讲座
OneWireless工业无线网络
国内知名仪器仪表权威专家方原柏先生，在“剑指工控”开设的《OneWireless工业无线网络讲座》，深入浅出解答OneWireless工业无线网络实际应用中的所有难题。
第一讲：讲座｜OneWireless工业无线网络（一）
二
OneWireless的系统构成（1）
2.1 霍尼韦尔流程行业无线网络系统发展历史
霍尼韦尔公司长期致力于工业无线技术的研究和应用，2003年受美国能源部委托，研发应用于工业领域的无线技术；2003年9月开始“可提高工业效率的无线和感知解决方案”项目；2004年推出工业无线变送器——基于ZigBee无线技术的XYR5000无线压力变送器，载频为902MHz~928MHz，以此为基础的无线网络系统构成见图14-1。
图2-1 早期以XYR5000为基础的无线网络系统构成图
图2-1中，作为网关设备的基站WBR与各种类型的XYR5000无线变送器可直接通信，最大数量为50台，最大距离610m。基站还可有线接入最多25个AO/DO组件，基站与控制系统的连接有RS485 Modbus RTU接口，还可提供RS232到WMT无线管理工具上显示。
2007年6月11日，霍尼韦尔公司推出基于ISA100.11a思路的OneWireless无线网络方案，采用了XYR6000变送器，载频为2.4GHz。霍尼韦尔公司OneWireless无线网络2009年4月发布的120版，当时作为网关的是多功能节点（Multinode）；2010年6月发布的200版，新推出的功能包括无路由功能的无线变送器改为路由功能可选，增加了现场设备接入点FDAP（Field Device Access Point）、HART适配器等产品；2013年4月发布OneWireless无线网络210版的新功能包括在线无线设备授权，依赖ISA100标准实现的网关统一客户端接口（Gateway Client Interface，GCI），以及OneWireless现场网络同霍尼韦尔Experion过程知识系统（PKS）的内嵌式数据集成，其中引入了思科公司的Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备、Cisco WLAN Controller；2013年还发布OneWireless无线网络220版，增加了与专用于槽罐区域控制系统Enraf Entis Pro的通信接口，还增加了HART-IP、Modbus232/485等功能。
2.2 OneWireless无线网络设备
2.2.1 无线现场设备
现阶段霍尼韦尔公司推出的无线现场设备（部分产品见图2-2）的品种有：
图2-2 霍尼韦尔公司推出的各种无线现场设备
- 无线压力变送器（绝压、表压、差压）；
- 无线温度变送器；
- 无线腐蚀变送器；
- 无线开关量输入变送器；
- 无线开关量输出变送器；
- 无线模拟量输入变送器；
- 无线多输入组合变送器；
- 无线设备振动（健康状态）监测变送器；
- 无线雷达液位计；
- 无线读表器；
- 无线阀门回讯变送器（定位器）。
上述品种中有的还可细分。如无线温度变送器有自带或不带测温探头的；带探头的又分TC（热电偶）或RTD（热电阻）的，还分法兰接头、套管或无外套的；无线模拟量输入变送器有单点AI和多点之分，多点又有3个AI或1AI 2个TC、DI的组合；无线开关量输入变送器分3点DI或2DI 1TC（热电偶）；无线开关量输出变送器分3DO或1DO 2AI（或2TC、或2DI）；无线多输入组合变送器有两个型号，并可组态为AI、DI、DO、TC的组合。
无线现场设备可以安装在危险环境中，如1类1区，符合本安（除电池外）和隔爆认证，防护等级等于或高于IP66。
上述无线现场设备中，有少数因耗电量大，还需现场提供电源，如无线雷达液位计需要65VAC/240VAC或24VDC~64VDC电源，无线设备振动（健康状态）监测变送器可用电池供电，也可以外部供10VDC~30VDC电源。
无线现场设备的刷新率可以设定：1s、5s、10s、30s，未来可以达到0.25s的刷新率。但个别无线现场设备的刷新率可能达不到这一指标，如无线读表器的刷新率通常为1min，紧急状态时为5s或30s刷新。
无线现场设备通过组态选择不执行路由功能，发射功率可以选择自适应调节，如果选择常温下1s的刷新率，电池使用时间可以达到4.5年，而5s以上的刷新率，电池使用时间可以达到10年。
阀门回讯变送器实现对手动阀的实时阀位进行可靠的远程监控应用范围，其中包括：定位器的位置、手动阀的开度、安全喷淋阀的状态、门位置、百叶窗/挡板位置等。
2.2.2 适配器
霍尼韦尔公司OWA100 HART信号适配器又称HART信号的无线转接模块，可以将有线HART设备转接成ISA100.11a标准的无线现场设备。可以由现有HART仪表的4~20mA回路供电或由外部锂电池供电，其刷新率为5s、10s、30s、60s。适配器的背面有一个螺纹接口，可直接插入有线HART设备上的电气接口，以便接线或者从有线HART设备上取得电源，还可以通过远程安装件远离有线HART设备安装。适配器的天线可按要求旋转350°，以寻求最佳的安装角度。
OWA100 HART信号适配器的正面有一个红色LED灯、一个绿色LED灯，用于HART设备和无线网络工作状态的现场诊断显示（见图2-3）。
图2-3 OWA100 HART信号适配器
霍尼韦尔公司还有一款称为XYR400E无线转接模块的适配器，它可以无线转接如下协议的第3方设备：RS232、RS485、Ethernet。当第3方设备如PLC、分析仪、流量计算机、照相机、报警盘等以上述协议有线接入时，XYR400E无线转接模块可以通过多功能节点等设备进行无线通信后，再送入控制系统（见图2-4）。
