無線儀表屬于遠程終端系統(tǒng)中的一個配件，本身帶無線數(shù)據(jù)傳輸，能直接將數(shù)字信號傳輸?shù)交?，通過一定的協(xié)議到上位機。無線儀表主要用于無線測控，無線遙控，無線PLC，無線LED顯示屏等。而 在過去兩年里，油氣行業(yè)的創(chuàng)新者們已經(jīng)體驗并證實了無線監(jiān)測儀表在遠程或難以到達區(qū)域中的應用價值，但若在這些應用中如果采用有線設(shè)備，那么所需的高昂建設(shè)成本將是無法承受的。因此，無論從運行性能還是成本考慮，無線方案都具有很大優(yōu)勢，而且安全可靠，可以廣泛應用于傳統(tǒng)采用有線方案的上游作業(yè)中。

傳統(tǒng)的接線依然會用于連續(xù)控制，如海上平臺和煉油廠， 以及安全系統(tǒng)。但無線技術(shù)已普遍應用于現(xiàn)有工廠裝置中，目前，無線儀表已經(jīng)是工廠安全解決方案中的基本要素。隨著無線儀表在石油、天然氣、石油化工和化工等能源等過程控制行業(yè)的廣泛運用，其所具有的諸多優(yōu)點得到體現(xiàn)，例如：允許安裝在難以接近的位置并降低安裝成本。

無線儀表屬于遠程終端系統(tǒng)中的一個配件，本身帶無線數(shù)據(jù)傳輸，能直接將數(shù)字信號傳輸?shù)交?，通過一定的協(xié)議到上位機。無線儀表主要用于無線測控，無線遙控，無線PLC，無線LED顯示屏等。

對于氣體檢測系統(tǒng)來說，其操作常常受到諸如安裝位置和環(huán)境條件等因素的影響，并且在系統(tǒng)安裝后，為了優(yōu)化整體配置，也許需要偶爾改變檢測設(shè)備的位置和數(shù)量。使用無線技術(shù)可以消除對布線的擔心，從而極大地促進了移動和/或安裝附加檢測設(shè)備的過程，大大簡化了上述不利條件的影響。

為了在使用具有安全儀表系統(tǒng)的無線氣體探測器時，實現(xiàn)SIL2等級降低風險，需要符合IEC 61508國際標準規(guī)定的功能安全要求的通信協(xié)議。為了滿足這一需求，橫河電機提供基于ProSafe-RS安全儀表系統(tǒng)和SIL2無線氣體檢測系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，這也是全世界第一套符合SIL認證的安全儀表無線氣體探測器解決方案。

橫河SIL認證的安全儀表無線氣體探測器解決方案構(gòu)成：

2017年9月，橫河電機發(fā)布ProSafe-RS® SIL2無線氣體檢測系統(tǒng)的整體解決方案。該解決方案構(gòu)成如下圖1所示：

圖1 橫河無線SIL2氣體檢測系統(tǒng)解決方案構(gòu)成

• ProSafe-RS系統(tǒng)：由ProSafe-RS操作站和ProSafe-RS控制器及相應卡件構(gòu)成；
• ISA100無線通信系統(tǒng)：由YFGW410無線管理站和YFGW510無線接入點構(gòu)成；
• 無線氣體探測器：GS01或GS01-EA。

整個系統(tǒng)通過了ISA的SIL2級認證，要使整個系統(tǒng)的可用性最強，系統(tǒng)的所有組件均可以采用冗余設(shè)計，即：ProSafe-RS系統(tǒng)冗余，ISA100無線通信系統(tǒng)冗余以及無線氣體探測器冗余，全冗余設(shè)計可以使系統(tǒng)的整體可用性達到99.99999%。

ProSafe-RS系統(tǒng):

ProSafe-RS安全儀表系統(tǒng)于2005年2月發(fā)布，是全球首套可以與DCS無縫連接的SIS系統(tǒng)，自發(fā)布以來已經(jīng)在全球范圍內(nèi)獲得2200多個項目（截至2017年8月）。

ProSafe-RS系統(tǒng)具有如下特點：

• 橫河公司DCS 的高可靠性技術(shù)

橫河公司的CENTUM CS和VP控制系統(tǒng)已經(jīng)有超過十年的應用歷史了，并且在許多重大和戰(zhàn)略性的項目中得到了成功的應用。CENTUM VP控制器采用了“Pair &Spare”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在一個CPU卡中包含了一對（冗余）處理器，并且在冗余的CPU卡中也包含了另外一對（冗余）相同的處理器。此外，CENTUM VP還采用了其它的冗余技術(shù)，如CPU卡和I/O卡的冗余卡件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)高速公路、機架中備板總線和卡件中數(shù)據(jù)總線的冗余通訊技術(shù)，以及冗余的電源技術(shù)。這些獨特和先進的技術(shù)使得系統(tǒng)的可用性高達99.9999953%，換句話說，這意味著假如系統(tǒng)運行40年，只會有1分鐘的故障時間，這個結(jié)果也是從實際使用的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中得出的。CENTUM VP的控制器就是開發(fā)ProSafe-RS的安全控制器的基礎(chǔ)。

