漕泾热电管网计量监测智能无线技术解决方案

上海漕泾热电有限责任公司 唐荣

漕泾热电管网计量监测智能无线技术解决方案

上海漕泾热电有限责任公司 唐荣

上海漕泾热电有限责任公司地处上海化学工业区内，除发电外，还为化学工业区内的企业供热。我公司热网各计量站分布在各用户厂内，热网控制侧测量点的特点是：距离远、分布零散，巡检需要进出用户厂区，出入手续繁杂，这就要求使用现场安装方便、易扩展并有远程监测诊断处理的能力的现场仪表。Hart基金会推广的WirelessHART无线网络技术很好的满足上述要求，因此，现我公司开始着手引进WirelessHART无线技术，并准备进行无线网络仪表安装和调试。本文尝试对WirelessHART无线网络通讯特点，无线设备（网关、无线仪表）、现场网络设计加以分析，以艾默生的智能无线设备为例，结合实际提出在热电管网中应用智能无线技术解决方案。

1 热电管网监控的特殊性

该公司热网各计量站分布在各用户现场内，目前有26个计量站，还在不断地扩展中，客户对我公司提供的蒸汽安全性和品质提出较高的要求，蒸汽断供或蒸汽压力波动大将直接影响客户的安全生产，故计量站仪表故障需及时解决，仪表设备需配在线检测功能，以便根据仪表故障预警信息，无需进入客户现场即可以远程解决仪表故障，提高仪表维护效率能力。

2 目前热网控制系统框架结构及存在的不足

目前热网系统的26个计量站，每个计量站单独有一台控制系统,配置PLC和相关的压力、温度等现场测量仪表，这些仪表多数为智能仪表，支持HATR协议，但热网PLC并不支持HART功能，只能接入4～20mA信号监视过程值，无法进一步监视仪表的设备状态和远程配置，而在整个控制系统的故障构成因素中，仪表故障占据了极大的比例，热网系统曾多次出现因仪表故障造成供气中断的事故,引起客户的投诉甚至索赔。鉴于供热正常的极其重要性。很有必要在线检测设备的运行状态。并能够分析仪表的故障原因和提供相应的解决办法。

3 WirelessHART无线通讯的特点

无线HART是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议。它是HART现场通信协议第七版HART7.0的核心部分。与所有符合HART协议的仪表和设备一样，无线HART兼容于现有的HART设备和应用。现有的HART应用（包括控制系统、PLC、维护工具、资产设备管理应用等），无需进行任何软件升级，都可以利用无线HART协议。它采用工作于2.4GHzISM射频频段、具有安全、稳健的网格拓扑联网技术。无线HART的架构设计时考虑易于使用、可靠，以及与无线传感器网格型协议相兼容。它规定所有的兼容设备必须支持可互操作性，这就是说不同制造厂提供的无线HART仪表和设备，无需进行系统操作就能实现互换，即连即用。再者，无线HART兼容于HART的核心技术，诸如HART的命令结构和设备描述语言DDL。所有的HART设备（例如网管、网关、现场设备等等）都应支持DDL。无线HART通信利用时分多址TDMA技术来协调调度网络设备间的通信。TDMA数据链路层以指定时间槽和信道（频率）的方式来建立网络中各设备间的链接，这些链接组织成周期性重复的超帧结构，以支持定时循环的通信流和非循环的通信流。为了弹性地利用通信带宽，链接可以是专用的（如为保证过程数据以最小的延迟传送），也可以是共享的。传统的HART协议是一种支持请求/响应和过程数据发布两类通信的令牌传送网络。将无线HART纳入整个HART的结构，就包括了附加的无线HART的物理层IEEE802.15.4-2006和TDMA数据链路层。其网络层完整地规范了使用全无线网格化的网络的部署，应用层则支持HART的应用层。无线HART规定了三种主要的网络要素：无线HART现场设备、无线HART网关和无线HART网络管理器。同时支持无线HART适配器，以便将现有的HART设备接入无线HART网络。值得注意的是，在无线HART网络中，网关仅承担无线HART仪表与主应用系统之间的通信，它既支持一个或多个接入点，又和其接入点都包括在每个无线HART网络中；另外也支持冗余网关的结构。网络管理器负责网络的组态、无线HART网络设备之间的通信调度、路径表的管理和无线HART网络健康状况的报告。这一特点与许多无线短程网规定的网关又承担网络的组态有显著的不同，较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要求。图1完整表术了无线HART的网络结构。

