1 概述
在流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)越來越多地應(yīng)用于各行各業(yè)時,用戶更多見到的是由無線變送器檢測的過程參數(shù)采用無線網(wǎng)絡(luò)傳送,而對于無線技術(shù)可以用于控制系統(tǒng)之間無線橋式連接解決方案(Wireless Bridge Solution)則了解不多。
在生產(chǎn)現(xiàn)場,常常有很多分廠、車間、工序、設(shè)備分散布置,相互間被公路、鐵路、河流、山丘、建筑物分隔,相距或近或遠;相距較近或設(shè)計時有所考慮,或許會通過電纜、光纖等方式連接,相距較遠或設(shè)計時未能考慮時,通過電纜、光纖等方式連接可能難以實施,這時再想將這些“信息孤島”連成一體就很難了。
控制系統(tǒng)之間無線橋式連接將為同一控制系統(tǒng)或不同控制系統(tǒng)之間的連接架起一座無形的橋梁,使同一控制系統(tǒng)得以擴展,成為較大規(guī)模的控制網(wǎng)絡(luò),也可以使不同控制系統(tǒng)之間共享數(shù)據(jù),實現(xiàn)更大范圍不同控制系統(tǒng)的集成。
控制系統(tǒng)之間無線橋式連接可以低成本提供安全可靠的通信,消除“信息孤島”,為更大范圍的企業(yè)管理提供“大數(shù)據(jù)”的全面支持服務(wù)。
本文將介紹控制系統(tǒng)之間無線橋式連接的方式、組成、實施和一些應(yīng)用例。
2 無線橋式連接的方式和架構(gòu)
2.1 無線橋式連接的方式
圖1所示為愛默生過程管理的WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)的無線橋式連接的方式,遠程站點和控制室分別所在的兩個廠區(qū)相距很遠,且中間由水域分隔,實施有線連接難度很大,而采用無線橋式連接的方式,可以大大節(jié)省光纖、電纜的用量和施工費用。采用的設(shè)備是無線接入點或網(wǎng)關(guān),當(dāng)信息傳送的可靠性要求高時,可選發(fā)送和接收設(shè)備冗余配置,構(gòu)成冗余無線通信網(wǎng)絡(luò)。實際安裝時。2臺發(fā)送器和2臺接收器的位置可分別錯開一段距離,以保證在發(fā)送和接收設(shè)備的路徑不會同時被移動的障礙物所遮擋。
圖1 采用WirelessHART無線橋式連接系統(tǒng)解決方案
圖2所示為霍尼韋爾公司的OneWireless的無線橋式連接的兩種方式:一種是先通過XYR400E無線轉(zhuǎn)接模塊有線連接如下協(xié)議的第三方設(shè)備:RS232、RS485、Ethernet,然后通過無線通信將信息傳送到多功能節(jié)點,再通過無線骨干網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳送到主控制系統(tǒng),如圖2中右下方所示;第二種是先通過多功能節(jié)點直接有線連接如下協(xié)議的第三方設(shè)備:Modbus、TCP-IP、OPC,再通過無線骨干網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳送到主控制系統(tǒng),如圖2中下方所示。這兩種連接方式所指的第三方設(shè)備,一般包括PLC、DCS、分析儀、照相機、報警盤、流量計算機等。
圖2 采用OneWireless無線橋式連接系統(tǒng)解決方案架構(gòu)
類似OneWireless的XYR400E無線轉(zhuǎn)接模塊還有橫河電機的多協(xié)議無線適配器,它可以將支持RS485 Modbus協(xié)議的控制系統(tǒng),以有線方式接入后通過無線轉(zhuǎn)接的方式傳送到無線接入點,再接入主控制系統(tǒng)。在國產(chǎn)WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)中,沈陽中科博微自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的RS485/232無線透傳模塊,可有線接入RS485/RS232總線的控制系統(tǒng)或設(shè)備,以有線方式接入后通過無線透傳模塊傳送到網(wǎng)關(guān),再接入主控制系統(tǒng),通信方式可點對點、點對多點等多種模式。
2.2 無線橋式連接的架構(gòu)
以愛默生過程管理的WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)為例,與Delta V無線橋式連接系統(tǒng)解決方案的架構(gòu)見圖3。圖中右側(cè)為主控制室的Delta V主控制系統(tǒng),左側(cè)上部為擴展的Delta V控制系統(tǒng),左側(cè)下部為遠程控制器。
圖3 Delta V無線橋式連接系統(tǒng)解決方案架構(gòu)
如果需要將擴展的Delta V控制系統(tǒng)與遠程控制器無線連接到主控制系統(tǒng),需要選用以下設(shè)備:
1)無線網(wǎng)橋
