我國是國際上較早開展流程行業(yè)無線網絡技術研發(fā)與應用的國家之一，在本世紀初，國家自然科學基金委員會對傳感器網絡基礎理論和技術方面的研究工作開始給予支持，奠定了我國流程行業(yè)無線網絡技術研發(fā)相關工作的基礎。2006年7月，由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭，組建了工業(yè)無線聯盟。與此同時，科技部和中國科學院啟動了工業(yè)無線技術的重點支持計劃，并將工業(yè)無線技術被列為我國十一五“863”計劃先進制造領域“工業(yè)無線技術及網絡化測控系統研究與開發(fā)”重點項目，突破了基于射頻環(huán)境認知和自適應跳頻的高可靠通信技術、基于高精度同步和事件驅動的低能耗技術和基于空間、時間、頻率多維調度的實時通信技術等工業(yè)無線通信的核心技術。

中國工業(yè)無線聯盟連續(xù)攻克了無線技術在工業(yè)測控應用中的可靠性、實時性、低功耗等技術難點，形成了具有自主知識產權的核心技術，構建了由多項專利組成的核心自主技術系統，并在化工、采油等領域進行了成功的示范應用。

2008年10月，標準起草工作組完成了WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation，工業(yè)過程自動化的無線網絡）國家標準的征求意見稿，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準。這份標準以過程自動化為對象，基于IEEE802.15.4標準，形成我國擁有自主知識產權的工業(yè)無線網絡規(guī)范。

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

2008年10月31日，經過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，經國際電工委員會工業(yè)過程測量、控制與自動化技術委員會IEC/TC65的26個成員國投票，由我國負責制定的工業(yè)無線網絡WIA-PA技術標準提案，最終以100%的通過率，成為正式IEC國際標準：IEC62601 Ed.1:Industrial Communication Networks Fieldbus Specifications-WIA-PA Communication Network and Communication Profile（工業(yè)通信網絡 現場總線規(guī)范 WIA-PA通信網絡與通信規(guī)范），從而使WIA-PA國際標準（編號：65C/596/C）成為現今工業(yè)無線領域三大主流國際標準之一，2015年WIA-PA還成為歐洲標準。

我國擁有自主知識產權的WIA-PA技術成為國際標準，具有重要的意義，標志著在工業(yè)無線領域，中國已經成為技術領先的國家之一。WIA-PA技術的應用，將有助于降低企業(yè)相關產品生產和使用的風險，保障產業(yè)安全，擴大我國相關領域自動化產品所占據的市場份額，為工業(yè)化和信息化的融合提供高端解決方案，促進我國工業(yè)節(jié)能減排目標的實現。

無線電標準：基于IEEE802.15.4標準，通信速率為250kbps；

頻段：2.4GHz；

網絡規(guī)模：一個網關可以管理100臺或最多的現場設備，系統可以通過以太網互連多個網關形成大規(guī)模的復雜網絡；

傳輸距離：工業(yè)環(huán)境室內200m，室外800m；

可靠性：數據可靠性大于99%，自適應跳頻技術，避免干擾，冗余路由技術，自組織修復網絡；

安全性：網絡設備鑒權與認證，基于工業(yè)認證的數據加密技術；

兼容性：支持HART命令，兼容無線HART標準；

電源：網關外接電源供電，現場設備普通鋰電池供電，壽命為1~5年，具體情況取決于網絡規(guī)模及設備采集數據的刷新率；

刷新率：刷新率可配置，可調范圍為1s~1h。

WIA-PA網絡支持星型拓撲結構、Mesh網狀拓撲結構和星型加Mesh網狀結合的兩層拓撲結構。

星型拓撲結構示例如圖1所示，僅由網關、現場設備（或手持設備）構成，使現場設備協議的復雜性降低了，而現場設備加入和退出網絡的靈活性增加了。

 圖1  WIA-PA網絡星型拓撲結構

Mesh網狀拓撲結構如圖2所示，現場設備兼有路由設備功能，而每臺現場設備的無線傳輸路徑可能有多條。

圖2  WIA-PA網絡Mesh網狀拓撲結構

星型和Mesh網狀結合的兩層拓撲結構如圖3所示，第一層是Mesh網狀結構，由網關及路由設備構成，用于系統管理的網絡管理器和安全管理器，在實現時可位于網關或主控計算機中；第二層是星型結構，又稱為簇，由路由設備、現場設備或手持設備構成，路由設備承擔簇首功能，現場設備或手持設備承擔簇成員功能。簇結構是一種能量利用率高、數據傳輸簡單的網絡，每個簇通過簇首管理或控制簇內所有簇成員，協調成員之間的工作，負責簇內信息的收集、數據的融合處理及簇間轉發(fā)，所有該簇成員通過簇首才能與網關通信。

 圖3  WIA-PA網絡星型和Mesh網狀結合的兩層拓撲結構

WIA-PA無線系統已經得到廣泛的應用，特別是在石油、鋼鐵、化工、市政等行業(yè)應用較多。

4.1 鞍鋼冷軋廠連續(xù)退火生產線

鞍鋼冷軋廠連續(xù)退火生產線有數百個軋輥，軸承是軋輥運轉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長期、連續(xù)、穩(wěn)定運行的重要手段。安裝在軋輥非電機側軸承座上的WIA-DS18B無線溫度變送器實時檢測軸承溫度，在現場200m×20m×30m范圍內布置了406個測點（見圖4）。

