张晋宾：无线技术及其应用

　　记者：近一段时间以来，涉及无线技术的话题在工控界十分流行，请您谈下除了与有线技术相比其布线成本减少外，无线技术还有哪些优势。

　　张晋宾：无线技术的优势远远不是仅仅局限于其易于安装，节约了布线成本，增加了灵活性这些方面。若在电厂采用覆盖全厂范围的、多功能的无线网络的话，则相当于在全厂物理空间内形成了一个无线共享信息池，使员工、设备和过程相互之间实现最优互动，使得在合适的时间和合适的地点始终有合适的人员存在，从而提升可靠性、安全和效率，使电厂收益最大化。以现场巡检人员为例，当配置具有全功能PC环境的无线移动工具后，即使其具备了就地计算功能，可实现与运行人员及现场设备的无线通信，完成现场设备及过程的就地数据收集、检查、故障诊断、调校等，需要时也可与实时监控系统、计算机状态检修系统、计算机文档系统等实现信息共享。配置无线定位跟踪系统后，可实施现场人员的动态管理，在预警状态就提醒采取措施消除故障，在事故发生后及时发出危险撤离警告等。

　　记者：无线技术国际标准化状况如何？请介绍下无线技术的标准现状。

　　张晋宾：为实现无线设备的互换性和互操作性，降低成本，扩大应用，实现规模效益，无线技术必须实现标准化，从而使来自不同生产厂商的无线产品能够在网络下协同工作。早在2005年，国际自动化学会ISA100就倡导并致力于通过定义和颁布系列标准和推荐导则及组成相应技术工作组，以实现自动化和控制环境下的无线网络标准化。到目前为止，无线网络还难以统一到一个真正意义上的技术标准。其现状是其中有的标准已正式颁布实施，有的还在讨论批准过程中，有的还尚处于研发阶段。下面将具有代表性的标准或技术规范现状作简要介绍。

　　    6LoWPAN、无线HART、 ISA100和ZigBee等无线网络标准或规范均是基于IEEE 802.15.4 -2006低速率无线个域网标准。

　　    6LoWPAN是“IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks”（低功率无线个域网上的IPv6）的缩写，属IETF（因特网工程任务组）中的一个工作组，负责制订基于IEEE802.15.4标准个域网上IPv6传输的通信技术标准。现已发布了RFC4944基础性的技术规范。

　　    无线HART（wirelessHART）标准是HART通信协议的扩展，专为如过程监视和控制等工业环境应用所设计。在2007年6月，经HART通信基金会批准，无线HART标准作为HART 7技术规范的一部分，加进了总的HART通信协议族中。IEC 62591（Ed. 1.0）是国际电工委员会于2010年4月批准发布的完全国际化的无线HART标准，是过程自动化领域的第一个无线传感器网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电IEEE 802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频（FHSS）、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通信（latency-controlled communications）等技术。

　　    ISA100是正处于发展过程中的相对较新的标准组织，其采用了6LoWPAN技术，主要提供工业自动化与控制应用领域的、重点在现场级（Level 0）的无线系统标准。具体而言，ISA100委员会主要致力于制订在无线技术应用环境（包括无线定义、无线电频率、振动、温度、湿度、电磁兼容、互操作性、与原系统的共存、物理设备布置等）、无线设备及系统的技术和生存周期（基于非专有无线技术的全面的短期、中期和长期技术需求和实施方案）、无线技术应用（一是通过无线技术，将用于监视、控制、报警、跳闸等的现场传感器纵向与实时控制系统、直到顶层的管理信息系统相集成，二是将无线技术应用于诸如从无线现场设备互联、控制LAN、商用LAN等全过程系统中）等方面的无线制造和控制系统类标准、推荐导则、技术报告和相关信息等。2009年已发布了ISA-100.11a-2009（用于工业自动化的无线系统：过程控制和标准应用）标准，其在制订的标准还有：ISA-100.15（无线回程主干网）、ISA-100.14（可信无线）、ISA-100.21（人员和资源跟踪和识别）、ISA-100.12（WirelessHART和ISA100.11a汇合网络应用）等。

　　    ZigBee是ZigBee联盟所定义的、并在2004年12月获得批准的、基于IEEE 802.15.4标准频率2.4GHz的Mesh网络互联通信协议。ZigBee标准化组织主要致力于制订诸如嵌入传感、医疗数据收集、电视遥控类用户装置、家庭自动化等方面应用的IEEE无线标准联网规范，并受到许多大的工业联合体的支持。另外，ZigBee也已制订了如鉴别、加密、关联和应用服务等处于通信上层的附加通信性能方面的相关规定。

　　    IEEE 802.11是由IEEE LAN/MAN标准委员会制订的有关无线局域网通信的系列标准，其中802.11a工作频带为3.7或5GHz，采用OFDM（正交频分复用）调制；802.11b工作频带为2.4GHz,采用DSSS调制；802.11g工作频带也为2.4GHz,采用OFDM和DSSS调制；802.11n工作频带为2.4/5GHz,采用OFDM调制。