• 非冗余的配置達到SIL3

ProSafe-RS采用與CENTUM VP相同的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。除了這些技術(shù)之外，每塊ProSafe-RS控制器卡、輸入卡和輸出卡在內(nèi)部特別采用了雙重化的結(jié)構(gòu)以達到更高的安全等級，適用于SIL3的應用場合。

圖3 非冗余ProSafe-RS的1oo2D結(jié)構(gòu)

如圖3所示，ProSafe-RS的CPU卡不僅包括雙重化的處理器，而且還包括雙重化的內(nèi)存、附屬電路和診斷軟件。ProSafe-RS的I/O卡也有雙重化的電路可以檢查完整性。這種結(jié)構(gòu)使ProSafe-RS的安全控制器在設(shè)計、安裝和安全完整性的維護方面非常直觀和易于理解。非冗余的CPU卡和I/O卡配置就可以實現(xiàn)SIL3的安全功能，同時滿足IEC 61508的要求，如PFD(Probability of failure on Demand)、SFF(SafeFailure Fraction)和SIL3級的容錯。

• 冗余的配置實現(xiàn)更高的可用性

可用性(Availability)對于過程控制工業(yè)來說是非常重要的。如圖4所示，當要求更高的可用性時，ProSafe-RS可以組態(tài)成雙重化冗余的CPU卡和I/O卡，采用和CENTUM VP相同的方式。冗余僅用在要求更高可用性的場合，并且所有的冗余方式都可以單獨選擇。任何I/O卡件的冗余組合，如冗余輸入加非冗余輸出、非冗余輸入加冗余輸出、或著冗余輸入加冗余輸出都可以作為單獨的選擇與CPU卡的冗余方式進行組合。全部冗余的配置提供最高的系統(tǒng)可用性。ProSafe-RS在冗余對中的一塊卡出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的安全等級不會降低，仍然保持SIL3的安全等級。

圖4 非冗余ProSafe-RS的2oo4D結(jié)構(gòu)

此外，ProSafe-RS對超過99％的部件進行自診斷，因此可以快速檢測故障，使得故障的修復也可以在一個允許的期限內(nèi)完成，從而最小限度的影響工藝過程。

• 與DCS真正的無縫集成 —— 一套網(wǎng)絡、一套人機界面

ProSafe-RS的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在非常高的安全性和可用性方面，而且還體現(xiàn)在能夠與CENTUM VP真正緊密集成。ProSafe-RS可以直接接到CENTUM VP的控制網(wǎng)絡Vnet/VnetIP上，SIS和DCS功能間的數(shù)據(jù)交換不需要網(wǎng)關(guān)或接口硬件，而且，安全控制器間的安全通信在DCS和SIS的集成配置中得到了實現(xiàn)和認證。ProSafe-RS和DCS之間的通信通過了TüV認證。ProSafe-RS的CPU節(jié)點之間的通信采用橫河公司自主開發(fā)的安全專用協(xié)議，既可保證安全上的獨立性，又實現(xiàn)了與橫河公司CENTUM VP系統(tǒng)真正的無縫集成。

通過DCS和SIS之間的集成，操作人員可以從CENTUM VP的操作員站上的一個窗口中，看到整個全廠的信息，而不在是分別監(jiān)控SIS和DCS。由于信息的集中顯示，操作人員可以更快地預測和判斷工藝過程是否接近到了緊急狀況。對于工藝過程信息的集中顯示不僅有助于快速監(jiān)控，而且還可以避免錯誤判斷和誤操作。ProSafe-RS的這些優(yōu)勢可以提高整個工廠的安全性。

ProSafe-RS提供各種監(jiān)控操作環(huán)境。在日常情況下，可以通過VP的HIS操作員站對于緊急停車、報警發(fā)生等異常情況進行監(jiān)控操作?？刂葡到y(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)可以在相同的環(huán)境下進行各種維護作業(yè)，有助與防止誤操作，對需要維護的現(xiàn)場設(shè)備切旁路，并且其維護信息也可通過VP的HIS進行顯示。安全儀表系統(tǒng)和過程控制器可以很容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而保證兩者能協(xié)調(diào)動作。安全儀表系統(tǒng)在故障情況下停運了設(shè)備時，可通過SOE功能對其原因進行分析。安全系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的時鐘也能夠同步，安全系統(tǒng)的報警和過程控制器的報警可以在同一幅畫面中顯示，也有助于故障原因的分析。

GasSecure GS01無線烴氣檢測儀

圖5 GasSecure GS01無線烴氣檢測儀

GasSecure 是針對苛刻的工業(yè)應用提供的全球首款真正無線的紅外氣體檢測儀。 GS01用于檢測是否存在烴氣以及向操作人員發(fā)出火災或爆炸風險警告。超低功率設(shè)計和小巧的內(nèi)置電池組讓產(chǎn)品能夠持續(xù)工作兩年之久。由于大大減少了安全成本和時間，客戶的總項目成本可節(jié)省60%至80%。無線通信基于開放的ISA100 Wireless?標準，這意味著產(chǎn)品可與市場上銷售的其他現(xiàn)場無線設(shè)備實現(xiàn)簡化集成。

