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工业无线网络的设备类型

供稿:中国工控网 2016/6/29 16:21:05

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  • 关键词: 工业无线网络 工业无线网络标准 设备类型
  • 摘要:工业无线网络技术是当前工业自动化领域关注的热点之一,工业无线网络包括了多种设备类型。针对某个具体应用,不同的工业无线网络标准,不同公司的工业无线网络产品,组成工业无线网络设备类型也有所不同。对工业无线网络标准的各种设备类型有了初步了解后,能较为深入地理解不同标准的特点。

1 概述

工业过程自动化技术是当代发展最迅速、应用最广泛、效益最显著的关键技术之一,而工业无线网络技术是当前工业自动化领域关注的热点之一。国际上目前引起业界广泛关注的工业无线网络通信标准主要有WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA。这些标准虽然各有特点,但从设备类型上讲,还是差别小而共同点更多。

图1  工业无线网络的设备类型

一般来说,工业无线网络包括了以下设备类型(见图1):

现场设备:实现现场检测或执行功能的基本设备;

路由设备:提供路由器服务的设备;

适配器:将有线HART设备连接到无线网状网络的设备;

中继器:用于加强无线现场网络的设备;

手持设备:移动人员随身携带可连接到无线网状网络的设备;

接入点:连接现场设备到网关的设备;

网关:作为上位机与无线网络之间桥梁的设备;

网络管理器:负责整个网络的管理、调度和优化。

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。

对不同的工业无线网络标准,对不同公司的工业无线网络产品,或者说对某个具体应用,可能只有以上的工业无线网络设备类型的一部分,如只有现场设备、网关、网络管理器。

当我们对各种工业无线网络标准的设备类型作了一些初步了解和分析后,可以知道不同标准之间的差异,从而能较为深入的理解不同标准的特点。

2 无线网络的设备类型

2.1  现场设备

现场设备是变送器、执行机构等终端设备,即能够提供测量值或能够向执行器给出指令的设备。通常是生产厂家在原有有线现场设备的基础上进行一些优化改造(如低功耗改造)而成。变送器通常是用来测量温度、压力、流量、物位、成分等生产过程中涉及到的参数,执行机构包括阀门之类的终端控制设备。

WirelessHART工业无线网络的现场设备要求首先是HART现场设备,遵守HART现场设备的要求,支持所有HART通用命令、一些HART常规命令。WirelessHART工业无线网络的现场设备包括各种无线压力、温度、分析、阀门位置、振动、开关量变送器。

ISA100.11a(OneWireless)工业无线网络的无线现场设备的品种有两类,一类支持ISA100.11a通信的无线变送器,一类支持802.11WiFi通信的无线设备。支持ISA100.11a的无线变送器包括:无线压力、温度、腐蚀、开关量、模拟量、多输入组合、雷达、阀门回讯等变送器;支持802.11WiFi的无线设备包括:无线设备振动(健康状态)监测变送器、无线读表器、无线视频、移动工作站、无线巡检等。

WIA-PA工业无线网络的无线现场设备目前提供的无线设备有无线温度变送器、无线压力变送器、无线I/O设备(可接AI/AO/DI等类型信号)。

2.2  路由设备

路由是指从一个接口上收到数据包,根据数据包的目的地址进行定向发送并转发到另一个接口的过程,完成这一过程的设备称为路由设备或路由器。路由设备可以自寻找相邻的现场设备并形成工业无线现场设备网络,所以,路由设备的工作包含两个基本的动作:确定最佳路径和通过网络传输信息(即数据交换)。

WirelessHART 系统中的无线现场设备通常具有路由功能,距离无线网关较远或与无线网关之间有障碍物的无线现场设备可通过确定最佳路径由邻近的无线现场设备路由,将其信息传送到无线网关,这是路由功能最大的优点。解决方案的主要特征是现场仪表配置路由功能,即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数,而且可以同时为其它仪表的通信进行路由。

