WIA-PA无线标准及其应用

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概述

我国是国际上较早开展流程行业无线网络技术研发与应用的国家之一，在本世纪初，国家自然科学基金委员会对传感器网络基础理论和技术方面的研究工作开始给予支持，奠定了我国流程行业无线网络技术研发相关工作的基础。2006年7月，由中国科学院沈阳自动化研究所牵头，组建了工业无线联盟。与此同时，科技部和中国科学院启动了工业无线技术的重点支持计划，并将工业无线技术被列为我国十一五“863”计划先进制造领域“工业无线技术及网络化测控系统研究与开发”重点项目，突破了基于射频环境认知和自适应跳频的高可靠通信技术、基于高精度同步和事件驱动的低能耗技术和基于空间、时间、频率多维调度的实时通信技术等工业无线通信的核心技术。

中国工业无线联盟连续攻克了无线技术在工业测控应用中的可靠性、实时性、低功耗等技术难点，形成了具有自主知识产权的核心技术，构建了由多项专利组成的核心自主技术系统，并在化工、采油等领域进行了成功的示范应用。

2008年10月，标准起草工作组完成了WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation，工业过程自动化的无线网络）国家标准的征求意见稿，并于2010年12月报批；2011年7月29日，WIA-PA发布为GB/T26790.1-2011中华人民共和国国家标准。这份标准以过程自动化为对象，基于IEEE802.15.4标准，形成我国拥有自主知识产权的工业无线网络规范。

WIA-PA国际标准的起草与国家标准同步推进，2008年5月，IEC/TC65成立了WIA-PA国际标准起草项目组，德国、法国、美国、日本、瑞典都指派专家参加WIA-PA国际标准起草项目组，启动WIA-PA的IEC正式国际标准制定工作。德国西门子、美国爱默生过程管理、法国施耐德、日本横河电机等公司也纷纷通过本国标准委员会派专家参加WIA-PA标准工作组的研讨会，这标志着我国自主研发的工业无线技术得到世界范围的广泛认可。

2008年10月31日，经过IEC全体成员国的投票，WIA-PA规范作为公共可用规范IEC/PAS62601予以发布。2011年10月14日，经国际电工委员会工业过程测量、控制与自动化技术委员会IEC/TC65的26个成员国投票，由我国负责制定的工业无线网络WIA-PA技术标准提案，最终以100%的通过率，成为正式IEC国际标准：IEC62601 Ed.1:Industrial Communication Networks Fieldbus Specifications-WIA-PA Communication Network and Communication Profile（工业通信网络 现场总线规范 WIA-PA通信网络与通信规范），从而使WIA-PA国际标准（编号：65C/596/C）成为现今工业无线领域三大主流国际标准之一，2015年WIA-PA还成为欧洲标准。

我国拥有自主知识产权的WIA-PA技术成为国际标准，具有重要的意义，标志着在工业无线领域，中国已经成为技术领先的国家之一。WIA-PA技术的应用，将有助于降低企业相关产品生产和使用的风险，保障产业安全，扩大我国相关领域自动化产品所占据的市场份额，为工业化和信息化的融合提供高端解决方案，促进我国工业节能减排目标的实现。