GasSecure GS01具有如下特點：

• 真正無線，無需線纜，提高了安裝靈活性，與有線檢測系統(tǒng)相比，可顯著節(jié)省成本和時間，易于在項目之間轉(zhuǎn)移（如大修、維護）；
• 在整個生命周期內(nèi)無需重新標定，減少了維護費用，不會發(fā)生傳感器漂移，不會發(fā)出錯誤報警；
• 三倍波長的故障安全紅外檢測，包括熱光學器件；
• 適用于SIL 2系統(tǒng)–由第三方驗證檢測儀和無線通信，以實現(xiàn)安全應用；
• 不超過5秒的快速氣體檢測響應，預警的實現(xiàn)和工廠安全性的提高；
• 危險區(qū)域本質(zhì)安全設(shè)計；
• 低功率的輕量化氣體檢測儀配備本質(zhì)安全的可現(xiàn)場更換的電池組；
• 電池壽命長達2年。

無線SIL2氣體檢測系統(tǒng)的各級通訊

橫河電機提供基于ISA100.11a/ IEC 62734(IEEE802.15.4)國際標準通信協(xié)議的現(xiàn)場無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。ISA100.11a無線標準具有良好的安全特性，例如認證、驗證(完整性檢查，TAI-原子國際時間)、加密、訪問控制和密鑰管理等。同時，橫河現(xiàn)場無線具有高確定性和高度可靠性，可支持SIL環(huán)境的安全應用。

首先，橫河現(xiàn)場無線網(wǎng)絡系統(tǒng)采用了高性能的無線回路技術(shù)，既能保障遠距離通信(無障礙物區(qū)的通信距離可達500米)，在金屬管道等障礙物密集區(qū)也能穩(wěn)定可靠地收發(fā)信息(通信距離可達50米)，從而保證了工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的穩(wěn)定可靠的通信。

其次，橫河現(xiàn)場無線骨干網(wǎng)絡主要由無線管理站(YFGW410)與無線接入點(YFGW510)構(gòu)成，它們相互獨立，可形成深度冗余機制，從而保障無線網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠運行。另外，這樣的構(gòu)造還有好處：1)現(xiàn)場安裝與維護十分便利；2)有助于構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡系統(tǒng)，一個無線管理站下面可以連接20個無線接入點(即20個子網(wǎng)絡)，最多可容納500個現(xiàn)場無線儀表(更新周期為5秒時)。
此外，橫河現(xiàn)場無線可支持星形拓撲、以及Mesh拓撲(可支持固定通信路徑)，從而可有效管理網(wǎng)絡的延遲時間，保證網(wǎng)絡通信的確定性。

如圖6所示，橫河電機SIL2認證無線氣體檢測系統(tǒng)可采用深度冗余設(shè)計：2個無線管理站通過標準的通信協(xié)議，如Modbus TCP/IP、Modbus RS485等，與上位機SIS系統(tǒng)集成；2個無線管理站之間通過專用的同期電纜連接，分別為主機與熱備機，當系統(tǒng)監(jiān)測到設(shè)備故障，1秒內(nèi)就能完成主輔機功能切換；2個無線接入點同時接收現(xiàn)場無線設(shè)備的信息，并同時將現(xiàn)場信息傳送給上位無線管理站，若其中一個無線接入點發(fā)生故障，現(xiàn)場無線設(shè)備的信息則通過另外一個無線接入點，零延遲地將信息傳送給上位系統(tǒng)。這樣網(wǎng)絡設(shè)計可以充分保障氣體泄漏檢測系統(tǒng)運行的可靠性與確定性。

圖6 無線氣體檢測系統(tǒng)的深度冗余設(shè)計

無線紅外氣體檢測儀GS01采用的是PROFIsafe安全協(xié)議。橫河無線管理站，即網(wǎng)關(guān)，支持PROFINET。橫河網(wǎng)關(guān)無需支持PROFIsafe接口，通過如圖黑色通道(BlackChannel)，即可在ISA100應用層上實現(xiàn)安全相關(guān)的通信。圖中紫紅色虛線框內(nèi)為三個獨立設(shè)備(分別是控制器、網(wǎng)關(guān)、以及氣體檢測儀)在黑色通道中的通信棧。這個黑色通道需要保證三個因素：通信方式獨立； 從傳感器到網(wǎng)關(guān)的整個通信路徑，需要支持ProfiNET； 可避免各種通信失敗，確保SIL能力。

另外，無線網(wǎng)絡要在SIL環(huán)境中使用，錯誤處理機制需要解決相關(guān)安全協(xié)議，需要能夠避免各種錯誤，如重復、刪除、插入、重新排序、數(shù)據(jù)損壞、延遲、尋址等。SIL2認證無線氣體檢測系統(tǒng)，可滿足上述各種安全相關(guān)的要求，可以說是橫河現(xiàn)場無線在安全用途的應用中，最成功的應用之一。