无线网络中无线通信和有线通信连接的结合

引言

工业无线通信是联系现场仪表与控制系统的桥梁，它需要将分布在生产过程现场仪表所收集到的信息传送到控制系统。以往普遍采用的是有线连接，现场仪表通过接线箱、电缆、电缆桥架等将信息有线传送到控制室。而无线通信技术是将现场仪表所收集到的信息以无线方式传送到控制系统，因而省去了有线连接所需要的大量接线箱、电缆、电缆桥架。

但是工业无线通信系统中，仍然有部分有线连接。本文将介绍在设计和应用无线通信技术时，有线通信连接和无线通信连接是怎样有机结合的。这种结合使无线通信技术的应用更加合理、更加经济、信息传送质量更高。

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早期无线网络的有线连接

以一个小型现场无线网络为例，通常包括网关和数台至数十台无线现场设备（见图1），它们之间采用无线通信，然后由网关以有线方式（例如Modbus、TCP/IP、OPC、以太网等）连接到控制系统。

图1 小型现场无线网络图

Fig.1 Small field wireless network

虽然无线通信技术具有无需敷设电缆，现场施工节省人力、物力，安装投运快速、方便等优势，但从无线通信技术应用的目标来看，它绝不是要全面取代现有有线网络，而只是想为有线网络提供一种有益的补充。也就是说，当从安全、可靠、经济等方面考虑必须采用有线方式时，还是应该采用有线；而只是在满足安全、可靠的前提下，采用有线方式实施困难或不经济时，可采用无线通信技术。正因为如此，无线通信技术在实际应用时，几乎都是有线通信连接和无线通信连接的结合。

霍尼韦尔公司2004年推出的无线网络系统构成见图2。当时工业无线变送器是基于ZigBee无线技术的XYR5000系列产品，载频为902~928MHz，作为网关设备的无线基站（wireless base radio，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。基站与控制系统的连接有RS485 Modbus RTU接口，还可提供与无线管理工具（Wireless Management Toolkit，WMT）连接的RS232接口，以便显示采集的数据。作为有线向无线系统过渡的产品，基站还可有线接入最多25个AO/DO组件（见图2中椭圆框部分），这是一个很典型的无线通信连接和有线通信连接结合的例子。

图2 早期无线网络系统构成图

Fig.2 Composition of the early wireless network system

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无线网络中常规有线连接

无线通信系统中的常规有线连接通常是在系统的两端，一端是网关与有线控制系统的连接，另一端是无线现场设备安装时可能存在的有线连接。网关与有线控制系统连接时，通常采用多种通信协议的接口，如Modbus、TCP/IP、OPC、以太网等。有的公司可以将网关设备以控制系统I/O卡有线连接的形式直接挂在控制系统的网络上，像艾默生过程管理公司的无线I/O卡就可以直接挂在DeltaV控制系统的网络上。无线现场设备安装时可能存在有线连接，像多点无线温度变送器与多个温度测点的连接、无线开关量变送器与多个开关量节点的连接等等。

另外，网关、接入点、专用路由设备等都需要由工业电网线路供电，电压等级有110/220VAC、24VDC等类别，这也需要有线连接。

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无线网络中其他有线连接

在无线网络中，看到其他有线通信连接方式，如HART适配器与有线HART设备的连接、无线转接模块有线接入各类通信协议、接入点和网关的有线连接、接入点相互间的有线连接、视频信号的有线连接等。

3.1 HART适配器与HART设备的连接

HART适配器与有线HART设备都需要有线连接，连接方式可分为三类：第一类是直接安装，HART适配器的外连接螺纹直接插入有线HART设备的螺纹接线口，接线很短；第二类是带安装附件，HART适配器与通过安装附件与有线HART设备分离安装，以便为适配器的天线寻找更为合适的安装位置，接线距离通常为数米；第三类是多点HART设备，部分厂家的HART适配器支持多台有线HART设备，需采用多分枝方式（multi-drop mode，MDM）有线连接，接线距离可达数十米。三类有线连接方式如图3所示。

（a）直接安装 (b)带安装附件 (c)多点HART设备

图3 三类有线连接方式

Fig.3 Three types of wired connection

3.2 有线接入各类通信协议

无线转接模块可以有线接入第三方设备的信息。比如霍尼韦尔公司XYR400E无线转接模块，它可以无线转接如下协议的第三方设备：RS232、RS485、Ethernet。当第三方设备如PLC、分析仪、流量计算机、摄像机、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，再将第三方设备的信息送入控制系统

横河电机的RS485 Modbus协议无线转接模块可以与带RS485 Modbus协议的第三方设备有线连接，先将第三方设备的信息以RS485 Modbus协议方式传送到YFGW510现场无线接入点，然后再传送到控制系统。