 圖4  軋輥軸承健康狀態(tài)在線監(jiān)測系統

在以往的生產過程中，軸承工況很難實時監(jiān)測，設備異常工況不能及時發(fā)現，而軸承損壞導致停產損失，反過來又導致軸承提前報廢。當基于WIA-PA技術的健康監(jiān)測系統應用后，可以大大降低連續(xù)過程工業(yè)中的非正常停機事故，實現整體效益的提升。據統計，項目實施前，非正常停機事故每年4次，項目實施后，非正常停機事故消除，增加產量1738t；項目實施前，每次停機事故產生廢品72t，項目實施后，無停機事故產出廢品；項目實施前，每年消耗軋輥8根、輥軸承40套，項目實施后，每年消耗軋輥4根、輥軸承20套；項目實施前，輥軸承解體檢查周期2年，每年更換40套，項目實施后，輥軸承解體檢查周期4年，每年更換20套；項目實施前，能耗費用為198.86萬元，項目實施后，能耗費用為182.44萬元。

系統穩(wěn)定運行多年，數據傳輸可靠性超過99%。在生產中該系統已多次成功對事故進行預警，大大減輕了現場工人勞動強度。

4.2 力達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，為江蘇灌云力達寧化工公司二異丙基苯胺項目設計投運了WIA-PA無線系統。該生產裝置含原料罐、緩沖罐、反應釜、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。系統配了2臺DW1068無線網關，分別組成兩個網絡，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場無線設備安裝示意圖

令人感興趣的是在項目的反應釜部分，分別進行如下回路實現了自動控制：采用無線壓力變送器監(jiān)測氮氣緩沖罐的壓力，通過變頻器控制反應釜電機的轉速，從而調節(jié)原料的進入；采用無線溫度變送器監(jiān)測反應釜的溫度，通過調節(jié)導熱油的流量，起到控制反應釜溫度的作用；采用無線壓力變送器監(jiān)測反應釜中的壓力，調節(jié)閥門，起到控制反應釜壓力的作用。

投運后，不僅檢測的數據可靠，還實現了上述參數的自動控制。由于刷新速率為1s，對參與控制的節(jié)點信息設置了高優(yōu)先級，使之能獲得更多的通信資源，而只進行信息采集的節(jié)點優(yōu)先級低，通信資源較少，因而保障了系統整體的QoS和通信資源分配的有效性。參與控制的節(jié)點，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，保證了控制回路響應迅速、反饋及時，控制系統的質量可以滿足生產需要，保證了產品的質量。

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程計量和優(yōu)化控制系統，井口安裝的載荷、壓力、電機轉速、流量計、電參數等傳感器將采集的數據，通過WIA-PA網絡發(fā)送給RTU測控主機，RTU測控主機將數據打包處理后，通過網關、有線網或GPRS網絡上傳到控制室，進入油田公司數據網關，而后數據進入系統服務器被接收、解析、存儲和發(fā)布，同時被提交給油田公司公共數據平臺，用于對油井工況數據實時監(jiān)測、遠傳計量、工況分析、產液量計算分析、產生生產報表，用戶還可通過遠程查詢相關數據，圖6為系統概貌圖。

 圖6  油井遠程計量和優(yōu)化控制系統概貌圖

現場井口區(qū)存在較強的WLAN信號干擾，WLAN干擾信號強度高達-40dBm，且WLAN設備占用整個2.4GHz公用頻段帶寬的2/3，現場無線環(huán)境十分惡劣?，F場曾有多個廠商進行了其他無線系統的相關應用，因這些無線系統的無線設備系單信道、無抗干擾機制，使用效果不佳；而采用WIA-PA無線設備，具備自適應跳頻功能，可以選擇WLAN設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絡設備組網情況，一臺無線網關可以同時管理20口井。網絡整體通信性能穩(wěn)定，井口生產過程數據準確，通信成功率基本達到100%，完全滿足客戶的要求，目前無線設備應用規(guī)模已達500點。

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行，需要有經驗的工人利用尺子對各儲罐的液位高度進行測量（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。由于望加錫油港罐區(qū)面積大、儲罐間距離遠和環(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，系統采用了WIA-PA工業(yè)無線網絡傳輸方法的實施方案，廣州中科院沈陽自動化研究所分所提供了WIA-PA無線傳輸的技術支持，罐區(qū)滿溢監(jiān)控系統見圖7。

 圖7  罐區(qū)滿溢監(jiān)控系統

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)點的沉筒式液位開關，各節(jié)點將采集到的儲罐滿溢信號傳送到位于監(jiān)控站附近的DW1068無線網關，無線網關通過RS485接口、TCP/IP網橋將數據傳輸到PLC監(jiān)控平臺。罐區(qū)滿溢報警系統，為該港口的安全生產提供了保障，系統自2013年4月實施以來運行至今無故障。

WIA-PA無線網絡是一種高可靠性、超低功率的工業(yè)無線網絡，相對于另外兩個國際標準WirelessHART、ISA100.11a來說，低成本和網絡安全對中國用戶來說是其最大的優(yōu)勢，所以近年來在國內的使用日趨增多，我們可以期待WIA-PA無線網絡將進一步擴大應用范圍，并在更多的場合得到應用。