无线技术：期待与IT技术深层融合

　　最近几年，工业自动化技术领域出现了一个很明显的趋势，即传统自动化技术与IT技术加速了融合的过程，IT技术也正在快速地进入工业自动化系统的各个层面。上海工业自动化仪表研究院教授级高工缪学勤对此评价道：“目前，IT技术已经快速渗入工业自动化领域。但在之前的几年，我们过多地强调了自动化领域要求的特殊性，而忽视了两者的关系，导致两者没有得到很好的结合，制约了IT信息技术在工业自动化领域的同步发展。”

　　过程制造业中的无线网络可能会与用户IT的技术范围关联性较强，因此，如何将两者有机结合这一问题显得至关重要。但目前的现状是，IT部门对于无线技术在工厂环境下的工作机制并不熟悉。那么，如何将IT部门中颇有价值的经验和相关资源运用到无线网络的设计与启动中，十分值得探讨与研究。

　　从表面看，过程自动化与办公自动化网络之间，似乎不存在任何交集。因此，过程自动化系统一般都独立于信息技术部门，同时IT方面的相关政策也不影响工厂的运营。

　　但是，2010年7月19日，德国西门子公司证实，其广泛应用的工业控制系统受到了黑客制造的恶意代码攻击。这个名为Stuxnet的恶意代码利用了微软最新曝出的“Microsoft Windows快捷方式自动执行漏洞”这一高危漏洞，并借助U盘进行传播，目标是入侵西门子的Simatic WinCC和PCS 7数据采集与SCADA系统，窃取工业设计和控制文件。这个事件的发生，也为工业网络安全敲响了警钟。

　　这一事件的发生也解释了无线技术在监测领域得到推广，而在控制与安全领域存在诸多限制的原因。缪学勤介绍，目前，无线Hart变送器普遍用于现场层，正处于推广应用阶段，推进速度相对较快;而执行器在安全性与可靠性方面存在许多尚未解决的问题，因此其应用还十分有限。据了解，在工业自动化企业，IT部门的职责大概包括确保信息安全与相关基础设施安全等方面，同时他们也会关注无线网络项目后续的维护与支持工作，以此来判断是否会对他们的工作内容产生影响。因此，缪学勤建议说：“要尽早与企业中IT部门的工程师进行密切沟通与合作，这对于现场和工厂无线网络的有效实施大有裨益。”

　　在工业领域，无线网络的安全性是否要比有线网络差 其实，并不尽然。事实上，有线网络和无线网络都容易受到攻击，一个设计合理、制作精良、安装正确、运行正常的无线网络实际上要比一般的有线网络更为安全、可靠。目前工业用的绝大部分无线解决方案，完全不同于以往的办公和自动化网络。中国仪器仪表学会名誉理事夏德海介绍，这些应用领域的无线解决方案在设计时都将安全性放在首位，提升安全性的措施大致包括加密技术、鉴定和验证、密钥管理和抗干扰设计等等，这些都可防止任何未经授权而进行的网络数据访问。其实在以往的有线网络中，这些安全功能往往被忽略掉，单纯地依赖于机械隔离并不能使安全水平提高。所以，正如缪学勤建议的那样，只要IT部门与无线设备制造商通力合作，在具体的应用项目中才能够设计出最适用的安全技术。

　　IT领域的黑客行为往往出于经济目的，但工业网络中信息侵入的目的就显得更为复杂与危险。因此，工业网络安全理应受到更多的关注。IT领域先进的安全理念，也应该更多地在无线网络中得以应用与发展。

　　解读无线技术发展走向如何提高电池寿命

　　随着无线技术的推广应用与技术本身逐渐成熟，无线产品的成本已经在逐步走低。据缪学勤介绍，低功耗芯片的制造、电池的可再生能源开发以及供电方式都在改善之中。为了增强电池寿命，各大公司也纷纷采取了措施，如艾默生将无线变送器的电子元件和发射元件进行了低功耗改造，相比原来传统的有线变送器，耗电量大大降。同时，在网关的统一管理下，自组织网络中的节点，也就是现场无线变送器，只有收发信息时才会耗电，其他情况均保持休眠状态，几乎没有电能消耗，这也大大增强了电池的寿命。