图1 无线HART的网络结构图

3.1 IEC62591WirelessHART标准的特点

WirelessHART是自组织、自适应网状结构，不要求用户具有无线技术方面的专门知识，设备在网络中会自动查找最佳的通讯路径；网络具有自适应功能，无需人员干预就可以可靠运行，网络的扩展和重组能力强；同时支持星形和网状拓扑具有自修复功能，网络具有连续监视通讯路径的功能，当某个节点通讯性能下降时，它能自行修复；如果网状网络出现障碍，设备将自动寻找其它最佳替换通讯路径，创建新的通讯路径以保证信息继续畅通。

WirelessHART符合工业标准，带信道跳频技术，符合IEEE802.15.4无线标准；采用2.4GHz通用频率，分成16信道；采用扩展跳频(FHSS)和直接序列扩频（DSSS）技术，具有极高的可靠性。

WirelessHART与现有主机系统可实现无缝连接，网关与现有主机系统的集成是透明和无缝的；主机控制系统无需升级和特别软件，网关的接入采用标准的接口协议。

4 WirelessHART无线设备

一个工程应用的WirelessHART网络需要有无线现场设备/ WirelessHART适配器、无线网关和主机组成。

无线现场设备含有测量传感器或用于过程输出动作的现场设备，作为无线网络的一个节点，负责测量现场过程参数并把数据传送到网关中，现在应用作为普遍的是无线压力、温度变送器，以及阀门位置反馈变送器等。

WirelessHART适配器的作用是将有线HART设备的HART信号以无线信号输出，加入WirelessHART现场网络，主要有以下三种应用：

（1）由于主机系统的局限性，HART信号不能通过4-20毫安回路传输诊断信息时，采用适配器可以获取HART诊断信息。

（2）为原本不能进行无线传输的HART设备提供无线传输。

（3）便于其他不能直接进入控制系统的用户访问设备诊断信息。这种情况下，有线信号仍然通过网线发送到控制中心，而其他办公地点的维护、可靠性及其他人员就可通过无线信号获取设备诊断信息。

适配器是利用现有有线仪表的供电工作，本身无需电池。适配器一般带螺纹接口，可直接插入HART设备上的电气接口获得回路供电。通过无线适配器，用户可以方便、经济有效地将任何一个HART设备转换为无线设备，以扩大应用范围，如储罐液位、雷达液位、超声波液位、流量、阀门、液体和气体分析、压力和温度的测量。

智能网关的作用是实现无线现场设备和连接到以太网、串行或其他现有工厂网络的主机系统的通信、管理无线现场网络、管理网络安全。理论上讲，网关就是编组柜和接线盒的无线版本，它具备以下功能和特点：

（1）网关能够管理网关启动、网络管理和安全管理。

（2）根据安全规定，网关应能控制网络访问。网关可包括多个用户账户，这些帐户按照安全等级和组态参数具备不同等级的访问级别。

（3）网关能输出多种协议，确保与不同类型的主机系统进行集成。在任何过程行业的工厂里都可能有不同类型的DCS、PLC和记录仪，这些设备采用不同的输出协议。多种输出协议都可以与标准网关相连接。

（4）网关能够支持多个连接，类似于一个服务器。典型的WirelessHART应用要求能够把数据传输给不同的主机应用程序，便于将数据提供给不同的最终用户。

（5）网关能够通过经过加密的以太网实现所有协议的安全转换。

（6）网关具备互操作性，并能管理不同供应商提供的WirelessHART设备组成的网络。

5 无线网络可靠性与安全性

智能无线技术的一大特点是采用了自组织网格网状MESH拓扑结构，而不是常见的点对点结构。点对点拓扑结构中，每一台设备直接与网关通讯，设备与网关之间的通讯路径要求完全可视，而这在现场是比较难以做到的；网格网状MESH拓扑结构中，每一台无线设备都可以作为其他无线设备的中继路由，设备与网关之间无需完全可视。同时自组织特性保证了网络中每个设备至少有两个通讯路径，网络会对通讯衰减和需要自我修复的路径进行连续监测，一旦其中的一条通信路径由于某种原因被中断，网络会自动将信号重新路由到邻近的设备，从而确保了智能无线技术在复杂的工厂环境中依然可靠。

智能无线技术将2.4GHz频段分成16个更窄的频段，并采用跳频技术和TDMA(时分多址)技术保证了系统抗干扰能力，如果在其中的一个频段检测到干扰，网络通讯将切换到另外一个频段。在网络安全方面，通过先进的基于标准的加密以及验证、认证、密钥管理和抗干扰技术提供可靠、多级、始终有效的安全性，智能无线技术内置了数据加密与校验，发送设备与接收设备之间也需要身份验证，数据的访问也需要相应的权限才能进行。

