我國是國際上較早開展流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的國家之一，在本世紀(jì)初，國家自然科學(xué)基金委員會對傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和技術(shù)方面的研究工作開始給予支持，奠定了我國流程行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)相關(guān)工作的基礎(chǔ)。2006年7月，由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所牽頭，組建了工業(yè)無線聯(lián)盟。與此同時，科技部和中國科學(xué)院啟動了工業(yè)無線技術(shù)的重點(diǎn)支持計劃，并將工業(yè)無線技術(shù)被列為我國十一五“863”計劃先進(jìn)制造領(lǐng)域“工業(yè)無線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)研究與開發(fā)”重點(diǎn)項目，突破了基于射頻環(huán)境認(rèn)知和自適應(yīng)跳頻的高可靠通信技術(shù)、基于高精度同步和事件驅(qū)動的低能耗技術(shù)和基于空間、時間、頻率多維調(diào)度的實(shí)時通信技術(shù)等工業(yè)無線通信的核心技術(shù)。

中國工業(yè)無線聯(lián)盟連續(xù)攻克了無線技術(shù)在工業(yè)測控應(yīng)用中的可靠性、實(shí)時性、低功耗等技術(shù)難點(diǎn)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，構(gòu)建了由多項專利組成的核心自主技術(shù)系統(tǒng)，并在化工、采油等領(lǐng)域進(jìn)行了成功的示范應(yīng)用。

2008年10月，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組完成了WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation，工業(yè)過程自動化的無線網(wǎng)絡(luò)）國家標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿，并于2010年12月報批；2011年7月29日，WIA-PA發(fā)布為GB/T26790.1-2011中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)。這份標(biāo)準(zhǔn)以過程自動化為對象，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，形成我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。

WIA-PA國際標(biāo)準(zhǔn)的起草與國家標(biāo)準(zhǔn)同步推進(jìn)，2008年5月，IEC/TC65成立了WIA-PA國際標(biāo)準(zhǔn)起草項目組，德國、法國、美國、日本、瑞典都指派專家參加WIA-PA國際標(biāo)準(zhǔn)起草項目組，啟動WIA-PA的IEC正式國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。德國西門子、美國愛默生過程管理、法國施耐德、日本橫河電機(jī)等公司也紛紛通過本國標(biāo)準(zhǔn)委員會派專家參加WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)工作組的研討會，這標(biāo)志著我國自主研發(fā)的工業(yè)無線技術(shù)得到世界范圍的廣泛認(rèn)可。

2008年10月31日，經(jīng)過IEC全體成員國的投票，WIA-PA規(guī)范作為公共可用規(guī)范IEC/PAS62601予以發(fā)布。2011年10月14日，經(jīng)國際電工委員會工業(yè)過程測量、控制與自動化技術(shù)委員會IEC/TC65的26個成員國投票，由我國負(fù)責(zé)制定的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案，最終以100%的通過率，成為正式IEC國際標(biāo)準(zhǔn)：IEC62601 Ed.1:Industrial Communication Networks Fieldbus Specifications-WIA-PA Communication Network and Communication Profile（工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線規(guī)范 WIA-PA通信網(wǎng)絡(luò)與通信規(guī)范），從而使WIA-PA國際標(biāo)準(zhǔn)（編號：65C/596/C）成為現(xiàn)今工業(yè)無線領(lǐng)域三大主流國際標(biāo)準(zhǔn)之一，2015年WIA-PA還成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的WIA-PA技術(shù)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，具有重要的意義，標(biāo)志著在工業(yè)無線領(lǐng)域，中國已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)先的國家之一。WIA-PA技術(shù)的應(yīng)用，將有助于降低企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)和使用的風(fēng)險，保障產(chǎn)業(yè)安全，擴(kuò)大我國相關(guān)領(lǐng)域自動化產(chǎn)品所占據(jù)的市場份額，為工業(yè)化和信息化的融合提供高端解決方案，促進(jìn)我國工業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

