

图4示例了无线通信网络逐渐扩大应用范围的过程,它分成4个阶段:第一阶段,您可以从某个远程无线现场应用开始,选用点数较少的无线现场变送器,然后通过接入点使用Wi-Fi网络将数据传送到位于控制室附近的网关;第二阶段,扩展网络,添加小规模的无线移动作业人员的应用;第三阶段,扩展无线通信网络的范围,并利用RFID标牌进行位置跟踪和添加无线视频传输;第四阶段,添加更多设备,并继续扩展无线通信网络的范围。

图4 无线通信网络应用规模逐渐扩大示意图

5.3 更适合项目后期改造时应用

项目后期改造时,会碰到原有控制系统I/O卡、接线箱、电缆桥架富余量不够或现场施工难度大等问题,而采用无线通信网络的改造方案,不必增加I/O卡、接线箱、电缆桥架的数量,现场施工方便快捷,也不致因改造而长期停产,而这些优点往往是项目后期改造时最优先考虑的问题。

项目原有设备可以利用,因为一个无线通信网络仅相当于控制系统的一个远程I/O,所以原有的控制系统肯定保留,而原有的现场设备,如变送器、热电偶、热电阻等,可保留其原有有线传输方式,也可用增加无线适配器或无线温度变送器等设备后,改用无线传输。

5.4 装置的配线可以无线和有线结合

装置的配线原来都是有线传输,增加了无线通信网络后,可以根据现场需求,灵活选择有线或无线的配线方式。

霍尼韦尔公司的无线现场数据回传解决方案中采用多功能节点或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备,它们相互之间的通信通常采用Wi-Fi无线方式。由于多功能节点或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备都提供了有线以太网的通信接口,因此单一设备之间或两种设备之间也可以通过以太网方式有线连接。据霍尼韦尔公司介绍:通过有线以太网方式有线连接,能够更好地改善数据集成的速度和通信带宽。

无线视频传输的优势在于无需布线,还有一个优势是终端摄像头移动方便,新建项目施工投运过程中这种优势非常明显。但无线网络系统供应商的意见是不鼓励所有的视频信号都占用厂区的无线骨干网络,而且即使视频信号采用无线传输,视频数据的传输速度也受限制,这就限制了视频信号的清晰度或无线视频的节点数,限制的目的是为了确保无线骨干网络的稳定性与可靠性,所以在终端摄像头布置较多时,可以考虑部分无线、部分有线的传输方式。

5.5 小型独立的无线通信网络

一些特定的场合,如检测参数总点数仅数十点,考虑设置控制系统经济上不合算,或为临时设置,或需经常移动,这时就可以考虑按小型独立的无线通信网络选用一些有显示功能的网关设备。

横河电机2013年推出集成ISA100.11a无线网关功能的GX20W无线无纸记录仪,它是由ISA100.11a YFGW710无线网关+ GX20无纸记录仪组合而成。GX20是一台具有强大数据采集、显示、通信功能的记录仪,甚至可以看成是一个小型的计算机数据采集系统。图5是由GX20W无线无纸记录仪组成的ISA100.11a无线通信网络示意图,只不过无线无纸记录仪不仅可以无线采集ISA100.11a无线通信网络现场设备的信息,它本身还能以有线方式采集现场设备的信息,构成了一个小型的无线通信和有线通信混合的数据采集系统。

图5 GX20W无线无纸记录仪组成的小型独立的无线通信网络

5.6 特定场合应用

在一些特定场合,无线通讯网络具有独特的优势,此时应用无线通信网络就是理所当然的。如旋转设备回转窑体上的测温,有线传输要用测温滑环,误差大,维护困难;再如传输线路如需通过公路、铁路、江河,有线敷设不现实;测点重要但点数少,如需远程敷设线路费用过高。

5.7 国产无线通信网络

中国不仅主持制定了WIA-PA国际标准和生产符合该标准的产品,而且还有WirelessHART产品生产。仅就无线通信网络本身来说,不同标准、不同厂商产品的差距是很小的,但就产品价格来说,国内外产品的差距非常大,甚至达到几倍的价差,所以用户从性价比考虑,选用国产无线通信网络产品应该是上策。

6 结束语

过程自动化领域的无线通信网络具有网络结构简单、安装简便、投资节省、扩展性好、安全可靠等优点,目前已在国内外得到较为广泛的应用。随着企业自动化水平的提高和对安全、环保的要求更为严格,中国无线通信网络的应用也将提升到新的高度。

特别声明:此文章来源:《智慧工厂》第四期,昆明有色冶金设计研究院 方原柏

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