引用本文

于海斌, 曾鹏, 梁炜, 王忠锋, 刘阳, 许驰. 无线化工业控制系统: 架构、关键技术及应用. 自动化学报, 2023, 49(3): 540−549 doi: 10.16383/j.aas.c220571

Yu Hai-Bin, Zeng Peng, Liang Wei, Wang Zhong-Feng, Liu Yang, Xu Chi. Wireless industrial control system: Architecture, key technologies and applications. Acta Automatica Sinica, 2023, 49(3): 540−549 doi: 10.16383/j.aas.c220571

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c220571

关键词

工业控制系统，工业无线网络，管控平台，现场测控仪表，安全，能效 

摘要

大型生产设施的安全与能效监控, 迫切需要低功耗、高精度的泛在感知, 高实时、高可靠的无线传输以及动态灵活的生产管控. 为此, 本文首先提出一种扁平架构的无线化工业控制系统. 然后, 围绕感知、传输和控制等核心功能需求, 系统阐述了高实时高可靠的工业无线网络设计及其时−空−频三元联合调控方法, 感知终端的变周期精益采样和高能效精准时间同步方法, 以及管控平台的语义化互操作和赋时工作流模型等核心关键技术. 最后, 研发了面向石油高效采收和电网全域安全监测的无线化工业控制系统, 介绍了应用效果和成效.

文章导读

制造业和能源工业是实体经济的核心, 创造了我国约1/3的GDP[1], 实现其安全、低碳和高效运行意义重大. 据国家有关部门统计, 2021年我国由安全问题导致的生产事故3.46万起, 事故频发势头难以有效遏制[2]; 与此同时, 我国单位GDP能耗是世界平均水平的1.5倍, 工业节能提效对于实现“碳达峰、碳中和”意义重大[3].

工业控制系统, 为制造业和能源工业的安全稳定运行提供了重要支撑. 伴随信息通信技术与工业制造技术[4]的深化融合, 工业控制系统经历了数字化、网络化阶段, 并朝着智能化的方向发展. 其中, 集散式控制系统、现场总线控制系统是数字化和网络化阶段最典型的代表, 催生了Modbus、Profinet、EtherCat等近百种现场总线及工业以太网协议[5], 形成了异构协议多级层叠互联的经典工业控制系统架构[6].

然而, 随着现代工业生产不断地向着大型化和连续化发展, 特别是对于电力输送、石油生产等大型工业基础设施, 基于有线线缆的工业控制系统, 逐渐呈现出广域互联成本高而能力弱、感知深度与精度不够等突出问题. 美国总统科技顾问委员会在本世纪初指出: 工业无线控制的应用, 将使美国工业生产能耗降低10%、污染排放降低25%[7]. 为此, 学术界和工业界开始探索满足工业需求的无线网络技术, 推动工业控制系统的无线化进程. 主要代表性工作有: 艾默生、西门子等国际自动化公司组织制定了WirelessHART、ISA100.11a标准[8], 开展了从芯片、设备、仪表到平台软件的体系化研发, 力图率先突破无线化工业控制系统技术. 同一时期, 我国成立了工业无线技术联盟, 开展了无线化工业控制系统的技术攻关和全系列产品研发[9], 并制定了WIA-PA国际标准, 于2011年成为国际电工委员会(International Electro Technical Commission, IEC)国际标准.

面向采油井、电力网等大型工业基础设施的安全与能效监测, 由于检测参量多、设备规模大、系统空间分散, 构建无线化工业控制系统日益迫切, 但在感知、传输、控制等方面面临着诸多难题. 首先, 现有的WiFi、Bluetooth、Zigbee、NB-IoT、LoRa等无线网络技术不能满足工业控制的高实时高可靠通信要求[10-11]; 其次, 长期无人值守条件下, 实现3 ~5年不更换电池的低功耗无线传感, 仍存在技术缺失; 最后, 为实现系统跨域协同及扁平化管控, 系统的在线决策和服务化编程[12]等核心技术亟待突破.

针对上述难题, 本文围绕无线化工业控制系统扁平架构的构建, 系统性介绍了从无线网络、感知终端到管控平台的理论创新、技术突破及工程应用. 具体包括:

1) 构建了一种扁平架构的无线化工业控制系统;

2) 设计了“星−网”层叠拓扑的工业无线网络, 提出了“时−空−频”三元联合调控与优化方法;

3) 提出了变周期精益采样、高能效精准时间同步等无线感知终端低功耗关键技术;

4) 提出了支持决策与控制一体化的语义化互操作技术和赋时工作流模型.

在此基础上, 研发了包含现场测控仪表、网络传输设备、管控平台等全系列单元的无线化工业控制系统, 并针对石油开采和电力传输等典型行业开展工程应用与验证.

图 1  系统架构

图 2  星−网层叠拓扑

图 3  集中−分布的复合管理模式

本文聚焦于无线化工业控制系统这一自动化领域的变革性技术, 以我国自主研发的工业无线网络WIA-PA为背景, 从基础的系统架构开始, 到感知、传输和控制等关键技术, 详细介绍了我国近20年工业无线控制技术体系建立及系统构建的进展, 并以采油和电网生产监测为代表, 介绍了典型无线化工业控制系统的应用模式和成效.

未来, 随着海量异构工业设备的动态接入, 对网络的吞吐量、实时性、可靠性等方面的要求将进一步提升, 加强WIA-PA与5G等技术的融合具有极大应用前景. 进一步, 基于泛在感知获得的海量工业数据, 通过与云计算、边缘计算等信息技术结合, 将进一步推动数据驱动的工业控制与优化. 因此, 构建感知、传输、计算、控制一体化的新一代工业控制系统将是未来研究重点.

作者简介

于海斌

中国科学院沈阳自动化研究所研究员. 主要研究方向为工业控制网络与系统, 智能制造. 本文通信作者. E-mail: yhb@sia.cn

曾鹏

中国科学院沈阳自动化研究所研究员. 主要研究方向为工业无线传感器网络, 智能电网. E-mail: zp@sia.cn

梁炜

中国科学院沈阳自动化研究所研究员. 主要研究方向为工业无线网络及安全. E-mail: weiliang@sia.cn

王忠锋

中国科学院沈阳自动化研究所研究员. 主要研究方向为智能电网, 工业无线网络. E-mail: wzf@sia.cn

刘阳

中国科学院沈阳自动化研究所研究员. 主要研究方向为语义数据处理, 标识解析. E-mail: liuy@sia.cn

许驰

中国科学院沈阳自动化研究所研究员. 主要研究方向为工业控制网络, 工业互联网. E-mail: xuchi@sia.cn