無線電標(biāo)準(zhǔn)：基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為250kbps；

頻段：2.4GHz；

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：一個網(wǎng)關(guān)可以管理100臺或最多的現(xiàn)場設(shè)備，系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)互連多個網(wǎng)關(guān)形成大規(guī)模的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；

傳輸距離：工業(yè)環(huán)境室內(nèi)200m，室外800m；

可靠性：數(shù)據(jù)可靠性大于99%，自適應(yīng)跳頻技術(shù)，避免干擾，冗余路由技術(shù)，自組織修復(fù)網(wǎng)絡(luò)；

安全性：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備鑒權(quán)與認(rèn)證，基于工業(yè)認(rèn)證的數(shù)據(jù)加密技術(shù)；

兼容性：支持HART命令，兼容無線HART標(biāo)準(zhǔn)；

電源：網(wǎng)關(guān)外接電源供電，現(xiàn)場設(shè)備普通鋰電池供電，壽命為1~5年，具體情況取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及設(shè)備采集數(shù)據(jù)的刷新率；

刷新率：刷新率可配置，可調(diào)范圍為1s~1h。

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)支持星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、Mesh網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型加Mesh網(wǎng)狀結(jié)合的兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例如圖1所示，僅由網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場設(shè)備（或手持設(shè)備）構(gòu)成，使現(xiàn)場設(shè)備協(xié)議的復(fù)雜性降低了，而現(xiàn)場設(shè)備加入和退出網(wǎng)絡(luò)的靈活性增加了。

 圖1  WIA-PA網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Mesh網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，現(xiàn)場設(shè)備兼有路由設(shè)備功能，而每臺現(xiàn)場設(shè)備的無線傳輸路徑可能有多條。

圖2  WIA-PA網(wǎng)絡(luò)Mesh網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型和Mesh網(wǎng)狀結(jié)合的兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，第一層是Mesh網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)及路由設(shè)備構(gòu)成，用于系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡(luò)管理器和安全管理器，在實(shí)現(xiàn)時可位于網(wǎng)關(guān)或主控計算機(jī)中；第二層是星型結(jié)構(gòu)，又稱為簇，由路由設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備或手持設(shè)備構(gòu)成，路由設(shè)備承擔(dān)簇首功能，現(xiàn)場設(shè)備或手持設(shè)備承擔(dān)簇成員功能。簇結(jié)構(gòu)是一種能量利用率高、數(shù)據(jù)傳輸簡單的網(wǎng)絡(luò)，每個簇通過簇首管理或控制簇內(nèi)所有簇成員，協(xié)調(diào)成員之間的工作，負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集、數(shù)據(jù)的融合處理及簇間轉(zhuǎn)發(fā)，所有該簇成員通過簇首才能與網(wǎng)關(guān)通信。

 圖3  WIA-PA網(wǎng)絡(luò)星型和Mesh網(wǎng)狀結(jié)合的兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WIA-PA無線系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，特別是在石油、鋼鐵、化工、市政等行業(yè)應(yīng)用較多。

4.1 鞍鋼冷軋廠連續(xù)退火生產(chǎn)線

鞍鋼冷軋廠連續(xù)退火生產(chǎn)線有數(shù)百個軋輥，軸承是軋輥運(yùn)轉(zhuǎn)過程中最重要的零件之一，軸承在發(fā)生故障時通常伴隨有溫度變化，通過對軸承的健康狀態(tài)在線檢測是保證生產(chǎn)長期、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。安裝在軋輥非電機(jī)側(cè)軸承座上的WIA-DS18B無線溫度變送器實(shí)時檢測軸承溫度，在現(xiàn)場200m×20m×30m范圍內(nèi)布置了406個測點(diǎn)（見圖4）。

