第47卷第4期 石油化工 自 动化 Vo1.47,No.4 2011年8月 AUT0MAT10N IN PETR0一CHEMICAL INDUSTRY August,2011 Wireless HART无线系 统工程 设计探讨 方原柏 (昆明有色冶金设计研究院,昆明 650051) 摘要:有线HART仪表是Et前应用最普遍的仪表,总数已达到3 000万台以上,由HART通信基金会提出的IEC 62591 标准是工业过程测量和控制领域的首个无线国际标准。介绍了采用该标准的Wireless HART技术的系统构成,探讨了 Wireless HART系统工程设计的应用场合、设计要点、安装要点和图纸设计。 关键词:Wireless HART;无线现场设备;智能无线网关;工程设计 中图分类号:TN926 .3 文献标志码:B 文章编号:1007—7324(2011)04—0010-04 Discussion of Wireless HART System Engineering Design Fang Yuanbai Abstract:Wired HART iS the most common instrument in use nowadays,the total number has reached to more than 30 million.IEC 6 2 5 9 1 standards proposed by the HART Communication Foundation iS the first wireless international standard of industriaI process measurement and control area.The system constitution of Wireless HART technology with this standard is described firstly。and the application field,key design point,main installation element and engineering design of Wireless HART systems are discussed accordingly. Keywords:Wireless HART;wireless field device;smart wireless gateway;engineering design 0 引 言 与其他新推出的系统或仪表类似,最先采用 HART通信基金会成立于1993年,Wireless Wireless HART无线系统的不是设计院,而是用 HART(无线HART)标准是HART通信协议的 户。随着用户使用范围的扩大,也推动着设计院在 扩展,是专为过程监视和控制等工业环境应用所设 工程设计中采用这项逐步成熟的新技术。该文根 计的。2007年6月,经HART通信基金会批准, 据相关的资料和一部分用户的经验,首先介绍了 无线HART标准作为HART 7技术规范的一部 Wireless HART无线系统构成,然后对Wireless 分,加进了总的HART通信协议族中。2010年4 HART无线系统工程设计相关问题作了初步的 月12日国际电工委员会(IEC)表决通过Wireless 探讨。 HART技术成为工业过程测量和控制领域的无线 1 Wireless HART无线系统构成 国际标准IEC 62591,这一新标准由非营利机构 Wireless HART无线系统构成,如图1所示。 HART通信基金会开发完成,该基金会成员包括艾 无线现场设备将过程信息通过智能无线网关通过 默生过程管理,ABB,E+H,MACTek,P+F和西门 用户选用的通信协议(Modbus,TCP/IP,OPC,以 子等公司在内超过200家会员的大型过程控制厂 太网等)将现场设备的信息传送到上位机系统(数 商。它与以往的HART协议兼容,被现有的HART 据采集系统、控制系统、设备管理系统等)。 工具支持,是过程自动化领域的第一个无线传感器 网络国际标准。 收稿日期:2011—03—30。 由于Wireless HART无线系统应用的几个关 作者简介:方原柏(1 942一),男,湖北黄冈人,工作于昆明有 键问题基本得到解决,如数据传输的可靠性、安全 色冶金设计研究院电气自动化分院,担任冶金自动化、衡器、自动 和加密、电池寿命等,即使是像系统整体价格这样 化信息等杂志编委,由冶金工业出版社出版了“电子皮带秤的原 一些敏感问题,障碍也不是很大,所以目前的应用 理及应用”(1994年)、“电子皮带秤”(2007年)两本专著,任教授 已经从初步试用转到推广应用阶段。 