無線網(wǎng)橋可以選用無線接入點,有室內(nèi)型和室外型,以及防爆I類、2級或ATEX區(qū)域2認證的設(shè)備,可根據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和您的要求利用無線頻段IEEE 802.11n 2.4GHz或5GHz。
在DeltaV的橋接解決方案中,采用的是DeltaV的智能交換機,交換機用于將無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)連接。無線局域網(wǎng)控制器和無線控制系統(tǒng)也通過交換機連接。
3)無線局域網(wǎng)控制器
無線局域網(wǎng)控制器負責(zé)全網(wǎng)的無線功能,如安全策略、入侵防御、RF管理、服務(wù)質(zhì)量和移動性。
4)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)允許網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)計、控制,通過無線局域網(wǎng)控制器監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò),并提供包括診斷和故障排除的網(wǎng)絡(luò)管理工具軟件,以保持網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運行。
如果系統(tǒng)已經(jīng)投入了或規(guī)劃了無線通信系統(tǒng),那么無線橋式連接的方式可能就沒有必要再新增智能交換機、無線局域網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等設(shè)備了,這在下面的一些應(yīng)用例中可以看到。
3 無線橋式連接的實施工作
實施工作將包括準(zhǔn)備工作和提交網(wǎng)絡(luò)設(shè)計資料。
準(zhǔn)備工作大體包括以下內(nèi)容:現(xiàn)場調(diào)查控制系統(tǒng)的要求;核算控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐量;收集生產(chǎn)現(xiàn)場地理條件、信息發(fā)送和接收位置之間距離的信息;調(diào)查現(xiàn)場射頻(RF)狀況。
提交的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計資料可包括以下內(nèi)容:提供無線橋式連接架構(gòu)的設(shè)計,包括詳細的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工具;確定接入點位置;確定無線通信鏈路是單一的還是冗余的;評估集成的安全性。
4 無線橋式連接的應(yīng)用例
4.1中石油西固油庫
2009年,中石油西固油庫改造項目提出以下任務(wù):在油庫罐區(qū)增加輸油管路無線壓力測點數(shù)據(jù)采集;支持操作工使用移動工作站能實時獲取控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和實時錄入裝車數(shù)據(jù)和信息;實時獲取遠離控制室的油庫計量PLC中的數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。而最遠端的油庫到控制室距離達8km。由于輸油管線的壓力測點與控制室之間被鐵路分隔、現(xiàn)有橋架和電纜溝已經(jīng)接近滿載等原因,項目改造實施方案采用霍尼韋爾公司的PKS控制系統(tǒng)和無線信號傳輸方案。
所提供的無線設(shè)備包括:5臺Multinode多功能節(jié)點、20臺無線壓力變送器、6臺無線閥門回訊變送器、4臺移動工作站/RESS Server、無線管理平臺。通過5個多功能節(jié)點構(gòu)建的Mesh無線主干網(wǎng)絡(luò)同時支持3類無線應(yīng)用:
提供ISA100.11a無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò),支持同20臺無線壓力變送器、6臺無線閥門回訊變送器的通信和過程數(shù)據(jù)監(jiān)測;
提供IEEE802.11a/b/gWi-Fi無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò),支持4個移動工作站,實現(xiàn)現(xiàn)場移動作業(yè),實時瀏覽PKS控制系統(tǒng)畫面、組態(tài)、報表、報警等,以及輸入鐵路裝卸站臺的過程數(shù)據(jù);
提供Mesh無線主干網(wǎng)絡(luò),支持多功能節(jié)點之間的無線通信;
采用Modbus TCP方式將油庫計量PLC控制系統(tǒng)有線接入無線網(wǎng)絡(luò)的多功能節(jié)點,再以無線傳送方式接入西固油庫控制室的PKS控制系統(tǒng)。
西固油庫無線通信設(shè)備及布置見圖4。
圖4 西固油庫無線通信示意圖
