1 概述

在流程行業無線網絡越來越多地應用于各行各業時，用戶更多見到的是由無線變送器檢測的過程參數采用無線網絡傳送，而對于無線技術可以用于控制系統之間無線橋式連接解決方案（Wireless Bridge Solution）則了解不多。

在生產現場，常常有很多分廠、車間、工序、設備分散布置，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。

控制系統之間無線橋式連接將為同一控制系統或不同控制系統之間的連接架起一座無形的橋梁，使同一控制系統得以擴展，成為較大規模的控制網絡，也可以使不同控制系統之間共享數據，實現更大范圍不同控制系統的集成。

控制系統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”，為更大范圍的企業管理提供“大數據”的全面支持服務。

本文將介紹控制系統之間無線橋式連接的方式、組成、實施和一些應用例。

2 無線橋式連接的方式和架構

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無線網絡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，可以大大節省光纖、電纜的用量和施工費用。采用的設備是無線接入點或網關，當信息傳送的可靠性要求高時，可選發送和接收設備冗余配置，構成冗余無線通信網絡。實際安裝時。2臺發送器和2臺接收器的位置可分別錯開一段距離，以保證在發送和接收設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無線轉接模塊有線連接如下協議的第三方設備：RS232、RS485、Ethernet，然后通過無線通信將信息傳送到多功能節點，再通過無線骨干網絡經過網關傳送到主控制系統，如圖2中右下方所示；第二種是先通過多功能節點直接有線連接如下協議的第三方設備：Modbus、TCP-IP、OPC，再通過無線骨干網絡經過網關傳送到主控制系統，如圖2中下方所示。這兩種連接方式所指的第三方設備，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無線橋式連接系統解決方案架構

類似OneWireless的XYR400E無線轉接模塊還有橫河電機的多協議無線適配器，它可以將支持RS485 Modbus協議的控制系統，以有線方式接入后通過無線轉接的方式傳送到無線接入點，再接入主控制系統。在國產WIA-PA無線網絡中，沈陽中科博微自動化技術有限公司生產的RS485/232無線透傳模塊，可有線接入RS485/RS232總線的控制系統或設備，以有線方式接入后通過無線透傳模塊傳送到網關，再接入主控制系統，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

以愛默生過程管理的WirelessHART無線網絡為例，與Delta V無線橋式連接系統解決方案的架構見圖3。圖中右側為主控制室的Delta V主控制系統，左側上部為擴展的Delta V控制系統，左側下部為遠程控制器。

圖3 Delta V無線橋式連接系統解決方案架構

如果需要將擴展的Delta V控制系統與遠程控制器無線連接到主控制系統，需要選用以下設備：

1）無線網橋

無線網橋可以選用無線接入點，有室內型和室外型，以及防爆I類、2級或ATEX區域2認證的設備，可根據當地法規和您的要求利用無線頻段IEEE 802.11n 2.4GHz或5GHz。

2）智能交換機

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絡與有線網絡連接。無線局域網控制器和無線控制系統也通過交換機連接。

3）無線局域網控制器

無線局域網控制器負責全網的無線功能，如安全策略、入侵防御、RF管理、服務質量和移動性。

4）網絡控制系統

網絡控制系統允許網絡管理員設計、控制，通過無線局域網控制器監控無線網絡，并提供包括診斷和故障排除的網絡管理工具軟件，以保持網絡平穩運行。

如果系統已經投入了或規劃了無線通信系統，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、無線局域網控制器、網絡控制系統等設備了，這在下面的一些應用例中可以看到。