　　物联网深化无线技术发展

　　目前，物联网行业的火热也在一方面助推了无线技术的发展，拓宽了无线技术的应用领域。据夏德海介绍，物联网为无线传感器带来了新的发展空间。在感知层，无线技术应用的比较多;网络层中，有线技术应用较为普遍，无线技术也逐渐加入其中。同时，无线传输技术非常丰富，其中许多方式具有价格低廉、功耗低等特点，在一些行业中能被大规模应用，如GPRS。另外，Wi-Fi凭借组网结构简单、建设方便快捷等特点，得到了人们的关注。随着物联网的发展，Wi-Fi作为目前应用最广泛的无线通信技术之一，将会发挥重要作用。基于Wi-Fi无线技术，构建无线传输网与传感网相结合的融合应用，将成为物联网产业链中非常重要的组成部分。 应用领域更为广阔

　　随着越来越多的公司加入到无线产品应用行列中来，各大公司开始专门定制工厂环境下坚固耐用的无线产品。这些公司通过选用正确的基础设施和无线技术，提高其工业网络的性能。无线产品价格下降，也促进了公司将现有的有线网络转化为无线网络，或将两者同时配合使用。

　　缪学勤举例说：“一个污水处理厂从离中控室几百米的地方汲水，用无线网络能节省大量的费用。状况监视应用无线网络同样能减少部件费用，例如用于监视旋转功能的集电环在无线条件下就无须购买，可以用一个无线传感器代替。”这样，通过无线网络就可以对污水处理设备的运行状态进行同步监测和控制。当监控中心出现现场污水处理报警时，报警内容和报警地点将以中文短信方式发送到管理人员的手机上。因此，许多用户已经将无线技术看做是下一个技术腾飞的基础，因为这一方面提升了工厂效能，另一方面也提高了用户使用的便利性。

　　观察：无线工厂的新进展

　　无线工厂解决方案的进展速度是怎样的 这并不是一个容易回答的问题。尽管当技术的发展速度与应用的推广速度并不完全匹配时，实际的潜在用户似乎更关注后者，同时也关注有可能对未来决策产生影响的示范性实例。

　　的确，相比之下，既有的成功案例对工业用户的说服力极为可观，越来越多的无线应用实例也正在敲响用户的大门，但这并不意味着技术的循序渐进对人们失去了吸引力。

当前的改善要点是什么

　　对于用户来说，及时了解主流无线解决方案厂商正在努力改善的方向，以及他们的实时进展，这些行为是不无裨益的。从一定程度上来说，这些也能够为用户判断这些无线方案的优势与不足提供参考。

　　艾默生过程控制有限公司智能无线部门高级无线技术经理姚永斌指出，艾默生的智能无线现场方案分为数据采集、数据传输与数据集成等几大功能，而考察艾默生智能无线现场方案的新进展，也可以参照这几方面来一一归纳。

　　他指出，在数据采集方面，艾默生大量无线仪表的应用已经非常普及，而艾默生今后在这方面的主要工作是进一步丰富无线仪表的种类，其目标是实现测量类型多样、产品性能分档以及覆盖多种应用。

　　而在数据传输及控制功能这方面，是由智能无线网关产品来实现的，在这方面的进展则主要是性能持续优化以及进一步提高可靠性，以达到常规控制的要求，比如网关冗余等。

　　现场数据的集成，则主要是指与上位机DCS、PLC等无缝集成。在这方面，除了与艾默生自己的专家控制系统和过程控制软件可以实现无缝集成外，其网关在现场也能与各主流系统顺利集成，另外由于支持IEC62591(WirelessHART)开放协议，艾默生智能网关还能够对支持相同协议的非艾默生仪表兼容并蓄。

　　此外，姚永斌也指出，尽管无线现场方案一直是艾默生的重点，但目前工厂用户要求现场方案和工厂方案一体化的倾向越来越明显，这促使艾默生与IT供应商也展开联合，共同推出从下层到上层的一体化无线网络。据他介绍：“当前由艾默生主导的一体化无线方案已在国内很多用户处成功发挥效能。”

　　而对于霍尼韦尔而言，此时讨论无线方案的进展问题似乎正逢其时。在不久之前的用户大会上，霍尼韦尔(中国)有限公司发布了其最新版本的无线解决方案Onewireless R200，霍尼韦尔过程控制部无线业务经理江天生对这一最新版本的改善之处作了如下的概括。

　　首先，用户可以藉由OneWireless主干网络，使其无线现场仪表达到与有线系统几乎相当的性能，这些性能包括与有线方式相当的刷新速度和时间滞后范围、无线通讯的冗余设计和跳频设计、无线网关的冗余设计、与系统的内嵌式数据集成，以及现场无线仪表的组态和升级。