　　    IEEE 1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起的，是专为智能传感器接口（其主要特点是具有数据处理的智能化）而制订的标准。其IEEE 1451.5-2007标准即为智能传感器无线通信协议和传感器电子数据表（TEDS）格式的相关标准。

　　    EnOcean是楼宇自动化领域的一种无线通信系统，至今并未获得相应国际标准化组织的批准认可，但受到西门子等公司的大力支持。其技术是基于机械激发等能量捕获原理，其无线传感器不用电池，具有免维护功能。数据包仅为14字节，传输速率120kbit/s，设备传输频率868.3 MHz，无线传输距离可达300米。

　　    此外，还有仅在有限范围内用于传输少量数据的IEEE 802.15.1（蓝牙）无线个域网标准，以及广为所知的GSM/GPRS等无线标准。

　　记者：电厂中哪些场合可以利用无线技术？

　　张晋宾：在国外已有许多无线应用案例，如美国Nebraska电站已将无线技术用于监视其远方的油罐工况，又如美国LCRA下属的SGPP（3X650MW机组）电厂和LPPP（545MW联合循环机组）电厂采用无线VoIP系统实现两厂异地的数据共享和通信等。概括而言，无线技术可以用于电厂绝大多数场合，如监督控制和数据采集、排放监视、旋转机械状态监视、视频安防、火焰遥测、厂内通信、常规控制和保护等。当然，实际使用中应基于应用功能的不同，选用正确适宜的无线技术，才能真正发挥其作用，特别是当无线技术用于控制或保护场合时。

　　记者：刚才提到无线技术也可用于控制或保护场合，但是大家或多或少都感到将无线用于控制或保护，似乎还不合适，请你再说明一下。

　　张晋宾：举例来讲，IEC 62591 （无线HART）标准制订的目的就是将无线技术用于控制和监视。诚然，电厂用户将无线技术用于实时控制前，一般会考虑四个主要方面，即无线系统的整体安全性如何、是否可冗余配置、扫描速率是否足够快、业绩如何等。事实上，无线HART网络已获得FIPS和Achilles的数据加密和网络安全证书。无线HART在网络系统各级，如在无线传感器网内、网络访问点、网关/网络管理器/安全管理器等，均可实现冗余配置。据HART通信基金会相关资料，采用无线HART的常规单PID控制回路执行时间（包括从测量设备到网关和从网关到阀门的通信时间在内）可控制在200ms内,足以满足电厂内多数过程控制的实时要求。通过无线HART组织的全球超过1400个地点，约2亿多小时的无线HART的应用，已证明其用于控制的可靠性和鲁棒性。随着IEC 62591的正式颁布实施，具有更快扫描速率的无线装置、集成的无线系统I/O卡和冗余的网关等设备或系统已开始进入市场。无线技术成为控制应用的主流只是时间早晚问题，这正如手机已替代多数固定电话一样。

　　记者：在电厂中应用无线技术有哪些注意事项？

　　张晋宾：大体来讲主要有以下三个主要注意事项。

　　    第一是选择合适的无线技术及其有一定技术和工程支撑能力的供应商，从而使所选定的无线系统能满足高安全性、可靠通信、良好电源管理、开放的平台、多速率监视、多功能能力、可伸缩性、高服务品质、多协议支持等要求。不同的无线技术有着不同的功用，明白其间的异同是十分重要的。在此需提醒掌握三个基本原则，其一是较低频率的无线技术有着较长的通信距离；其二是在传输距离和空间数据传输速率之间要掌握好平衡点，传输速率越低其传输距离则越远；其三是选用合理的传输方法（如固定频率、FHSS、DSSS、OFDM等）和安全措施（如加密、鉴定/确认、密匙管理等）。

　　    第二是做好无线技术工程实施评估，如采用射频频谱分析仪预先测定电厂区域的已有频谱，确定具体的安全要求及组态，确定无线网络拓朴结构和网络集成要求，提前做好与地方无线电管理委员会的沟通协商等。

　　    第三是在具体实施过程中要根据现场实际情况，基于空间多样性（指每一个无线设备均可和处于不同位置的两个及以上节点通信）、瞬时多样性（指每一个无线设备在所发送的数据未被接收后，可在毫秒级时间内可以连续两次及以上重发数据）、频率多样性（指每一传输均可在不同频率上进行）三个原则，确定无线设备和天线的最佳位置及组态，经综合平衡距离、信号和带宽三者后确定无线系统的最优性能。

　　【张晋宾】简历

　　    曾名张晋斌（1967.9—），男，山西阳城人，汉族，教授级高级工程师，硕士。1989年毕业于武汉水利电力学院，曾任西南电力设计院仪控处主任工程师，现任西南电力设计院三维设计总工程师。长期从事电厂自动化的设计、咨询、研究及管理工作。公开发表学术论文四十余篇，编写国家及行业标准5项。现为《自动化信息》、《世界仪表与自动化》、《传感器》等杂志编委和《热工自动化》网刊副主编。