WIA-PA 系统早期有专用的路由设备,而且是可以接受多台现场设备信号的路由设备。但据了解,目前路由功能均作为无线现场设备的一部分提供。

OneWireless的早期版本不支持路由功能,而无线现场设备不带路由功能,这就要求作为无线网关的多功能节点Multinode以及随后推出的现场设备接入点FDAP与所有无线现场设备之间没有障碍物,能直接通讯。2010年6月推出的版本 R200 中,无线现场设备通过组态可以执行路由功能或不执行路由功能。当组态为执行路由功能时,他与 WirelessHART、WIA-PA系统在路由这一点上就没有区别;当组态为不执行路由功能时,现场设备接入点FDAP和多功能节点应直接与区域内所有无线现场设备通讯,其优点是减少数据无线传输的跳数,加快数据刷新速度,降低数据传输的不确定性时延及安全风险,提高可靠性,同时电池能量的消耗减少,可延长电池的使用寿命。不支持路由功能的现场设备又被称为精简功能设备,支持路由功能的现场设备又被称为全功能设备[1]。

无线现场设备可以带路由功能;路由设备也可以是专用的,他只完成路由功能;后面介绍的接入点、网关也可以作为路由器使用。表1是3种路由设备方案的比较。

表1 3种路由设备方案比较。

2.3  适配器

适配器可连接到有线HART设备上,可通过4~20 mA回路和工业无线网络提供并行通信路径。适配器主要有四个用法[2]:

• 由于主机系统的限制,可能在4~20mA回路上无法检测到HART信号,不能进行HART诊断访问。

• 向本身没有无线功能的HART设备提供无线通信。

• 设备信息可能没有直接进控制系统的入口,启用后可访问多个用户。在这种情况下的4~20 mA信号发送到控制室,而无线HART信号用于维护人员或其他人员访问的参数和诊断数据。

• 作为无线中继器。

已经在生产过程中使用的有线HART现场设备,或者某些检测参数已经有HART现场设备但还没有相对应的可用于工业无线网络的无线现场设备,那么可以采用适配器与HART现场设备相连,然后通过工业无线网络进行通信。适配器支持与其相联的现场设备之间的HART通信,从HART设备上获得回路供电及HART信息,但他不影响HART设备原先的模拟信号的传送。也就是说,适配器允许现有的4~20 mA信号与数字无线信号同时运行。通过适配器可将任何一个普通的HART(可能要求HART 5.0或以上版本)设备升级成准无线设备接入无线网络。适配器的简化版尺寸短小,可以直接通过螺纹接口拧在变送器本体上,看起来与有线HART现场设备一体化了,甚至可以将这个一体化的有线HART现场设备当作是准无线现场设备接入无线网络。

图2  安装在HART现场设备上的WirelessHART适配器(左)

OneWireless HART信号的无线转接模块(右)

适配器通常由以下几部分组成:与有线HART现场设备连接的FSK(频移键控)端口,工业无线网络协议栈和天线,对外的FSK端口。

艾默生过程管理的THUM WirelessHART适配器形象地称为“大拇指”(见图2左),MACTek公司Bullet WirelessHART适配器形象地称为“子弹头”;将有线HART现场设备转接到OneWireless工业无线网络的设备也有,他被称为 HART信号的无线转接模块(见图2右);将有线HART现场设备转接到WIA-PA工业无线网络的设备也有,他被称为WIA适配器。

一般1台适配器支持1台 HART 设备,菲尼克斯公司的RAD-WHA适配器支持最多4台 HART 设备,西门子公司SITRANS AW200 WirelessHART适配器在多线路模式下支持最多4台 HART 设备,SITRANS AW210 WirelessHART适配器在多线路模式下支持最多8台 HART 设备。

对工业无线网络来说,适配器往往是一个最基础的产品,以WirelessHART产品为例,除了爱默生过程管理有较完整的各种现场设备类型之外,目前另外一些生产厂商推出的产品只有适配器、网关或者再加上压力、温度无线现场设备。比如E+H公司、菲尼克斯公司的WirelessHART产品仅有适配器、网关,P+F公司的WirelessHART产品仅有适配器、网关、温度无线现场设备,西门子公司的WirelessHART产品仅有适配器、网关、温度无线现场设备、压力无线现场设备。


2.4  中继器

中继器是通过增加额外的通信路径来加强无线现场网络的,或者是扩大网络覆盖区域的一种无线现场设备。

对中继器没有特殊的要求,中继器设备的管理应像任何其他无线现场网络设备一样,且受所有无线现场网络设备技术特性的制约。

在现有工业无线网络的产品系列中,还没有找到中继器这一名称的产品,替代的方案是采用有路由器功能的现场设备或适配器。采用有路由器功能的现场设备时,通常选用价格较低的类别,如爱默生过程管理的648无线温度变送器、702型无线开关量变送器[3]。