智能无线采用符合高级加密标准（NIST标准FIPS-197）的端到端128位加密技术。出于验证目的，各网关都拥有一份允许与其通信的设备的“白名单”，并且单个设备仅接受来自先前确定的网关或其他已认证网关的设备消息。

分离连接和网络密钥可设置为自动轮换或按需要进行更改。实施无线HART标准将在两个网络设备之间增加通信会话密钥，这样其他设备就无法“窃听”。这些密钥也可以轮换。

此外，值得一提的是，智能无线现场设备完全由电池供电，这得益于对现场设备进行的低功耗改造，使得无线装置可以在现场连续工作数年而不用更换电池。以艾默生公司智能电源模块为例，其采用的电池包含多项专利，具有本安、防短路等多项特性，可以在危险环境中随意更换而无需采取特殊安全措施。

6 WirelessHART现场网络设计

设计一个网络有以下四个关键步骤：

（1）确定范围，将无线现场网络分配给某个工艺单元或工艺单元的某个环节。有线HART网络的分段管理设计规则同样适用于WirelessHART网络。简单地说，所有工艺设施都分为基础设施、自动化设备和人员。WirelessHART网络不仅可以自行加入到工艺环境中，而且可以自行加入到工艺设施的结构中。如果工艺设施不在户外，也有一些固有的结构可用于确定网络范围。在确定网络范围时，设计工程师应考虑到网络的备用容量。每个工艺单元至少应配备单独的网关，留出备用容量，便于实时解决问题。如果项目较小并且应用比较集中，即使测点总数没有超过网关的容量，一般也需要配置一个网关。智能无线网关设计规格为可连接100台设备，设计时考虑留有扩展的余地。

（2）制定设计规范，制定设计规范时应考虑的要点：确定哪些类型的测点应为无线接入：安全、控制、监测及本地显示。目前WirelessHART网络推荐系统用于闭环监督控制（通常不紧急）、开环控制（回路中有人工介入）、记录或远程维护的参数。

（3）安装。WirelessHART设备的安装与有线HART设备的安装相同。需要强调的是，无线设备的过程连接应该尽可能保持最好，以获得准确的测量结果。因为采用WirelessHART自组织网格网络技术，无线现场设备将在工艺环境中自动寻找最佳通讯路径，并在环境发生变化时自动寻找最优的通讯路径。WirelessHART适配器一般安装在现有的HART设备上或其回路的某个地方。一般建议先安装网关，然后再同时进行无线现场设备的安装调试和与主机系统的集成。过程连接完成，无线现场设备即安装完成。

（4）调试。按照WirelessHART网关来进行分别调试。因为网关将无线现场设备连接到主机系统，所以一旦WirelessHART设备与网关正常通讯即可确保整个网络的正确连接。无线回路检查能确保无线设备通过网关与主机系统的集成。调试时将工艺和WirelessHART设备相互作用，可确保设备操作正常。

虽然不同行业有不同的工艺环境，不同环境的物理结构导致项目具体内容也有所不同，但以上四个基本步骤适用于所有情况，并适用于所有供应商提供的WirelessHART设备。WirelessHART网络中加入的设备越多，网络越强大，因此网络中设备密度很高时确定范围这一步骤更为重要。

7 热网系统智能无线的方案

7.1 热网的网络结构

热网系统由上下两层网络结构组成，下层网络由热网数据服务器、各计量站PLC组成；上层网络为数据服务器和客户机组成。热网系统共有2台冗余的服务器，3台客户机和1台工程师站组成。具体的网络结构如图2所示。

本热网无线网络采用艾默生智能无线网络技术，遵循WirelessHART标准，该系统用于热网仪表的监视、记录或远程维护的参数，作为热网仪表实时过程数据的补充和拓展。

图2 热网网络结构图

7.2 热网智能无线的配置

以热网实际安装的计量站作为一个网络单元，给每个计量站中智能仪表加装艾默生智能无线适配器THUM775,THUM适配器是有线hart设备升级设备，它将有线HART设备升级为无线设备，它利用现有有线仪表的供电工作，无需电池，不影响现有有线设备的性能，同时可以将有线设备的Hart测量值、诊断信息通过无线方式无线传送到智能网关，这样每个现场仪表就成为一个无线节点。