图2-4 XYR400E无线转接模块信息转接示意图
2.2.3 无线手持设备
无线手持设备被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，它会断开与网络的连接。典型无线手持设备的应用包括设备和网络的配置、校准、监视、诊断和维护，或其他涉及通信和网络管理的应用。
支持现场移动作业有移动工作站、移动气体检测仪、现场巡检仪、IntelaTrac PKS无线手持巡检设备等（见图2-5），可以通过无线网络自动收集现场数据，执行资产智能管理。
图2-5 无线手持设备
1-移动工作站；2-移动气体检测仪；3-现场巡检仪；4-IntelaTrac PKS无线手持巡检设备
2.2.4 OneWireless无线主干网络设备
OneWireless无线主干网络设备包括多功能节点（Multinode）、现场设备接入点FDAP（Field Device Access Point）、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备、Cisco WLAN控制器、无线管理平台WDM。
2.2.4.1 多功能节点
多功能节点（见图2-6）是工业级的无线主干网络设备，可以作为接入点或网关使用。多功能节点带3根天线，第1根用于与ISA100.11a现场设备网络连接，作为无线现场设备的接入点，第2根用于与IEEE802.11a/b/gWi-Fi设备网络连接，作为无线Wi-Fi设备的接入点，第3根用于与IEEE802.11a/b/g（Mesh网状）无线主干网络，实现多功能节点相互无线通信，构建自组织、自愈合的无线主干网络，这样的冗余无线通信，可以扩展无线主干网络，以覆盖整个工厂。
图2-6 多功能节点
每一个多功能节点都可以同时作为网关或WDM同DCS、PLC进行数据集成，两个10/100Mbps有线以太网通信口可以同时接在一个交换机上，用以下通信方式与控制系统通信：Modbus、TCP/IP、OPC。用上述通信方式还可实现多功能节点之间有线互联，或将Modbus、TCP/IP设备转接到无线网络。
多功能节点的供电电源为24VDC，可用于危险区域1类2区，防护等级IP66。
2.2.4.2 现场设备接入点
现场设备接入点FDAP（见图2-7）可以作为接入点、路由器或网关使用。FDAP作为可靠的工业接入点，可访问ISA100.11a无线现场变送器，传送其数据；FDAP也可以配置为无线路由器从其他无线现场设备转送信息，用于要求更快刷新率、更高性能的网络，它在无线仪表网络与无线主干网络或有线控制网络之间也充当路由器的功能；FDAP可作为小型无线网络的网关，以有线以太网通过WDM同有线控制网络连接，实现数据集成。
图2-7 现场设备接入点
FDAP是ISA100.11a的网络设备，可以工作在两种模式。作为一个基础设施节点，当通过以太网连接到WDM时，它提供了WDM和无线现场设备之间的网络连接。它也可以作为一个ISA100.11a无线现场设备的路由器，将从ISA100.11a现场设备和从其他FDAP来的无线数据路由到WDM。
FDAP仅支持ISA100.11a现场设备网络一种无线通信方式，但采用了双天线，提高了通信速度。有线连接方式也仅有IEEE802.3有线以太网一种方式。
FDAP的供电电源为24VDC或110VAＣ/230VAC，可用于危险区域1类1区或2区，防护等级IP66。
FDAP现场设备接入点是第一个用于流程行业现场无线网络的接入点设备，借助现场设备接入点，用户可以将现场无线设备的刷新率设置为1s。
2.2.4.3 Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备
Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备（见图2-8）提供了一个灵活、安全和可扩展的网格平台，它是思科统一无线网络的一部分。使用Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备部署网络时，提供IEEE802.11a/b/g/n Wi-Fi客户端、ISA100.11a现场设备和以太网设备无线覆盖，Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备相互连接，形成一个高带宽、IEEE802.11a/n无线Mesh回传网。
图2-8 Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备
Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备和多功能节点的功能完全一样，它可以与ISA100.11a现场设备网络连接，作为无线现场设备的接入点，它又可以与IEEE802.11a/b/g/n Wi-Fi设备网络连接，作为无线Wi-Fi设备的接入点，它还可以用作IEEE的802.11a/b/g（Mesh网状）无线主干网络连接，实现多个接入点之间的相互无线通信，构建自组织、自愈合的无线主干网络。
不同之处是Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备还支持802.11n，最大带宽可达300Mbps，所以速度更快，而多功能节点最大带宽只有54Mbps，速度就慢得多。该设备内嵌Cisco's CleanAir技术能够优化智能无线网络的通信，降低无线信号干扰，提高通信空间的无线通信质量，明显改善无线网络的通信性能，方便用户的使用。
Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备的天线更多一点，共有5根。上面3根天线是主干网络和Wi-Fi移动天线；下面2根是ISA100.11a无线仪表天线，是同无线仪表通信的，之所以是2根，是因为采用了Duocast技术，实现同时接收数据，通信速度比一根天线时提高1倍，通信距离延长2/3。
Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备的供电电源为12VDC或100VAC/240VAC，可用于危险区域1类2区，防护等级IP67。
2.2.4.4 无线管理平台
无线管理平台（Wireless Divice Manager，WDM）是一种嵌入式设备（见图2-9），是过程控制网络的一部分。无线管理平台管理所有的无线现场设备，如ISA100.11a无线变送器、现场设备接入点FDAP和多功能节点等无线网络设备。
图2-9 无线管理平台
无线管理平台承担无线现场仪表网络网关、系统管理器以及安全管理器的角色。
作为一个网关，WDM处理ISA100.11a无线现场设备和控制系统的通信。它可作为ISA100.11a标准应用层和其他应用层之间的协议转换器，如通过Modbus（包括RTU/串行和TCP）、HART、OPC-UA、OPC-DA和CDA（霍尼韦尔PKS Experion通信协议）等转换。利用ISA100.11a标准的信道特性，WDM提供了一种通用的客户端接口，它允许有线HART设备和HART客户之间通过OneWireless适配器通信，使非ISA100.11a协议的现场设备和它的主机系统之间通信。
作为系统管理器，WDM管理网络、设备和通信。当两个设备需要通信时，由WDM创建、管理、修改和终止。它还执行基于策略的控制网络运行的配置、监控和报告在通信时配置、性能和操作状态，最后，提供了与时间相关的服务。使用WDM直观的Web界面，用户可以很容易地设计、调试、配置和管理ISA100.11a网络、ISA100.11a网络设备（现场设备接入点FDAP和Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备）和所有与网络相关的ISA100.11a无线现场仪表。
作为一个安全管理器，WDM发布无线设备的安全密钥，这样它们就可以加入无线现场仪表网络，设备验证在无线现场仪表网络节点之间的连接，确保通信加密和安全。
无线管理平台是集成无线管理软件工具的服务器，内嵌防火墙，隔离Wireless DMZ（Demilitarized zone，隔离区，也称非军事化区）区域和DCS L2层控制网络，避免有线控制网络对无线网络的影响，支持无线网络的过程数据访问L2层控制网络，通过CDA内嵌式通信或标准通信协议，如ModbusTCP、ModbusRTU、OPC A&E和HART等直接集成到DCS控制系统的控制器中，同时支持Wi-Fi移动操作终端设备通过L3层路由器进入控制网络架构。
为了解决安装防火墙后外部网络不能访问内部网络服务器的问题，在非安全系统与安全系统之间设立了一个缓冲区，即DMZ区。这个缓冲区位于企业内部网络和外部网络之间的小网络区域内，在这个小网络区域内可以放置一些必须公开的服务器设施，如企业Web服务器、FTP服务器和论坛等。另一方面，通过这样一个DMZ区域，更加有效地保护了内部网络，因为这种网络部署，比起一般的防火墙方案，对攻击者来说又多了一道关卡。
无线管理平台提供了2个以太网接口，用于连接到现场设备网络（FDN）和过程控制网络（PCN）。RS232串行接口还可以支持串行通信协议，如串行Modbus通信。
2.2.5 大型多功能网络要求的辅助组件
可列入大型多功能网络要求的辅助组件有：Cisco无线LAN控制器、思科Prime网络控制系统和网络管理交换机。
2.2.5.1 Cisco无线LAN控制器
Cisco无线LAN控制器支持与Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备之间的实时通信，以简化无线网络的部署和运作。
不同型号的Cisco无线LAN控制器可管理的Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备的数量及无线现场设备的数量不同
2.2.5.2 Cisco Prime网络控制系统
Cisco Prime网络控制系统（Network Control System，NCS）是一个网络设备，它配合Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备和Cisco无线LAN控制器来配置和管理无线网络。Cisco Prime网络控制系统是一款理想的管理平台，它提供了简单、直观的用户界面，支持每个用户自定义它们的管理界面，以便显示与其运营和业务目标最相关的信息。Cisco Prime网络控制系统能够以经济高效的方式支持无线局域网生命周期的所有阶段，从规划、部署、监控、故障排除到定制报告，提供了多个控制器和接点设备的图形视图。
2.2.5.3 网络管理交换机
在VLAN和在WLC和有线网络之间设置网络管理交换机是必要的，它提供了IEEE 802.3快速以太网和IEEE802.3千兆以太网的连接，是为实现高级局域网服务的固定独立式智能以太网设备。
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作者简介
方原柏：湖北黄冈人，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。