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WIA-PA网络技术规范

无线电标准：基于IEEE802.15.4标准，通信速率为250kbps；

频段：2.4GHz；

网络规模：一个网关可以管理100台或最多的现场设备，系统可以通过以太网互连多个网关形成大规模的复杂网络；

传输距离：工业环境室内200m，室外800m；

可靠性：数据可靠性大于99%，自适应跳频技术，避免干扰，冗余路由技术，自组织修复网络；

安全性：网络设备鉴权与认证，基于工业认证的数据加密技术；

兼容性：支持HART命令，兼容无线HART标准；

电源：网关外接电源供电，现场设备普通锂电池供电，寿命为1~5年，具体情况取决于网络规模及设备采集数据的刷新率；

刷新率：刷新率可配置，可调范围为1s~1h。

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WIA-PA的系统构成

WIA-PA网络支持星型拓扑结构、Mesh网状拓扑结构和星型加Mesh网状结合的两层拓扑结构。

星型拓扑结构示例如图1所示，仅由网关、现场设备（或手持设备）构成，使现场设备协议的复杂性降低了，而现场设备加入和退出网络的灵活性增加了。

 图1  WIA-PA网络星型拓扑结构

Mesh网状拓扑结构如图2所示，现场设备兼有路由设备功能，而每台现场设备的无线传输路径可能有多条。

图2  WIA-PA网络Mesh网状拓扑结构

星型和Mesh网状结合的两层拓扑结构如图3所示，第一层是Mesh网状结构，由网关及路由设备构成，用于系统管理的网络管理器和安全管理器，在实现时可位于网关或主控计算机中；第二层是星型结构，又称为簇，由路由设备、现场设备或手持设备构成，路由设备承担簇首功能，现场设备或手持设备承担簇成员功能。簇结构是一种能量利用率高、数据传输简单的网络，每个簇通过簇首管理或控制簇内所有簇成员，协调成员之间的工作，负责簇内信息的收集、数据的融合处理及簇间转发，所有该簇成员通过簇首才能与网关通信。

 图3  WIA-PA网络星型和Mesh网状结合的两层拓扑结构

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WIA-PA无线系统的应用

WIA-PA无线系统已经得到广泛的应用，特别是在石油、钢铁、化工、市政等行业应用较多。

4.1 鞍钢冷轧厂连续退火生产线

鞍钢冷轧厂连续退火生产线有数百个轧辊，轴承是轧辊运转过程中最重要的零件之一，轴承在发生故障时通常伴随有温度变化，通过对轴承的健康状态在线检测是保证生产长期、连续、稳定运行的重要手段。安装在轧辊非电机侧轴承座上的WIA-DS18B无线温度变送器实时检测轴承温度，在现场200m×20m×30m范围内布置了406个测点（见图4）。

 图4  轧辊轴承健康状态在线监测系统

在以往的生产过程中，轴承工况很难实时监测，设备异常工况不能及时发现，而轴承损坏导致停产损失，反过来又导致轴承提前报废。当基于WIA-PA技术的健康监测系统应用后，可以大大降低连续过程工业中的非正常停机事故，实现整体效益的提升。据统计，项目实施前，非正常停机事故每年4次，项目实施后，非正常停机事故消除，增加产量1738t；项目实施前，每次停机事故产生废品72t，项目实施后，无停机事故产出废品；项目实施前，每年消耗轧辊8根、辊轴承40套，项目实施后，每年消耗轧辊4根、辊轴承20套；项目实施前，辊轴承解体检查周期2年，每年更换40套，项目实施后，辊轴承解体检查周期4年，每年更换20套；项目实施前，能耗费用为198.86万元，项目实施后，能耗费用为182.44万元。

系统稳定运行多年，数据传输可靠性超过99%。在生产中该系统已多次成功对事故进行预警，大大减轻了现场工人劳动强度。

4.2 力达宁化工公司二异丙基苯胺项目

中科院沈阳自动化研究所与鞍山焦耐院等单位合作，为江苏灌云力达宁化工公司二异丙基苯胺项目设计投运了WIA-PA无线系统。该生产装置含原料罐、缓冲罐、反应釜、精馏塔、成品罐等，共使用了无线温度变送器14台、无线压力变送器3台、无线液位变送器3台、无线流量变送器4台、配电动执行器的无线I/O变送器13台（见图5），总计37台。系统配了2台DW1068无线网关，分别组成两个网络，一个用来管理温度、压力、液位、流量等无线变送器，另一个用于13台电动执行器的控制。