级高级工程师。 第4期 方原柏.Wireless HART无线系统工程设计探讨 统.一,坠 线 一. 图1 Wi眵 rel ess HART无线系统构成示意 吻/,+ 1.1 无线现场设备 ~\甓 ~ 1.1.1无线变送器 无线变送器是通过射频天线传送信号的,其工 、 、作电源则采用超长使用寿命的内置电池。电池寿 重 一、 命为1~1O年,取决于传送数据的刷新速度。一 现阶段几个主要Wi0 reless HART产品生产厂 家中,无线变送器的品种以艾默生公司最齐全,目 前推出的品种有:Rosemount无线压力变送器、 Rosemount无线温度变送器、Rosemount无线分 析变送器、Fisher无线阀门位置变送器、 Rosemount无线机械健康状态(振动)变送器、 Rosemount无线开关量变送器。 其他厂家目前生产的品种都比较少,如西门子 公司只有SITRANS TF280无线温度变送器、 SITRANS P280无线压力变送器;P+F公司只有 无线温度变送器、无线腐蚀量变送器;ABB公司只 有无线温度变送器。而令人感到欣喜的是中国沈 阳中科博微自动化技术有限公司也加入了 Wireless HART无线变送器生产厂家的行列,已 生产出NCS—PT10515无线压力变送器。 1.1.2 Wireless HART适配器 Wireless HART适配器可应用于2线或4线 制HART设备,实现该HART设备测量和诊断信 息的无线传输,使其功能升级,所以一部分公司直 接将适配器称为“升级(upgrade)适配器”。适配器 是利用现有有线仪表的供电工作,本身无需电池。 适配器可在有线HART设备所使用的4~20 mA 回路内的任何一处连接,但通常是使用有线 HART设备的备用电缆接头或T形接头连接,只 需将适配器的螺纹接头旋入其中并接线即可,从而 通过有线HART设备的电气接线获得回路供电。 通过Wireless HART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,一方面可以充分利用现有设备,另一方面可以 扩大应用范围,因为现有HART设备中仅有少数 品种有无线产品,如艾默生公司无线分析变送器目 前只有pH值和电导率两类参数的变送器,但由于 该公司的水质分析仪均具有HART通信功能,所 以,当选配了Wireless HART适配器后,都可以升 级成准无线设备接入无线网络。此外,Wireless HART的生产厂商中有一部分自身力提供现 场设备,只好以适配器+有线HART现场设备提供 Wireless HART现场设备,以满足应用要求。 据介绍,目前已安装使用的HART仪表有 3 000万台以上且种类繁多,以Wireless HART适 配器这种方式可以增加仪表的功能,为扩展应用提 供了一条新的途径。 1.2智能无线网关 智能无线网关(Smart Wireless Gateway)是现 场无线网络和主机控制系统多种通信协议的接口, 智能无线网关类型有Modbus,TCP/IP,OPC,以 太网等。 智能无线网关与所连接的多台无线现场设备 的网络是自组织、自适应的网络结构,其中每一台 无线现场设备都具有路由功能,都可以将附近其他 无线现场设备的信息转发到下一台无线现场设备 或智能无线网关(见图1)。设备在网络中的通信 路径不必组态指定,网络会自动查找最佳的通信路 径,当某个节点通信性能下降时,它能自行修复,无 需操作人员干预就能可靠运行,网络的扩展和重组 能力强。 每一个Wireless HART的生产厂商都要提供 智能无线网关,因为这是构成无线系统必不可少的 设备,艾默生公司有1420智能无线网关,西门子公 司有IE/WSN—PA LINK网关,E+H公司有 Fieldgate SWG70网关,而中国沈阳中科博微自动 化技术有限公司也有wHT—Gw1250无线网关。 艾默生公司1420智能无线网关的数据刷新速 度:8,16,32s或1~60 min可选,1台智能无线网 关最多可连接100台无线现场设备,其他公司的智 能无线网关的特性参数大体与之相近。 2 Wireless HART系统工程设计 2.1 应用场合 2.1.1 适宜场合 a)采用有线技术过于昂贵或者不可行的场 合。比如液体槽罐区或长距离管线分散测点的数 据采集、远离海岸的石油平台、监视行进中轨道机 车的温度、检测回转窑窑体温度等。 b)改造项目的快速实施、没有电源供电的区 域过程数据的测量等。 2.1.2不适宜场合 a)无线设备处于封闭环境中、无线设备之间 有大型建筑物或一整套工艺过程装置。 