 圖4  軋輥軸承健康狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

在以往的生產(chǎn)過程中，軸承工況很難實(shí)時監(jiān)測，設(shè)備異常工況不能及時發(fā)現(xiàn)，而軸承損壞導(dǎo)致停產(chǎn)損失，反過來又導(dǎo)致軸承提前報廢。當(dāng)基于WIA-PA技術(shù)的健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用后，可以大大降低連續(xù)過程工業(yè)中的非正常停機(jī)事故，實(shí)現(xiàn)整體效益的提升。據(jù)統(tǒng)計，項目實(shí)施前，非正常停機(jī)事故每年4次，項目實(shí)施后，非正常停機(jī)事故消除，增加產(chǎn)量1738t；項目實(shí)施前，每次停機(jī)事故產(chǎn)生廢品72t，項目實(shí)施后，無停機(jī)事故產(chǎn)出廢品；項目實(shí)施前，每年消耗軋輥8根、輥軸承40套，項目實(shí)施后，每年消耗軋輥4根、輥軸承20套；項目實(shí)施前，輥軸承解體檢查周期2年，每年更換40套，項目實(shí)施后，輥軸承解體檢查周期4年，每年更換20套；項目實(shí)施前，能耗費(fèi)用為198.86萬元，項目實(shí)施后，能耗費(fèi)用為182.44萬元。

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行多年，數(shù)據(jù)傳輸可靠性超過99%。在生產(chǎn)中該系統(tǒng)已多次成功對事故進(jìn)行預(yù)警，大大減輕了現(xiàn)場工人勞動強(qiáng)度。

4.2 力達(dá)寧化工公司二異丙基苯胺項目

中科院沈陽自動化研究所與鞍山焦耐院等單位合作，為江蘇灌云力達(dá)寧化工公司二異丙基苯胺項目設(shè)計投運(yùn)了WIA-PA無線系統(tǒng)。該生產(chǎn)裝置含原料罐、緩沖罐、反應(yīng)釜、精餾塔、成品罐等，共使用了無線溫度變送器14臺、無線壓力變送器3臺、無線液位變送器3臺、無線流量變送器4臺、配電動執(zhí)行器的無線I/O變送器13臺（見圖5），總計37臺。系統(tǒng)配了2臺DW1068無線網(wǎng)關(guān)，分別組成兩個網(wǎng)絡(luò)，一個用來管理溫度、壓力、液位、流量等無線變送器，另一個用于13臺電動執(zhí)行器的控制。

 圖5 二異丙基苯胺項目現(xiàn)場無線設(shè)備安裝示意圖

令人感興趣的是在項目的反應(yīng)釜部分，分別進(jìn)行如下回路實(shí)現(xiàn)了自動控制：采用無線壓力變送器監(jiān)測氮?dú)饩彌_罐的壓力，通過變頻器控制反應(yīng)釜電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)原料的進(jìn)入；采用無線溫度變送器監(jiān)測反應(yīng)釜的溫度，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油的流量，起到控制反應(yīng)釜溫度的作用；采用無線壓力變送器監(jiān)測反應(yīng)釜中的壓力，調(diào)節(jié)閥門，起到控制反應(yīng)釜壓力的作用。

投運(yùn)后，不僅檢測的數(shù)據(jù)可靠，還實(shí)現(xiàn)了上述參數(shù)的自動控制。由于刷新速率為1s，對參與控制的節(jié)點(diǎn)信息設(shè)置了高優(yōu)先級，使之能獲得更多的通信資源，而只進(jìn)行信息采集的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級低，通信資源較少，因而保障了系統(tǒng)整體的QoS和通信資源分配的有效性。參與控制的節(jié)點(diǎn)，由DCS發(fā)送命令到執(zhí)行器的電流信號平均時延在1s之內(nèi)，保證了控制回路響應(yīng)迅速、反饋及時，控制系統(tǒng)的質(zhì)量可以滿足生產(chǎn)需要，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

