基于无线技术的控制系统间无线桥式连接解决方案

1 概述

在流程行业无线网络越来越多地应用于各行各业时，用户更多见到的是由无线变送器检测的过程参数采用无线网络传送，而对于无线技术可以用于控制系统之间无线桥式连接解决方案（Wireless Bridge Solution）则了解不多。

在生产现场，常常有很多分厂、车间、工序、设备分散布置，相互间被公路、铁路、河流、山丘、建筑物分隔，相距或近或远；相距较近或设计时有所考虑，或许会通过电缆、光纤等方式连接，相距较远或设计时未能考虑时，通过电缆、光纤等方式连接可能难以实施，这时再想将这些“信息孤岛”连成一体就很难了。

控制系统之间无线桥式连接将为同一控制系统或不同控制系统之间的连接架起一座无形的桥梁，使同一控制系统得以扩展，成为较大规模的控制网络，也可以使不同控制系统之间共享数据，实现更大范围不同控制系统的集成。

控制系统之间无线桥式连接可以低成本提供安全可靠的通信，消除“信息孤岛”，为更大范围的企业管理提供“大数据”的全面支持服务。

本文将介绍控制系统之间无线桥式连接的方式、组成、实施和一些应用例。

2 无线桥式连接的方式和架构

2.1 无线桥式连接的方式

图1所示为爱默生过程管理的WirelessHART无线网络的无线桥式连接的方式，远程站点和控制室分别所在的两个厂区相距很远，且中间由水域分隔，实施有线连接难度很大，而采用无线桥式连接的方式，可以大大节省光纤、电缆的用量和施工费用。采用的设备是无线接入点或网关，当信息传送的可靠性要求高时，可选发送和接收设备冗余配置，构成冗余无线通信网络。实际安装时。2台发送器和2台接收器的位置可分别错开一段距离，以保证在发送和接收设备的路径不会同时被移动的障碍物所遮挡。

图1  采用WirelessHART无线桥式连接系统解决方案

图2所示为霍尼韦尔公司的OneWireless的无线桥式连接的两种方式：一种是先通过XYR400E无线转接模块有线连接如下协议的第三方设备：RS232、RS485、Ethernet，然后通过无线通信将信息传送到多功能节点，再通过无线骨干网络经过网关传送到主控制系统，如图2中右下方所示；第二种是先通过多功能节点直接有线连接如下协议的第三方设备：Modbus、TCP-IP、OPC，再通过无线骨干网络经过网关传送到主控制系统，如图2中下方所示。这两种连接方式所指的第三方设备，一般包括PLC、DCS、分析仪、照相机、报警盘、流量计算机等。

图2  采用OneWireless无线桥式连接系统解决方案架构

类似OneWireless的XYR400E无线转接模块还有横河电机的多协议无线适配器，它可以将支持RS485 Modbus协议的控制系统，以有线方式接入后通过无线转接的方式传送到无线接入点，再接入主控制系统。在国产WIA-PA无线网络中，沈阳中科博微自动化技术有限公司生产的RS485/232无线透传模块，可有线接入RS485/RS232总线的控制系统或设备，以有线方式接入后通过无线透传模块传送到网关，再接入主控制系统，通信方式可点对点、点对多点等多种模式。

2.2 无线桥式连接的架构

以爱默生过程管理的WirelessHART无线网络为例，与Delta V无线桥式连接系统解决方案的架构见图3。图中右侧为主控制室的Delta V主控制系统，左侧上部为扩展的Delta V控制系统，左侧下部为远程控制器。

图3  Delta V无线桥式连接系统解决方案架构

如果需要将扩展的Delta V控制系统与远程控制器无线连接到主控制系统，需要选用以下设备：

1）无线网桥

无线网桥可以选用无线接入点，有室内型和室外型，以及防爆I类、2级或ATEX区域2认证的设备，可根据当地法规和您的要求利用无线频段IEEE 802.11n 2.4GHz或5GHz。

2）智能交换机

在DeltaV的桥接解决方案中，采用的是DeltaV的智能交换机，交换机用于将无线网络与有线网络连接。无线局域网控制器和无线控制系统也通过交换机连接。

3）无线局域网控制器

无线局域网控制器负责全网的无线功能，如安全策略、入侵防御、RF管理、服务质量和移动性。

4）网络控制系统

网络控制系统允许网络管理员设计、控制，通过无线局域网控制器监控无线网络，并提供包括诊断和故障排除的网络管理工具软件，以保持网络平稳运行。

如果系统已经投入了或规划了无线通信系统，那么无线桥式连接的方式可能就没有必要再新增智能交换机、无线局域网控制器、网络控制系统等设备了，这在下面的一些应用例中可以看到。

