基于工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA—PA的項目實施與應用研究

李旭初

摘要：該文介紹了工業(yè)無線網(wǎng)絡在能源計量上的應用，從采集層和應用層詳細描述了系統(tǒng)架構和數(shù)據(jù)流，分析了基于無線網(wǎng)絡的軟硬件組成和各模塊功能的實現(xiàn)，系統(tǒng)總結了無線網(wǎng)絡的特點和適用范圍。

關鍵詞： WIA；工業(yè)無線網(wǎng)絡；能源；儀表；采集

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0046-03

1 概述

隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和應用范圍越來越廣，21世紀初產(chǎn)生了工業(yè)無線網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡是通過設備間的交互過程，提供低成本、高靈活的泛在制造信息系統(tǒng)和環(huán)境，代表著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點方向。

2011年，中國科學院沈陽自動化研究所推出了具有自主知識產(chǎn)權的傳感器信息采集和傳輸?shù)闹悄芙M網(wǎng)和高可靠性、高安全性的無線通信技術WIA-PA（即Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）。該技術已成為國際主流的三大工業(yè)級無線傳輸協(xié)議標準之一，作為我國唯一擁有自主知識產(chǎn)權的國際標準，目前已被廣泛應用在石油、化工、電力等流程工業(yè)以及離散加工制造業(yè)。WIA-PA采用了工業(yè)無線網(wǎng)絡WIA和高可靠、超低功耗的智能多跳無線傳感器網(wǎng)絡技術，提供了一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡（無線網(wǎng)格網(wǎng)絡）路由機制，能夠針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，保持網(wǎng)絡性能的高可靠性和強穩(wěn)定性。特別適合偏遠、惡劣地區(qū)，無法鋪設局域網(wǎng)的環(huán)境。

為解決安慶石化公用工程水、電、蒸汽計量儀表分布分散，安裝位置偏僻，人工抄錄費時費力的實際問題。2015年，安慶石化率先將工業(yè)無線網(wǎng)絡應用在能源儀表，實施了能源儀表無線采集項目，將分散在外圍界區(qū)內(nèi)的48塊水、電、汽表安裝了工業(yè)無線遠傳裝置，實現(xiàn)界區(qū)儀表的數(shù)字化無線傳輸與自動抄錄，既降低了抄表工作復雜度，又節(jié)約了施工成本。

安慶石化的能源計量儀表，尤其是外供能源儀表大多位于廠區(qū)2-5公里之外，距離生產(chǎn)裝置和控制室比較遠，將信號接入DCS系統(tǒng)不現(xiàn)實；但工業(yè)無線網(wǎng)絡由于安裝方便、無須布線等特點可以滿足現(xiàn)有能源儀表對數(shù)據(jù)采集的要求。目前，安慶石化公用工程的能源介質(zhì)有生產(chǎn)水、生活水、電、蒸汽（高中低壓）等，現(xiàn)場儀表主要有橫河、菲波、中自、博思達等流量計。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研確認，儀表大多配備了RS485通信口，極個別是頻率輸出。通過接口完全可以采集瞬時量、累計量、溫度、壓力等信號，現(xiàn)場儀表具備了自動采集的條件。

2 系統(tǒng)組成

2.1 總體架構

安慶石化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大多基于傳統(tǒng)的DCS控制和實時數(shù)據(jù)庫采集，DCS上的工藝、質(zhì)量數(shù)據(jù)通過CIMIO數(shù)采站和OPC協(xié)議，發(fā)往Aspen IP.21服務器，數(shù)據(jù)完全通過生產(chǎn)專網(wǎng)傳輸。由于能源儀表所處位置偏僻，重新架設生產(chǎn)專用網(wǎng)絡無論從費用和效果上來說都不劃算。再加上能源儀表的數(shù)據(jù)量不大，實時性要求不高，且沒有控制要求，故底層采用無線網(wǎng)絡傳輸比較合適。采集的數(shù)據(jù)通過就近的管理網(wǎng)匯總到無線網(wǎng)絡管理平臺，經(jīng)處理后再通過工業(yè)防火墻將數(shù)據(jù)送往IP.21數(shù)據(jù)庫。既節(jié)約了資金，又利用了現(xiàn)有硬件資源。

安慶石化能源計量無線數(shù)采系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。

圖中最底層是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層，無線IO模塊與現(xiàn)場流量計通過RS485或HART接口連接，由無線IO模塊將儀表數(shù)據(jù)通過無線電波發(fā)射到WIA-PA智能無線網(wǎng)關，構成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層；其次是WIA-PA無線網(wǎng)關通過雙絞線接入工廠局域網(wǎng)，通過局域網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)上傳至后臺服務器或中心站。最上層是數(shù)據(jù)采集應用系統(tǒng)，主要實現(xiàn)人機交互和WEB數(shù)據(jù)展示功能，將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)集中顯示、綜合分析。