 图5 二异丙基苯胺项目现场无线设备安装示意图

令人感兴趣的是在项目的反应釜部分，分别进行如下回路实现了自动控制：采用无线压力变送器监测氮气缓冲罐的压力，通过变频器控制反应釜电机的转速，从而调节原料的进入；采用无线温度变送器监测反应釜的温度，通过调节导热油的流量，起到控制反应釜温度的作用；采用无线压力变送器监测反应釜中的压力，调节阀门，起到控制反应釜压力的作用。

投运后，不仅检测的数据可靠，还实现了上述参数的自动控制。由于刷新速率为1s，对参与控制的节点信息设置了高优先级，使之能获得更多的通信资源，而只进行信息采集的节点优先级低，通信资源较少，因而保障了系统整体的QoS和通信资源分配的有效性。参与控制的节点，由DCS发送命令到执行器的电流信号平均时延在1s之内，保证了控制回路响应迅速、反馈及时，控制系统的质量可以满足生产需要，保证了产品的质量。

4.3 新疆油田公司采油二厂

新疆油田公司采油二厂在部分井口采用了油井远程计量和优化控制系统，井口安装的载荷、压力、电机转速、流量计、电参数等传感器将采集的数据，通过WIA-PA网络发送给RTU测控主机，RTU测控主机将数据打包处理后，通过网关、有线网或GPRS网络上传到控制室，进入油田公司数据网关，而后数据进入系统服务器被接收、解析、存储和发布，同时被提交给油田公司公共数据平台，用于对油井工况数据实时监测、远传计量、工况分析、产液量计算分析、产生生产报表，用户还可通过远程查询相关数据，图6为系统概貌图。

 图6  油井远程计量和优化控制系统概貌图

现场井口区存在较强的WLAN信号干扰，WLAN干扰信号强度高达-40dBm，且WLAN设备占用整个2.4GHz公用频段带宽的2/3，现场无线环境十分恶劣。现场曾有多个厂商进行了其他无线系统的相关应用，因这些无线系统的无线设备系单信道、无抗干扰机制，使用效果不佳；而采用WIA-PA无线设备，具备自适应跳频功能，可以选择WLAN设备未占用的几个信道，从而避开干扰。

通过控制台管理整个网络设备组网情况，一台无线网关可以同时管理20口井。网络整体通信性能稳定，井口生产过程数据准确，通信成功率基本达到100%，完全满足客户的要求，目前无线设备应用规模已达500点。

4.4 印尼望加锡临海罐区

印度尼西亚国家石油和天然气公司（PERTAMINA）望加锡临海罐区长期以来储罐液位的管理主要靠人工进行，需要有经验的工人利用尺子对各储罐的液位高度进行测量（即“人工检尺”）来监视油罐，没有形成真正意义上的监控系统。由于望加锡油港罐区面积大、储罐间距离远和环境恶劣，“人工检尺”的工作量很大，但仍然很难保证罐区不发生满罐溢流故障。

北京天宇蓝翔科技发展有限公司向印尼望加锡临海罐区提供了罐区满溢监控系统，系统采用了WIA-PA工业无线网络传输方法的实施方案，广州中科院沈阳自动化研究所分所提供了WIA-PA无线传输的技术支持，罐区满溢监控系统见图7。

 图7  罐区满溢监控系统

储罐满溢状态可靠的监测采用配有基于WIA-PA无线传输节点的沉筒式液位开关，各节点将采集到的储罐满溢信号传送到位于监控站附近的DW1068无线网关，无线网关通过RS485接口、TCP/IP网桥将数据传输到PLC监控平台。罐区满溢报警系统，为该港口的安全生产提供了保障，系统自2013年4月实施以来运行至今无故障。

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结束语

WIA-PA无线网络是一种高可靠性、超低功率的工业无线网络，相对于另外两个国际标准WirelessHART、ISA100.11a来说，低成本和网络安全对中国用户来说是其最大的优势，所以近年来在国内的使用日趋增多，我们可以期待WIA-PA无线网络将进一步扩大应用范围，并在更多的场合得到应用。