4.3 新疆油田公司采油二廠

新疆油田公司采油二廠在部分井口采用了油井遠(yuǎn)程計量和優(yōu)化控制系統(tǒng)，井口安裝的載荷、壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、流量計、電參數(shù)等傳感器將采集的數(shù)據(jù)，通過WIA-PA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給RTU測控主機(jī)，RTU測控主機(jī)將數(shù)據(jù)打包處理后，通過網(wǎng)關(guān)、有線網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到控制室，進(jìn)入油田公司數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，而后數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)服務(wù)器被接收、解析、存儲和發(fā)布，同時被提交給油田公司公共數(shù)據(jù)平臺，用于對油井工況數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)傳計量、工況分析、產(chǎn)液量計算分析、產(chǎn)生生產(chǎn)報表，用戶還可通過遠(yuǎn)程查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，圖6為系統(tǒng)概貌圖。

 圖6  油井遠(yuǎn)程計量和優(yōu)化控制系統(tǒng)概貌圖

現(xiàn)場井口區(qū)存在較強(qiáng)的WLAN信號干擾，WLAN干擾信號強(qiáng)度高達(dá)-40dBm，且WLAN設(shè)備占用整個2.4GHz公用頻段帶寬的2/3，現(xiàn)場無線環(huán)境十分惡劣。現(xiàn)場曾有多個廠商進(jìn)行了其他無線系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用，因這些無線系統(tǒng)的無線設(shè)備系單信道、無抗干擾機(jī)制，使用效果不佳；而采用WIA-PA無線設(shè)備，具備自適應(yīng)跳頻功能，可以選擇WLAN設(shè)備未占用的幾個信道，從而避開干擾。

通過控制臺管理整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)情況，一臺無線網(wǎng)關(guān)可以同時管理20口井。網(wǎng)絡(luò)整體通信性能穩(wěn)定，井口生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，通信成功率基本達(dá)到100%，完全滿足客戶的要求，目前無線設(shè)備應(yīng)用規(guī)模已達(dá)500點(diǎn)。

4.4 印尼望加錫臨海罐區(qū)

印度尼西亞國家石油和天然氣公司（PERTAMINA）望加錫臨海罐區(qū)長期以來儲罐液位的管理主要靠人工進(jìn)行，需要有經(jīng)驗(yàn)的工人利用尺子對各儲罐的液位高度進(jìn)行測量（即“人工檢尺”）來監(jiān)視油罐，沒有形成真正意義上的監(jiān)控系統(tǒng)。由于望加錫油港罐區(qū)面積大、儲罐間距離遠(yuǎn)和環(huán)境惡劣，“人工檢尺”的工作量很大，但仍然很難保證罐區(qū)不發(fā)生滿罐溢流故障。

北京天宇藍(lán)翔科技發(fā)展有限公司向印尼望加錫臨海罐區(qū)提供了罐區(qū)滿溢監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方法的實(shí)施方案，廣州中科院沈陽自動化研究所分所提供了WIA-PA無線傳輸?shù)募夹g(shù)支持，罐區(qū)滿溢監(jiān)控系統(tǒng)見圖7。

 圖7  罐區(qū)滿溢監(jiān)控系統(tǒng)

儲罐滿溢狀態(tài)可靠的監(jiān)測采用配有基于WIA-PA無線傳輸節(jié)點(diǎn)的沉筒式液位開關(guān)，各節(jié)點(diǎn)將采集到的儲罐滿溢信號傳送到位于監(jiān)控站附近的DW1068無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)通過RS485接口、TCP/IP網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC監(jiān)控平臺。罐區(qū)滿溢報警系統(tǒng)，為該港口的安全生產(chǎn)提供了保障，系統(tǒng)自2013年4月實(shí)施以來運(yùn)行至今無故障。

WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠性、超低功率的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，相對于另外兩個國際標(biāo)準(zhǔn)WirelessHART、ISA100.11a來說，低成本和網(wǎng)絡(luò)安全對中國用戶來說是其最大的優(yōu)勢，所以近年來在國內(nèi)的使用日趨增多，我們可以期待WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，并在更多的場合得到應(yīng)用。