2.5   手持设备

手持设备是被工厂人员操作的便携式设备,例如加固的或防爆的个人数字助埋(PDA),移动PC等等。手持设备被无线操作者用来与无线网络连接,这些设备可以移动,当它移动到某个位置的时候,就会建立与本地网络的连接,并与一个或更多的网络设备通信;当通信结束时,它将断开与网络的连接。1手持设备被用于网络设备的安装、维护、操作。它是一种口袋大小的计算设备,通常有一个小的显示屏幕、小型的键盘输入或触控输入,它通过网关来实现与工业无线网络设备的通信。对于工业无线网络而言,这类手持设备就像另一个上位机,操作人员在离开控制室之后仍能从工厂内的任何地方获得过程参数、维护数据、画面、报警、组态信息,并监测报警和事件。也可按照实时运行工况来执行操作,使用过程数据或设备数据进行故障排查、了解文档工作状态、或者使用集成的条形码技术采集信息。

手持设备可以移动。当它移动到一个位置的时候,就会建立与一个本地网络的连接,并与网络设备通信;当通信结束时,它会从网络中断开连接。

OneWireless工业无线网络手持设备有IntelaTrac PKS无线巡检仪和移动工作站(见图3),无线巡检仪支持采集现场数据、安排巡检人员严格按照规定的线路及内容巡检,当发现现场异常工况时,可为关键设备提供最新的状态数据。移动工作站支持运行人员现场通过可以在现场(甚至在危险区域)使用,以无线的方式实时获取控制系统的实时视图。移动工作站则有以下3种版本:无线接入eServer标准版——支持设备通过网络单独访问过程信息,查看工厂数据;无线接入eServer增强版——支持动态读取过程信息,只支持读取功能;无线接入工作站——基于手持设备的功能完善的Experion®工作站。对于由专门操作人员和手持设备许可系统严格控制的各种操作变化,Experion®系统同样可以支持。

图3 OneWireless手持设备IntelaTrac PKS无线巡检仪(左)

和移动工作站(右)

艾默生过程管理者采用加固的或防爆的PC或PDA等手持设备供移动作业人员使用,以访问过程数据、排除故障或执行操作。

2.6  接入点

负责从无线现场设备网络接收数据包的设备,起无线现场设备与网关之间的桥梁作用。如果系统规模很小,网关可以直接连接为数不多的无线现场设备;当系统规模增大时,往往需要有多个接入点,接入点将众多的无线现场设备数据采集后送到网关,这种情况下可以提高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网关和工业无线网络现场设备之间的一种网络设备。

接入点的一边与工业无线网络现场设备相连,另外一边是一个外部连接。这个外部连接可以是一个以太网、Wi- Fi网络或一个专有网络。但接入点不能直接与过程控制设备相连,而是通过一个工业无线网关和上位机或控制系统连接。

现场设备数量不多的ISA100.11a现场设备中小型网络,且通常用于非关键、不需要快速更新率的监控系统,这类小型网络可以采用FDAP覆盖ISA100.11a网络,不提供Wi-Fi设备(如手持设备)或以太网设备(如数字安全摄像机)的无线覆盖。然后FDAP通过以太网交换机可以连接到无线管理平台WDM,这样的系统可以不用到网关。

OneWireless工业无线网络可以有多种接入点选择。如选择现场设备接入点FDAP,只能接受从ISA100.11a无线现场设备来的数据;如选择多功能节点Multinode作为接入点,除ISA100.11a无线现场设备来的数据外,还可作为IEEE 802.11a/b/g Wi-Fi客户端基础设施的接入点,支持无线视频、移动工作站、振动监测等多种无线通讯;如选择思科Cisco 1552S AP作为接入点,又增加了IEEE 802.11a/n (Mesh网络),且带宽加大、通信速度加快、通讯距离加长[4]。

2.7  网关

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、串行口或其他现有装置通信网络,能在无线现场设备和主机之间通信;管理无线现场;管理网络安全。从概念上讲,网关是配线柜和接线箱的无线版本。