b)目前的采样刷新速度8 S~6O min可选,未 来可能有4s甚至1s的产品,因此不适用于要求采 12 石油化工自动化 第47卷 样刷新速度高的场合。 按照过程工业为无线网络设定的参数标准,共 分0~5级,对应信息传输速度重要性由高到低,即 a)在工艺专业的现场设备配置图上标出所需 安装的无线仪表位置,在没有障碍的情况下,采用短 天线的无线设备的有效信号传递最大距离230 m,类 似槽罐区这样有一定传输障碍的环境有效信号传递 最大距离152 m;在一般建筑物内,无线设备的有效 信号传递最大距离75 m;在厚实的建筑物内,无线设 备的有效信号传递最大距离30 m;采用长天线时有 效信号传递最大距离将加大,比如在没有障碍的情 况下,无线设备的有效信号传递最大距离800 rn。 0级(涉及过程安全的紧急参数)要求信息传输速 度最快,目前Wireless HART系统主要用于5级 的记录和下载/上传参数、4级的报警参数,而3级 的开环控制参数也可以少量应用,对于重要闭环监 督控制回路的测量值或涉及过程安全的紧急参数, 为可靠起见,目前暂不要采用,而应以4~20 mA, HART,FF现场总线等方式传送。 无线变送器、Wireless HART适配器、智能无 线网关均为本安认证,可用在本安设备上,大多数 智能无线设备都适用于ClassI Division 1场合,电 池可现场更换。 由于用户及设计单位均对Wireless HART系 统应用及工程设计了解不多,可以考虑在某一个工 程项目采用逐步实施的方法,首先小规模的应用, 然后逐渐扩大应用无线现场设备的种类和规模,如 图2所示,从1~4分成4个阶段扩大了应用无线 现场设备的种类和规模。 图2 Wireless HART系统应用规模逐渐扩大示意 2.2设计要点 接入Wireless HART的输入信号类型及选用 的无线现场设备,见表1所列。 表1 接入Wireless HART的输入信号类型及选用的 无线现场设备 输入信号类型 无线现场设备 无线变送器可检测的信号 Wireless HART变送器 带HART通信的仪表设备 Wireless HART适配器 mV,Q,普通4~20 mA 可接收这些信号的无线变送 器(如848T无线温度变送器) DI 无线开关量变送器 b)虽然无线现场设备少于5台的Wireless HART无线网络也可以使用,但5台以上无线现场 设备的Wireless HART无线网络工作将会更好。 c)由于无线现场设备同时作为路由器使用, 当网状网络中的无线现场设备能够和其他相邻的 至少3台设备进行通信时,网络的性能是最好的, 这样可以确保在网络搭建好后至少有2条通信路 径,如果在设计过程中没有做到让1台无线设备与 其他3台无线设备通信,那么就需要增加无线设备 或转发器来加强通信,例如采用一些自身并不采集 数据的无线变送器作为转发器使用。 d)1台智能无线网关所连接无线现场设备 中,要求其中至少25 的无线现场设备能够在该 智能无线网关的有效信号传递范围内。 e)1台智能无线网关可连接无线现场设备的最 多台数各厂家稍有差别,但大体在100台左右,传输 速度过快也将相应减少连接台数,设计时考虑留有 40 的备用余量及传输速度等因素,建议1台智能无 线网关连接无线现场设备的台数不要超过50台。 f)智能无线网关可同时与多台主机相连,例如 同时与主机系统(I)( ,PLC)、设备管理系统相连。 g)智能无线网关电源通常为24V(DC),应由 UPS供电,Wireless HART适配器不需供电,无线 变送器由电池供电。 h)集成Wireless HART无线技术的主要通 信协议,对DCS,PLC系统可采用Modbus,对数据 历史可采用OPC,对资产管理和其他工厂局域网 应用软件可采用以太网。 2.3 安装要点 a)内置天线的网关应该安装在与自组织网络 通信最好的位置,如果无线现场设备接近地面,那 么网关就应该安装在距离地面4~8 m的高度,如 果网关安装在室外建筑物的一侧,应该离开建筑物 1 m的距离,如果网关需要安装在建筑物的顶部, 那么距离建筑物顶部应该2 m以上,网关同时要安 装接地和避雷装置。 b)远程天线的网关天线长度通常为15 nl,如 第4期 方原柏.Wireless HART无线系统工程设计探讨 果网关安装在室外建筑物的一侧,远程天线应该距 离建筑物1 ITI、距离地面4~8 m,l5 rn的远程天线 不长,笔者对该项技术的理解非常肤浅,阅读的资 料也非常有限,该文所探讨的内容难免会有不少错 误,还希望在实际应用过程中得到同行的指点。 参考文献: 电缆不适合与地面垂直安装,网关同时要安装接地 和避雷装置。 