沈阳中科博微自动化技术有限公司生产的WIA-PA无线网络产品中有一款RS485/232无线透传模块。这是一款针对现有的RS485/RS232总线开发的无线解决方案，可实现RS485总线和无线通信之间的透明传输，可将PLC等控制系统的RS485总线，以有线形式接入无线透传模块，从而可实现PLC控制系统点到点、点到多点等多种模式的数据通信。

霍尼韦尔公司的多功能节点、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备有Modbus TCP/IP以太网通信接口，可以接入有线以太网设备，然后通过节点的无线通信，将第三方设备的信息传送到工厂的控制系统。无线转接以太网通信如图4所示。

图4 无线转接以太网通信示意图

Fig.4 Schematic diagram of wireless-Ethernet adapting

在中石油西北销售公司兰州西固油库，控制室安装的DCS控制系统是霍尼韦尔过程知识系统(Process Knowledge System，PKS)，距离控制室8km远的远程油库安装了计量PLC系统。项目改造时，希望实现远程油库计量PLC系统的数据能以无线方式集成到控制室内的PKS控制系统。

实施方案采用了霍尼韦尔公司的OneWireless无线通信网络。在油库计量PLC系统附近高处安装了多功能节点M5，以Modbus TCP协议将油库计量PLC系统的信息有线接入。系统总共包括5台多功能节点、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。多功能节点M1~M5构成Mesh无线主干网络，将无线现场设备及油库计量PLC系统的数据以无线方式传送至作为无线网关的多功能节点M1，M1也以Modbus TCP协议有线方式接入PKS控制系统，从而实现了油库计量PLC系统的数据无线转接。多功能节点中M2、M3、M5都采用定向大角度板状高增益天线，以实现长距离无线传输。油库无线通信如图5所示。

图5 油库无线通信示意图

Fig.5 Schematic diagram of wireless communication for oil depots

3.3 接入点和网关的有线连接

一般来说，无线通信网络的接入点与网关之间应采用无线连接，但在很多场合，采用的是却是有线连接。如随着网络规模的扩大，需要将大规模网络划分为几个小型网络或几个簇（Cluster）。由于无线现场设备节点只需通过次数很少的几“跳”，就可到达网关然后到主机，所以簇方式加快了整个网络的通信速度。

艾默生过程管理公司WirelessHART无线网络使用簇方式后，要求网关尽量安装在靠近现场设备的地方，然后采用有线方式与网格接入点(Mesh Access Point，MAP)连接，多个网格接入点通过Wi-Fi连接，以提供过程无线现场数据回传，从而实现远程测量与过程控制系统的集成，无线现场数据回传解决方案架构见图6。

图6 无线现场数据回传解决方案架构

Fig.6 Architecture of wireless field data backhaul solution

无线网络有2种类型：一种是通过智能无线网关采集WirelessHART无线现场设备的数据（见图左方的2个无线网络），另一种是通过无线I/O卡WIOC和远程链路采集无线现场设备的数据（见图右下方的无线网络）。智能无线网关和无线I/O卡（Wireless I/O Card，WIOC）以有线以太网的方式将采集数据回传到Wi-Fi无线主干网络的多个网格接入点MAP，最终网格接入点通过Wi-Fi无线方式汇集到根接入点(Root Access Point，RAP)与有线网络连接起来。

采用有线以太网的连接简化网络拓扑架构，大大减少了无线现场设备通过网状网络传送时的路由次数（即“跳”的次数），网络的管理难度降低，网络的维护量减少，使网络性能可靠而稳定。

无线现场设备到控制系统的信息传送方式，经历了“无线——有线——无线——有线”这样一个交替变化的传递过程（见图7）。

图7 无线信号传送方式

Fig.7 Wireless signal transmission mode

艾默生过程管理公司的无线I/O卡WIOC和远程链路，它的结构是将原有的1420智能无线网关的功能分为两个部件：无线I/O卡和781远程链路。无线I/O卡有2个Ethernet I/O口实现与控制系统DeltaV局域网的有线连接，而781远程链路实现与WirelessHART无线现场网络连接。无线I/O卡和781远程链路两者之间采用2对导线的有线连接，最远距离达到200m。其中一对导线是无线I/O卡提供的电源线，另一对导线为远程链路的通信线，这实际上也是一种无线连接和有线连接结合的范例。

3.4 接入点相互间的有线连接

霍尼韦尔公司的无线现场数据回传解决方案中采用多功能节点或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备，它们相互之间的通信通常采用Wi-Fi无线方式。由于多功能节点或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备都提供了有线以太网的通信接口，因此单一设备之间或两种设备之间也可以通过有线以太网方式有线连接。据霍尼韦尔公司介绍：通过有线以太网方式有线连接，能够更好地改善数据集成的速度和通信带宽。