2.2 現(xiàn)場采集

WIA-PA現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由WIA-PA無線適配器或WIA-PA無線IO與WIA-PA網(wǎng)關兩部分組成，WIA-PA無線適配器或WIA-PA無線IO用來周期性從現(xiàn)場儀表采集數(shù)據(jù)，通過無線電波發(fā)送給WIA無線網(wǎng)關；WIA無線網(wǎng)關主要功能是對整個數(shù)據(jù)采集子網(wǎng)絡進行管理及維護，針對用戶提供系統(tǒng)分析、診斷功能和實時數(shù)據(jù)。WIA無線適配器或無線IO采用了嵌入式μcos實時操作系統(tǒng)開發(fā)，一個無線IO或適配器可接8～16臺儀表。圖2為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集結構圖：

2.3 無線IO模塊

安慶石化能源儀表大多具備RS485輸出，接口比較統(tǒng)一，為此，我們采用了WIA無線IO模塊。該模塊是一種能夠?qū)F(xiàn)場有線設備的狀態(tài)信息和工藝參數(shù)遠程傳送，并支持設備參數(shù)遠程設定的WIA無線產(chǎn)品，具有實時數(shù)據(jù)采集功能，能夠通過RS485、AI、DI接口采集現(xiàn)場有線設備的監(jiān)測信息。該模塊支持1路RS485、2路AI和2路DI接口，支持通過RS232接口進行本地維護，以及遠程維護等。無線IO模塊采用導軌設計，安裝非常方便，且具防爆功能。

2.4 無線網(wǎng)關

無線網(wǎng)關是一種集成工業(yè)無線網(wǎng)絡核心協(xié)議的短程無線通信設備，需要外接電源供電，工作在全球免費的基于工業(yè)標準802.15.4的2.4GHz頻段，在沒有中繼器的情況下，最遠通信距離可達1000米。

無線網(wǎng)關負責整個網(wǎng)絡的管理、調(diào)度和優(yōu)化，設定和維護網(wǎng)絡通信參數(shù)，統(tǒng)一為網(wǎng)絡設備分配通信資源和路由，配置網(wǎng)絡的運行，調(diào)度網(wǎng)絡設備間的通信，監(jiān)控并報告網(wǎng)絡的運行狀態(tài)。無線網(wǎng)關還作為全網(wǎng)的時間同步源及均衡網(wǎng)絡負載，提供消息緩沖與保存，橋接所有網(wǎng)絡設備，它的作用至關重要，是整個無線網(wǎng)絡的核心。

WIA無線網(wǎng)關支持一個或多個網(wǎng)絡接入點和服務接入點。網(wǎng)絡接入點提供連接其他網(wǎng)絡的接口，比如工廠自動化網(wǎng)絡，提供串口、以太網(wǎng)等多種連接方式，服務接入點為上位機應用提供訪問和管理網(wǎng)絡的接口。無線網(wǎng)關采用32位高性能ARM9處理器，運行Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)，外擴豐富的存儲資源及對外接口，支持Modbus TCP通信協(xié)議及定制協(xié)議。考慮到現(xiàn)場環(huán)境，我們采用了防護等級為IP65的防爆型無線網(wǎng)關。無線網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸率為250kbps，一個無線網(wǎng)關下行可支持多達40個無線IO模塊，完全滿足現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)采集的需要。為了提高設備安全性以及方便無線網(wǎng)關的安裝，我們在網(wǎng)關供電上采用了最新POE技術，通過POE-MH模塊，利用雙絞線多余的線傳輸直流電壓供給網(wǎng)關，無需另外接入220V交流電。與此同時POE-MH模塊還兼具防雷功能，能確保網(wǎng)絡設備免受雷電、工業(yè)干擾等引起的過電壓和過電流的損壞。

2.5 工業(yè)防火墻

為了及時給MES用戶提供能源儀表數(shù)據(jù)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集完畢，必須將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀P.21實時數(shù)據(jù)庫。為了提高生產(chǎn)專網(wǎng)的安全性，系統(tǒng)需隔離生產(chǎn)網(wǎng)與管理網(wǎng)，為此，我們在無線數(shù)據(jù)采集平臺與生產(chǎn)網(wǎng)之間加裝了防火墻。防火墻采用了沈陽自動化所自主研發(fā)的工業(yè)級防火墻，該防火墻是一款面向工業(yè)控制領域的工業(yè)防火墻。它根據(jù)“縱深防御”的安全原則，通過對工業(yè)控制系統(tǒng)進行安全區(qū)域劃分，建立不同區(qū)域之間的數(shù)據(jù)通訊管道，對管道數(shù)據(jù)進行全面的分析與管控，可對數(shù)據(jù)包進行深度檢查，主要體現(xiàn)在：一是只允許OPC標準格式DCE/RPC訪問請求；二是只允許特定客戶端與服務器之間通訊；三是只允許客戶端使用指定的端口通訊；四是只允許TCP通訊發(fā)生在特定的OPC連接時間內(nèi)。