对于无线网关的配置，原则上每个计量站配置一台爱默生1420智能无线网关，出于经济性能考虑，距离在300米范围之内的计量站可以共用一台网关,各计量站网关可以构成一个自适应网格架构网络，实现仪表节点与网关之间的多重冗余路径，数据可靠性将得到大大提升，达到99%。计量站的1420网关是连接现场设备和控制系统的桥梁，实现网络管理、数据管理和设备管理的三大功能。首先网关要管理其辖区内的无线设备，根据其位置分布自动建立通讯网络，保证各个被检测的工艺参数准确可靠的传输到网关，一旦网络建立，即利用标准接口和支持相应的通讯协议将收集到的工艺数据和设备状态数据送入控制系统内，以实现对现场设备及工艺数据的监控。

1420智能无线网关一般安装在各计量站小操作间的外墙上，由计量站PLC控制柜提供24VDC电源。对于相邻计量站共用的网关，一般安装在位置居中计量站小室内，通过外接天线的形式连接到网关上，满足复杂现场环境的要求。

7.3 无线与控制系统的连接

充分利用热网现有的PLC下层网络，1420网关通过RJ45超5类网线就地接入计量站PLC的以太网网络中，并与PLC的数据共用一根光纤接入热网骨干交换机，继而与热网服务器连接，纳入热网的控制网络中。

1420网关支持多种通讯协议的接口与上层主机连接，主要有ModbusRS485，ModbusTCP/IP或OPC，热网人机接口为IFIX软件，热网采用OPC通讯方式。

7.4 无线网络的配置

无线网络的配置相对比较简单，分现场设备的配置和网关的配置两个环节。现场设备的配置主要是JoinKey、NetworkID及数据刷新速率等的配置，JoinKey和NetworkID分别为和无线设备通讯的握手密码和网络标识，数据更新速率根据实际需要确定。这些参数的设定可以通过支持无线版本的HART375手操器进行，也可以在随机配备的无线配置软件中进行设置。

网关的配置需要从热网工程师站电脑登陆1420网关进行，主要有安全配置，网络标识配置，IP地址配置，与主机通讯配置等，此外还有网络监视和诊断，如各节点仪表实时测量值，供电情况等。

7.5 无线产品与控制系统的集成

在1420网关内嵌软件中选择OPC协议，在HART中设置仪表参数，在Setup—>OPC中设置要映射上传到上位机的变量.在热网服务器的IFIX软件中建立一个OPCCLIENT的IO连接，并在IFIX数据库中建立在1420网关中对应的变量名称，进行连接和HMI画面组态，就能正确显示测量值。

8 无线产品的应用及评价

智能无线改变了工厂的现场仪表的维护模式，维护模式从被动模式转为主动预测性维护模式，维护人员可以在设备发出预警信息时主动去检查设备的状况，在设备故障扩大化之前修复好，避免故障进一步恶化，这样既可以减少设备的维护成本，又可以随时掌握设备的运行健康状况，保障工艺的连续稳定运行，这对于安全稳定第一的热网系统尤为重要。此外智能无线的优点还体现在建立无线网络无需现场勘察，无需前期工程设计，更不需要特殊工具，安装和调试工作只需很短时间内就可完成。用户可以方便地在自组织网络中添加新的设备，并可以无限扩充。与传统的有线网络相比节省了、人工、电缆和穿线管等就地施工费用，也不需要购买模拟量卡件，施工及调试的时间也大大缩短。

9 结束语

综上所述，WirelessHART在热网系统的运用是切实可靠的，也可预见它的成功投运将极大提高热网仪表的自动化水平，挖掘仪表的潜能，进一步保障热网系统的安全稳定运行。随着无线技术及自动化技术的迅猛发展，无线技术已经被广泛使用，作为行业标准得到推广应用。在许多领域，人们正在将目光投向智能无线技术，WirelessHART以其高度可靠性和安全性的技术特点将被普遍应用到各种工业场合中。

[1] 艾默生过程控制公司. IEC62591WirelessHART标准.

[2] 林永春. 智能无线现场网络方案概述[J]. 自动化博览, 2009, 26 (3) : 22-25

[3] 吴雪松. 艾默生智能无线技术在江苏金翔三期油库罐区计量系统中的应用[J]. 自动化博览, 2011(s1).

唐荣（1970-），男，上海人，大专，热工自动装置检修技师，现就职于上海漕泾热电有限责任公司，从事热控点检工作，主要研究方向热工自动装置和热控控制系统。