3.5 视频信号的有线连接

无线视频传输的优势在于无需布线，还有一个优势是终端摄像头移动方便，新建项目施工投运过程中这种优势非常明显。但无线网络系统供应商的意见是不鼓励所有的视频信号都占用厂区的无线骨干网络，而且即使视频信号采用无线传输，视频数据的传输速度也要限制，因而也限制了视频信号的清晰度或无线视频的节点数，其目的都是为了确保无线骨干网络的稳定性与可靠性。

中联煤层气山西沁县气田10口煤层气井分布的区域方圆5km，2010年11月实施的无线系统包括：各类过程参数（压力、温度、流量、开关量）数据采集；视频监控。所有过程参数（压力、温度、流量、开关量）的数据采集中，有5口煤层气井的温度、压力、流量的测量是选用无线变送器采集，另5口煤层气井的温度、压力、流量的测量选用常规仪表以有线方式采集后，再通过多点无线模拟量输入变送器转换成无线信号后输出。视频监控中IP摄像机与多功能节点有2种通信方式：距离很近的5口直接采用有线接入方式；距离较远的采用Wi-Fi通信方式。

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有线无线连接的现场调整

现场条件是千变万化的，根据现场实际运行情况，对某一环节是采用有线连接还是无线连接进行调整，以下是一个实际应用中作出调整的例子。

中石化镇海炼化修建一条低温乙烯运输管线，总长约7650m，连接装卸码头和低温罐区。乙烯运输温度要求为-150~-100℃。为确保管线运输正常工作，需要对管线温度实时监测。管线两端约500m处各有一个温度测点，中间每隔1km一个温度测点，共有7个温度测点（其中两端2个温度测点采用有线温度变送器，中间5个温度测点采用无线温度变送器）。管线温度数据要求传输至低温罐区控制室DCS控制系统，实现集中、实时监测。系统采用霍尼韦尔公司的OneWireless工业无线解决方案。

乙烯运输管线无线通信设备布置见图8，图8中：T1、T7为有线温度变送器，T2~T6为无线温度变送器，M1~M3为初期安装的3台多功能节点。初期安装后，安装在管线上的无线温度变送器同多功能节点M2、M3进行无线通信，多功能节点之间以无线通信构建Mesh无线主干网络，位于低温罐区的多功能节点M1作为网关，以Modbus RS485有线接口将M2、M3采集的所有数据传输至低温罐区侧DCS控制系统。

图:8乙烯运输管线无线通信示意图

Fig.8 Schematic diagram of wireless communication for ethylene transportation pipeline

由于多功能节点与无线温度变送器之间最远距离约3km，多功能节点M2与M3之间距离约6km，所以多功能节点与无线温度变送器均配置了定向板状高增益天线，可实现远程通信（通信距离分别可达4km、10km）。但在使用过程中发现，由于多功能节点M2与M3之间距离较远，且中间有一道钢板围裹的固体输送栈桥，一定程度上阻挡了M2与M3之间的信号传输，造成了末端T5和T6两点温度在系统中显示时有时无，当T5和T6两点温度“丢失”后，M2会不断尝试去建立与M3的联系，加大了M2的工作负荷，加剧了M2的损坏速度。

考虑到装卸码头与低温罐区DCS之间已有备用的通信光纤，就在装卸码头侧PLC机柜室屋顶增设1个多功能节点M4，接受相距较近的M3多功能节点无线传送过来的T5、T6两点温度信号。T5和T6两点温度信号反向传送到装卸码头PLC机柜，然后再通过交换机及备用的光纤传送到低温罐区DCS。即通过M3——M4——装卸码头侧交换机——码头与罐区之间的光纤——低温罐区交换机——WDM无线管理平台——DCS路径，将T5和T6两点无线温度变送器信号以无线方式采集后又以有线方式传送到DCS，实现了全线温度的检测，改造后该系统运行比较稳定，解决了T5和T6两点温度“丢失”的问题。

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结束语

相对于有线系统，无线系统具有节省电缆、简化安装、减少维护时间和停工时间的优点，但在设计、安装一个无线系统时，不是网络中的所有连接全都要用无线方式解决，而应该从安全、可靠、经济等方面综合考虑。当控制系统有一些连接处必须采用有线方式时，如网关与控制系统的连接、供电连接及某些条件下接入点和网关的连接、接入点相互间连接，还是应该采用有线方式；而只是在采用有线方式实施困难或不经济时，可采用无线通信技术。根据现场的实际情况和系统的要求，可灵活地实现无线通信连接和有线通信的有机结合。