C)智能无线网关也可以安装在控制室或机柜 室内,但天线则要求安装在室外。 d)无线变送器、Wireless HART适配器、智能无 [1]王辉,黄长喜,徐朝农.等.一种基于无线数传平台的无线 网络协议[J].南昌大学学报(工科版),2003.(4):97 100. 2]陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M]. 3版.北京:化学工业出舨社,2000. 线网关的防护等级大多数等于或高于NEIVb ̄_ 4X IP65。 [3] 国家石油和化学工业局.SH 3,1()5—1999石油化工自动化 仪表选型设计规范[s].北京:中国石化出版社。I 999. [4] 国家石油和化学工业局.HG T20700—2000可编程控制器 e)当无线现场设备数量较多或较分散时,应 分区域分散设置智能无线网关,而不要将智能无线 网关集中在一个区域安装。 2 4图纸设计 系统工程设计规定Is].北京:化学工业出版社.2001. :5] 陈飞翔,杨崇俊.无线网络应用的嵌入式GIS基础平台设计 与实现[J].计算机工程,2005,(1 2):75—77. [6]周建新,邹玲,石冰心.无线网络TCP研究综述[J].计算 机研究与发展,2004,(1):56—62. a)因采用了无线技术,工程设计中在Wireless HART无线系统部分通常不需再绘制接线图、接线 柜接线图、电缆表、电缆及桥架敷设图等。 7] 王隆娟,杜文才,姚孝明.浅谈无线网络安全问题[J].信息 安全与技术,2010,(6):89—92. [8]朱宗敏.TCP向无线网络的拓展[J].福州大学学报(自然科 学版),2001,(4):92~95. b)仪表的符号没有变化,不管仪表的种类是 FF,有线HART还是无线HART,符号表示没有 差别。 3 结束语 [9]苏长赞.一种简单数据采集无线传输系统的设计与实现 [J].仪表技术,2007,(2):11—13. 1O]何志敏,梅大成,谭文学.一种基于无线传输的分布式数据 采集和控制系统[J].现代电子技术,2004.(19):27—28. 由于Wireless HART技术引入工程设计时间 # p #0 #— 一 4 0 0 (上接第9页) 动化系统制造厂应团结一致,共同推进中国过程自 艺系统、设备、配管、土建、电气、电信等多专业、多学 科以及项目管理、设计、采购、制造、施工、生产、维修 等多单位、多部门协同作战,最终才能成功应用。 c)健康、安全、环保、节能和减排是过程自动 化技术应用的总目标之首。 动化技术的研发与工程应用水平的提高! 参考文献: [1] 中国石化股份有限公司信息系统管理部.中国石化工程建 设公司《“石油化工智能化生产技术”专题战略研究报告》 [R].2003. [2]陆德民.管控一体化是科学化企业管理必由之路[G/(JL]. 中国工控网.(2003—10)[201l—O6—2j].http:/ /www. gongkong.com/. d)过程控制系统的设计要站在工厂生命周期 高度来考虑,重视并研究过程控制系统的网络安全 与功能安全。 [3]JONAS B.过程控制现场总线工程、运行与维护[M].陈 e)石化企业大型中心控制室的设计应融入以 人为本的绿色设计理念。 小枫,译.北京:清华大学出版社,2003. [4]贾铁虎,黄步余.大型乙烯工厂现场总线系统设计探讨[J]. 石油化工自动化,2003,(3):1—7. f)大型石化项目采用现场总线技术实现证明 是可行的,并将向前发展。 g)工业无线网络技术将会在石化工业获得越 来越广泛的应用。 [5]The Fieldbus Foundation. AG一181 Revision 3.1 FOUNDATION Fieldbus System Engineering Guidelines Is]. l'he Fieldbus Foundation,2010. r 6]The Fieldbus Foundation. AG—l8l Revision 2.0 h)从事自动化与信息化的工程技术人员应有 开拓创新意识,石化企业、科研单位、工程公司和自 F0U DAT10N M Fieldbus System Engineering Guidelines rS].The Fieldbus Foundation.2004. p # 4 0 4 4 本刊被评定为中国科技核心期刊 中国科学技术信息研究所2010年度中国科技核心期刊评选活动已结束,经过多项学术指标综合评定及同行专家评议 推荐,《石油化工自动化》被评定为中国科技核心期刊(能源科学技术类),证书编号:L522—2010。 本刊编辑部