無線變送器可以自動選擇同多功能節(jié)點M1、M2、M3、M4進行無線通信,多功能節(jié)點之間的無線通信構(gòu)建Mesh無線主干網(wǎng)絡(luò),位于控制室樓頂?shù)亩喙δ芄?jié)點M1作為網(wǎng)關(guān),采用Modbus TCP協(xié)議有線接入PKS控制系統(tǒng),進行數(shù)據(jù)集成。油庫計量PLC系統(tǒng)現(xiàn)場附近高處安裝一個多功能節(jié)點M5,以Modbus TCP協(xié)議有線接入油庫計量PLC系統(tǒng),多功能節(jié)點M5再通過無線骨干網(wǎng)絡(luò)通信,將油庫計量PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳至無線網(wǎng)關(guān)M1,實現(xiàn)同西固油庫控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成,從而使油庫計量PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以無線方式集成到PKS控制系統(tǒng)中。
多功能節(jié)點M2、M3置于橫跨鐵路的高架棧橋上,多功能節(jié)點M4置于綜合泵房附近的屋頂上。多功能節(jié)點M2、M3、M5都采用定向大角度板狀高增益天線,實現(xiàn)長距離無線傳輸。
2010年6月投運一年多以后的回訪表明,20t油罐車裝運所需時間由40min縮短為25min,油罐車裝運工由7人/班減少為2人/班;火車裝運原由人工抄寫車號再計算機錄入的工作由無線手操器完成;視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)的投入提高了罐區(qū)安全管理水平。
4.2 北美L.P.公司天然氣廠
位于北美的天然氣、原油、成品油和石化產(chǎn)品生產(chǎn)商L.P.公司,其天然氣工廠和遠程設(shè)備之間相距超過12km,裝置采用霍尼韋爾的Experion PKS過程知識系統(tǒng),兩地之間原采用光纖連接。但在運行過程中出現(xiàn)過幾次光纖故障,切斷了天然氣工廠和遠程設(shè)備之間的通信,為此L.P.公司考慮需要為光纖連接尋找備份的方案。霍尼韋爾公司提出采用OneWireless網(wǎng)絡(luò)為光纖連接提供無線備份解決方案,而且還承諾當(dāng)光纖連接故障時交換機能自動轉(zhuǎn)移到無線通信連接。
霍尼韋爾公司經(jīng)過評估和現(xiàn)場測試,提供了采用OneWireless網(wǎng)絡(luò)的實施方案:
采用Multinode多功能節(jié)點的點對點長距離通信;
確定了無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量為11Mbps;
對比2.4GHz和5.8GHz頻段后,決定采用干擾少的5.8GHz無線頻段;
交換機配置了生成樹算法(spanning tree algorithm),確保當(dāng)光纖連接故障時交換機能自動切換到無線通信連接。
安裝完畢后,霍尼韋爾做了一系列的調(diào)整和測試工作:
調(diào)整天線對齊,使信號強度達到100%,無線通信是可靠的;
對光纖連接故障進行了測試,交換機能自動切換到無線通信連接,故障切換測試非常成功;
天然氣工廠和遠程設(shè)備兩個系統(tǒng)仍然獨立運行;
光纖連接和備份的無線連接的狀態(tài)可以在控制系統(tǒng)的操作畫面上清晰可見。
5 結(jié)束語
由于歷史和區(qū)位分散的原因,在很多企業(yè)內(nèi)部的分廠、車間、工序、設(shè)備控制系統(tǒng)是獨立運行的,形成所謂的“信息孤島”局面。采用光纖、電纜連接控制系統(tǒng)是其中的一個解決辦法,但對于相距較遠、線纜敷設(shè)困難的場合,控制系統(tǒng)之間的無線橋式連接無疑提供了另一種投資節(jié)省、施工快捷、性能穩(wěn)定的解決辦法。
作者簡介
昆明有色冶金設(shè)計研究院電氣自動化分院教授級高級工程師,衡器、自動化儀表、冶金自動化、儀器儀表用戶、儀器儀表與自動化等雜志編委,昆明儀器儀表學(xué)會理事長,中國衡器協(xié)會技術(shù)專家委員會顧問,主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究,曾出版“電子皮帶秤的原理及應(yīng)用”(1994年,冶金工業(yè)出版社)、“電子皮帶秤”(2007年,冶金工業(yè)出版社)“流程行業(yè)無線通信技術(shù)及應(yīng)用”(2015年化學(xué)工業(yè)出版社)、“有色金屬生產(chǎn)過程自動化”(2015年,人民郵電出版社)四本專著,發(fā)表論文300篇。
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原文標(biāo)題:【方原柏專欄】控制系統(tǒng)間無線橋式連接解決方案
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