　　其次，新版本网络的规模更加灵活。无线网络既可以应用于简单的、无线变送器本身具有路由功能的现场仪表无线网络;也可以应用于覆盖全厂的、多无线应用的场合。据此，用户可以灵活设计出最有效和最经济的无线网络。而最后一个变化之处则是用户使用的简易性，这种简易性体现在对无线变送器、无线模块、现场接入点及无线管理平台的自由设置之上。

　　市场推广的进展如何

　　近年来无线应用实例的不断增加，应该有理由使无线方案提供商保持相对乐观的态度。不难看到，在今天，厂商们在谈到国内的无线应用情况时，可展示的案例与信息越来越充分，这与一开始供应商们缺乏国内实证的情况是有区别的。这似乎也可以佐证，无线方案的市场的确在向乐观的方向发展。

　　谈到这一话题，艾默生智能无线部门高级无线技术经理姚永斌认为，与三年前的情况相比，大多数流程行业的用户已经具备了认可和接收智能无线方案的条件，转而开始在新建项目和改造项目中争相使用。

　　他透露，艾默生已经积累了三百余个无线用户，而其中五十多家用户已经正式投运，且效果非常显著。基于这一事实，他进一步谈到：“今后，艾默生会不断加大对无线的投资，继续推进和完善无线业务，我们可以毫不夸张地预言，无线技术必将在未来进入流程行业的主流，大行其道。”

　　而霍尼韦尔的江天生同样保持了乐观的态度，他认为在现阶段，用户对工业无线技术所带来的技术优势和经济节省已经完全认可。而谈到未来对无线技术的定位，江天生谈到：“工业无线技术不仅可以用于监测，还可以用于控制，因此无线技术今后在工业领域的应用潜力非常大。无线技术可以应用在很多场合，和有线的方案相互相承，共同融合。”

　　具体到应用的实例，罐区显然成为了无线方案的一个热门应用场合。江天生表示，霍尼韦尔在国内刚刚赢得的一个大项目中，无线变送器被大规模应用在原料罐区、中间罐区乃至产品罐区的数据采集，主要的好处是节省了大量的安装费用和时间，实现了成本的节约。而艾默生的姚永斌对无线方案在罐区的规模应用，也感到非常欣慰，他谈到，在一些石化的油库罐区，尤其是贸易交接的国家战略性储备油库，无线技术的使用还可以大大增强关键数据的可靠性，完善罐区的管理。

　　这些问题是否仍需解决

　　应该承认，对于无线解决方案而言，用户观念方面的进展是喜人的。至少，大多数人已不再会以安全性问题为理由，将无线方案生硬地拒之门外。尽管一些相关的讨论仍在继续，但人们已经更多地把注意力转向具体的应用问题，例如提升设备传输距离或是增强电池寿命等，这也从侧面表明情况开始向好的方向加速。

　　而以上被提及的两个问题，即提升设备传输距离以及增强电池寿命，也的确值得讨论，这些方面的改进，将意味着更灵活的组网、更便捷的维护和成本的进一步节省，这对用户意义重大。

针对这方面可能出现的担忧，江天生表示，Onewireless R200版本无线架构非常灵活，用户可以根据特定的需求场合和传输距离，设计最优的工业无线架构，这使单个仪表的传输距离已不再是问题。而经过发展和改进，无线变送器的电池寿命也已达到足够令使用者满意的程度，如在1秒刷新常温情况下可达4.5年，5秒刷新情况下则可达10年。不仅如此，无线变送器配置独特的自适应功能，可以自动调节最优的发射功率，进一步降低功耗。

　　而在这些方面，艾默生也在进行持续改进。姚永斌指出，在传输距离方面，艾默生推出了两种无线天线，一种是普通天线，传输距离一般可以达到300米，另一种是增强型天线，收发信号更强，距离可达到800米。

　　他透露，艾默生在中东巴林一家油田的现场，使用增强型天线的变送器传输距离实际达到了1700米。此外，为了进一步增加设备传输距离，满足空旷地区的应用，设备之间可以增加路由，具体数量则视情况而定。

　　他进一步指出，无线方案中使用的电池为非充电、高性能、高密度、长寿命的锂电池。一般情况下，可以在现场正常工作5～10年。为了增强电池寿命，艾默生还采取了如下措施。一方面，无线变送器的电子元件和发射元件进行了低功耗改造，相比原来传统的有线变送器，耗电量大大降低;另一方面，自组织网络中的节点在网关的统一管理下，只有收发信息时才会耗电，其他情况均保持休眠状态，几乎没有电能消耗。同时，网关可以进行独特的最小化能源管理，动态优化整个网络的电源消耗，以平衡各设备的负荷。