每个网络可以安装一个或多个网关,多个网关间可以相互冗余。

WirelessHART 工业无线网络1420智能无线网关(西门子公司有IE/WSN-PA LINK网关,E+H 公司有Fieldgate SWG70网关)是现场无线网络和主机控制系统多种通讯协议的接口,1420智能无线网关接口类型有Modbus,、TCP/IP、OPC、以太网等。与DeltaV或Ovation的集成可以选择Modbus或OPC的方式,如果DeltaV是10.3以后的版本,智能无线网关可以像控制器一样直接挂在DeltaV 的控制网络上。

OneWireless工业无线网络多功能节点Multinode可以作为网关同DCS、PLC进行数据集成,两个10/100Mbps以太网通讯口可以同时接在一个交换机上,用于控制系统的通讯:Modbus、TCP/IP、OPC用于多功能节点与控制系统的有线互联。在最新采用Cisco Aironet 1552S AP构建的OneWireless工业无线架构中,现场设备接入点FDAP、多功能节点Multinode、思科Cisco 1552s AP均称之为接入点,而无线管理平台WDM才称之为网关[3],他是单一的ISA100.11a无线现场设备网络中心管理组件,负责组态、调度和无线现场设备网络的安全。采用工业标准协议,如HART、Modbus TCP、MODBUS RTU、OPC,支持ISA 100.11a的数据与现有的控制系统集成,WDM主机的接口将现场设备数据连接到控制应用中。 

WIA网关负责整个WIA网络的管理、调度和优化,设定和维护网络通信参数,统一为网络设备分配通信资源和路由,配置WIA网络的运行,调度WIA网络设备间的通信,监控并报告WIA网络的运行状态。WIA网关支持一个或多个网络接入点和服务接入点,网络接入点提供连接其他网络的接口,如串口和以太网,服务接入点为上位机提供访问和管理WIA网络的接口,如OPC、XML、HART。

2.8  网络管理器

网络管理器负责工业无线网络的形成、配置新网络设备、让新网络设备加入网络以及监测网络。网络管理器还可以收集无线网络性能和诊断信息,当网络运行时,获取的这些信息用于观察和分析无线网络行为。如果发现了问题,可执行对无线网络重新配置。

2.9  安全管理器

安全管理器生成并管理网络所用到的密码信息,也负责生成、存储和管理各种密钥。安全管理器和网络管理器应在彼此间建立连接,并维护这个连接以支持设备入网请求和建立会话。安全管理器与网络管理器协同工作以保证网络免受外来威胁。

3 结束语

工业无线网络包括了多种设备类型,但每一种设备类型往往还承担其他设备类型的功能,如现场设备可承担路由设备功能,如适配器可承担路由设备功能、中继器功能。制造商通常选择将网络管理器、安全管理器功能集成到网关中,如艾默生过程管理的WirelessHART 1420智能无线网关就包含了网络管理器、安全管理器的功能。OneWireless工业无线网络的无线管理平台(WDM) 也承担了网关、系统管理器以及安全管理器的角色。所以深入了解工业无线网络的设备类型,可以让我们在设计及生产现场调试时能灵活应用这些设备,真正用好工业无线网络。


参考资料:

[1] 王平等. 测量与控制用无线通信技术[M].北京:电子工业出版社,2008. 3.P241~244.

[2]WirelessHART. IEC62591 WirelessHART System Engineering Guide. Revision 3.0. 2012.05.

[3]Emerson Process Management. 建立自组织网络的最佳方法、网络规划、安装和调试指南. 2008年3月.

[4]Honeywell. OneWireless Network Configuration Guide for Cisco Aironet 1552S AP.OW-

CC0070.2012.09.


方原柏,1942年生,男,湖北黄冈人,昆明有色冶金设计研究院电气自动化技术部教授级高工,自动化仪表、衡器、冶金自动化、仪表世界、仪器仪表与自动化等杂志编委,昆明仪器仪表学会理事长,中国衡器协会技术专家委员会顾问,主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究,曾出版“电子皮带秤的原理及应用”(1994年,冶金工业出版社)、“电子皮带秤”(2007年,冶金工业出版社)“流程行业无线通信技术及应用”(2015年化学工业出版社)、“有色金属生产过程自动化”(2015年,人民邮电出版社)四本专著,发表论文290篇。 


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