3 無線橋式連接的實施工作

實施工作將包括準備工作和提交網絡設計資料。

準備工作大體包括以下內容：現場調查控制系統的要求；核算控制網絡的數據吞吐量；收集生產現場地理條件、信息發送和接收位置之間距離的信息；調查現場射頻（RF）狀況。

提交的網絡設計資料可包括以下內容：提供無線橋式連接架構的設計，包括詳細的網絡基礎設施、網絡監控工具；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：在油庫罐區增加輸油管路無線壓力測點數據采集；支持操作工使用移動工作站能實時獲取控制系統的數據和實時錄入裝車數據和信息；實時獲取遠離控制室的油庫計量PLC中的數據，實現數據共享。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、現有橋架和電纜溝已經接近滿載等原因，項目改造實施方案采用霍尼韋爾公司的PKS控制系統和無線信號傳輸方案。

所提供的無線設備包括：5臺Multinode多功能節點、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個多功能節點構建的Mesh無線主干網絡同時支持3類無線應用：

提供ISA100.11a無線現場設備網絡，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據監測；

提供IEEE802.11a/b/gWi-Fi無線設備網絡，支持4個移動工作站，實現現場移動作業，實時瀏覽PKS控制系統畫面、組態、報表、報警等，以及輸入鐵路裝卸站臺的過程數據；

提供Mesh無線主干網絡，支持多功能節點之間的無線通信；

采用Modbus TCP方式將油庫計量PLC控制系統有線接入無線網絡的多功能節點，再以無線傳送方式接入西固油庫控制室的PKS控制系統。

西固油庫無線通信設備及布置見圖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點M1、M2、M3、M4進行無線通信，多功能節點之間的無線通信構建Mesh無線主干網絡，位于控制室樓頂的多功能節點M1作為網關，采用Modbus TCP協議有線接入PKS控制系統，進行數據集成。油庫計量PLC系統現場附近高處安裝一個多功能節點M5，以Modbus TCP協議有線接入油庫計量PLC系統，多功能節點M5再通過無線骨干網絡通信，將油庫計量PLC系統的數據傳至無線網關M1，實現同西固油庫控制系統的數據集成，從而使油庫計量PLC系統的數據以無線方式集成到PKS控制系統中。

多功能節點M2、M3置于橫跨鐵路的高架棧橋上，多功能節點M4置于綜合泵房附近的屋頂上。多功能節點M2、M3、M5都采用定向大角度板狀高增益天線，實現長距離無線傳輸。

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；視頻監控系統、門禁系統的投入提高了罐區安全管理水平。

4.2 北美L.P.公司天然氣廠

位于北美的天然氣、原油、成品油和石化產品生產商L.P.公司，其天然氣工廠和遠程設備之間相距超過12km，裝置采用霍尼韋爾的Experion PKS過程知識系統，兩地之間原采用光纖連接。但在運行過程中出現過幾次光纖故障，切斷了天然氣工廠和遠程設備之間的通信，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網絡為光纖連接提供無線備份解決方案，而且還承諾當光纖連接故障時交換機能自動轉移到無線通信連接。

霍尼韋爾公司經過評估和現場測試，提供了采用OneWireless網絡的實施方案：

采用Multinode多功能節點的點對點長距離通信；

確定了無線網絡的吞吐量為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整和測試工作：

調整天線對齊，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備兩個系統仍然獨立運行；

光纖連接和備份的無線連接的狀態可以在控制系統的操作畫面上清晰可見。

5 結束語

由于歷史和區位分散的原因，在很多企業內部的分廠、車間、工序、設備控制系統是獨立運行的，形成所謂的“信息孤島”局面。采用光纖、電纜連接控制系統是其中的一個解決辦法，但對于相距較遠、線纜敷設困難的場合，控制系統之間的無線橋式連接無疑提供了另一種投資節省、施工快捷、性能穩定的解決辦法。

作者簡介

昆明有色冶金設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，昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協會技術專家委員會顧問，主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究，曾出版“電子皮帶秤的原理及應用”（1994年，冶金工業出版社）、“電子皮帶秤”（2007年，冶金工業出版社）“流程行業無線通信技術及應用”（2015年化學工業出版社）、“有色金屬生產過程自動化”（2015年，人民郵電出版社）四本專著，發表論文300篇。