3 无线桥式连接的实施工作

实施工作将包括准备工作和提交网络设计资料。

准备工作大体包括以下内容：现场调查控制系统的要求；核算控制网络的数据吞吐量；收集生产现场地理条件、信息发送和接收位置之间距离的信息；调查现场射频（RF）状况。

提交的网络设计资料可包括以下内容：提供无线桥式连接架构的设计，包括详细的网络基础设施、网络监控工具；确定接入点位置；确定无线通信链路是单一的还是冗余的；评估集成的安全性。

4 无线桥式连接的应用例

4.1中石油西固油库

2009年，中石油西固油库改造项目提出以下任务：在油库罐区增加输油管路无线压力测点数据采集；支持操作工使用移动工作站能实时获取控制系统的数据和实时录入装车数据和信息；实时获取远离控制室的油库计量PLC中的数据，实现数据共享。而最远端的油库到控制室距离达8km。由于输油管线的压力测点与控制室之间被铁路分隔、现有桥架和电缆沟已经接近满载等原因，项目改造实施方案采用霍尼韦尔公司的PKS控制系统和无线信号传输方案。

所提供的无线设备包括：5台Multinode多功能节点、20台无线压力变送器、6台无线阀门回讯变送器、4台移动工作站/RESS Server、无线管理平台。通过5个多功能节点构建的Mesh无线主干网络同时支持3类无线应用：

提供ISA100.11a无线现场设备网络，支持同20台无线压力变送器、6台无线阀门回讯变送器的通信和过程数据监测；

提供IEEE802.11a/b/gWi-Fi无线设备网络，支持4个移动工作站，实现现场移动作业，实时浏览PKS控制系统画面、组态、报表、报警等，以及输入铁路装卸站台的过程数据；

提供Mesh无线主干网络，支持多功能节点之间的无线通信；

采用Modbus TCP方式将油库计量PLC控制系统有线接入无线网络的多功能节点，再以无线传送方式接入西固油库控制室的PKS控制系统。

西固油库无线通信设备及布置见图4。

图4  西固油库无线通信示意图

无线变送器可以自动选择同多功能节点M1、M2、M3、M4进行无线通信，多功能节点之间的无线通信构建Mesh无线主干网络，位于控制室楼顶的多功能节点M1作为网关，采用Modbus TCP协议有线接入PKS控制系统，进行数据集成。油库计量PLC系统现场附近高处安装一个多功能节点M5，以Modbus TCP协议有线接入油库计量PLC系统，多功能节点M5再通过无线骨干网络通信，将油库计量PLC系统的数据传至无线网关M1，实现同西固油库控制系统的数据集成，从而使油库计量PLC系统的数据以无线方式集成到PKS控制系统中。

多功能节点M2、M3置于横跨铁路的高架栈桥上，多功能节点M4置于综合泵房附近的屋顶上。多功能节点M2、M3、M5都采用定向大角度板状高增益天线，实现长距离无线传输。

2010年6月投运一年多以后的回访表明，20t油罐车装运所需时间由40min缩短为25min，油罐车装运工由7人/班减少为2人/班；火车装运原由人工抄写车号再计算机录入的工作由无线手操器完成；视频监控系统、门禁系统的投入提高了罐区安全管理水平。

4.2 北美L.P.公司天然气厂

位于北美的天然气、原油、成品油和石化产品生产商L.P.公司，其天然气工厂和远程设备之间相距超过12km，装置采用霍尼韦尔的Experion PKS过程知识系统，两地之间原采用光纤连接。但在运行过程中出现过几次光纤故障，切断了天然气工厂和远程设备之间的通信，为此L.P.公司考虑需要为光纤连接寻找备份的方案。霍尼韦尔公司提出采用OneWireless网络为光纤连接提供无线备份解决方案，而且还承诺当光纤连接故障时交换机能自动转移到无线通信连接。

霍尼韦尔公司经过评估和现场测试，提供了采用OneWireless网络的实施方案：

采用Multinode多功能节点的点对点长距离通信；

确定了无线网络的吞吐量为11Mbps；

对比2.4GHz和5.8GHz频段后，决定采用干扰少的5.8GHz无线频段；

交换机配置了生成树算法（spanning tree algorithm），确保当光纤连接故障时交换机能自动切换到无线通信连接。

安装完毕后，霍尼韦尔做了一系列的调整和测试工作：

调整天线对齐，使信号强度达到100%，无线通信是可靠的；

对光纤连接故障进行了测试，交换机能自动切换到无线通信连接，故障切换测试非常成功；

天然气工厂和远程设备两个系统仍然独立运行；

光纤连接和备份的无线连接的状态可以在控制系统的操作画面上清晰可见。

5 结束语

由于历史和区位分散的原因，在很多企业内部的分厂、车间、工序、设备控制系统是独立运行的，形成所谓的“信息孤岛”局面。采用光纤、电缆连接控制系统是其中的一个解决办法，但对于相距较远、线缆敷设困难的场合，控制系统之间的无线桥式连接无疑提供了另一种投资节省、施工快捷、性能稳定的解决办法。

作者简介

昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，衡器、自动化仪表、冶金自动化、仪器仪表用户、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300篇。