2.6 管理平臺

采集管理平臺安裝了國產(chǎn)工業(yè)組態(tài)軟件“組態(tài)王V6.55”、網(wǎng)頁發(fā)布管理服務Tomcat和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。組態(tài)王通過MODBUS TCP將無線網(wǎng)關采集的數(shù)據(jù)報文進行解析，然后將每塊儀表的數(shù)據(jù)寫到組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中，同時存入SQL Server 2008，目前現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集周期為5分鐘一次。為了便于跟蹤現(xiàn)場采集情況，在管理平臺上開發(fā)了監(jiān)控畫面。另外，組態(tài)王本身向外提供了OPC服務，通過配置OPC Server，可將所需的變量通過OPC提供給IP.21實時數(shù)據(jù)庫。此外，為便于用戶對歷史數(shù)據(jù)的查詢和跟蹤，在管理平臺上通過Java 的ExtJS框架開發(fā)了B/S架構管理系統(tǒng)。頁面發(fā)布是由Apache Tomcat 6.0完成，該軟件功能與微軟的IIS類似。用戶通過瀏覽器可在互聯(lián)網(wǎng)上查詢實時數(shù)據(jù)和歷史趨勢圖。

3 系統(tǒng)功能

安慶石化能源計量無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面向安慶石化實際情況，采用了定制的客戶化開發(fā)，建立了計量儀表無線數(shù)據(jù)采集、設備維護與管理、WIA網(wǎng)絡信息維護以及遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能的綜合管理平臺，系統(tǒng)主要由遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、網(wǎng)絡管理、設備管理、后臺管理四個模塊組成。同時系統(tǒng)通過組態(tài)王的標準OPC方式連接了AspenIP.21數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)能源無線采集系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。圖3是系統(tǒng)與實時數(shù)據(jù)庫、MES的接口流程圖。

3.1遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控負責對水電氣等多種能源介質(zhì)的工藝過程進行計量與管理，設備遠程監(jiān)控支持設備變量的實時數(shù)據(jù)展示，功能導航顯示實施的無線采集區(qū)域，在區(qū)域節(jié)點下顯示了各儀表位號，通過選擇位號可顯示儀表的當前數(shù)據(jù)，按時間段可顯示儀表的歷史數(shù)據(jù)和趨勢圖。

3.2設備管理

設備管理界面為用戶提供了設備的狀態(tài)管理信息，通過列表可增刪改查更多的設備詳細信息，包括設備ID、出廠編號、設備型號、安裝地點、啟用時間、采樣頻率等。

3.3網(wǎng)絡管理

網(wǎng)絡管理部分的網(wǎng)關參數(shù)暫不支持界面配置，此頁面僅作為網(wǎng)關參數(shù)的顯示界面，包括：序號、IP地址、安裝地點、Modbus端口、UDP端口、網(wǎng)絡ID、廣播信道、可用信道、超幀長度等信息。網(wǎng)絡管理界面支持實時網(wǎng)絡拓撲顯示，可以顯示網(wǎng)關、無線適配器以及儀表的網(wǎng)絡拓撲結構。如有設備上線或下線，拓撲圖能夠?qū)崟r反映網(wǎng)絡狀態(tài)。

3.4后臺管理

后臺管理支持信息修改，所屬部門、密碼、權限認證等信息的增刪改查，在現(xiàn)有信息列表的基礎上提供下拉菜單的信息配置選項。增加用戶操作記錄，包括設備配置、網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)采集配置等所有操作的歷史記錄。角色分為管理員與普通用戶，從配置、遠控、監(jiān)測等多種功能上限制不同用戶的權限，從計量中心、信息中心不同部門的業(yè)務角度區(qū)分用戶角色。

3.5性能特點

經(jīng)過一段時間的運行，工業(yè)無線網(wǎng)絡在安裝位置偏僻、網(wǎng)絡條件差的儀表進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控應用方面，優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在：一是該網(wǎng)絡可針對應用條件和環(huán)境的動態(tài)變化，始終保持網(wǎng)絡性能的可靠性和穩(wěn)定性；二是能夠在低成本的器件上實現(xiàn)，降低了技術開發(fā)與實現(xiàn)難度；三是用戶能以較低的投入換來易于使用和維護的工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結束語

系統(tǒng)經(jīng)過兩個多月的運行，軟硬件系統(tǒng)工作穩(wěn)定，經(jīng)受住了各種惡劣環(huán)境的考驗。該系統(tǒng)的投用大大提高了能源計量工作的效率與設備檢測的實時性，降低了人工抄表的錯誤率，同時其無線設備無需布線的優(yōu)點也使得現(xiàn)場安裝、移動、維護更加方便。2016年6月大檢修期間，還有38塊電能表準備實施，項目全部完工后，會極大改善安慶石化能源計量狀況，進一步提升MES應用水平。