無線儀表屬于遠程終端系統中的一個配件，本身帶無線數據傳輸，能直接將數字信號傳輸到基站，通過一定的協議到上位機。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，油氣行業的創新者們已經體驗并證實了無線監測儀表在遠程或難以到達區域中的應用價值，但若在這些應用中如果采用有線設備，那么所需的高昂建設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勢，而且安全可靠，可以廣泛應用于傳統采用有線方案的上游作業中。

傳統的接線依然會用于連續控制，如海上平臺和煉油廠， 以及安全系統。但無線技術已普遍應用于現有工廠裝置中，目前，無線儀表已經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的廣泛運用，其所具有的諸多優點得到體現，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中的一個配件，本身帶無線數據傳輸，能直接將數字信號傳輸到基站，通過一定的協議到上位機。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。

對于氣體檢測系統來說，其操作常常受到諸如安裝位置和環境條件等因素的影響，并且在系統安裝后，為了優化整體配置，也許需要偶爾改變檢測設備的位置和數量。使用無線技術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的無線氣體探測器時，實現SIL2等級降低風險，需要符合IEC 61508國際標準規定的功能安全要求的通信協議。為了滿足這一需求，橫河電機提供基于ProSafe-RS安全儀表系統和SIL2無線氣體檢測系統相結合的解決方案，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成：

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

圖1 橫河無線SIL2氣體檢測系統解決方案構成

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

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

ProSafe-RS系統:

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

ProSafe-RS系統具有如下特點：

• 橫河公司DCS 的高可靠性技術

橫河公司的CENTUM CS和VP控制系統已經有超過十年的應用歷史了，并且在許多重大和戰略性的項目中得到了成功的應用。CENTUM VP控制器采用了“Pair &Spare”結構，這種結構在一個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，如CPU卡和I/O卡的冗余卡件結構，系統數據高速公路、機架中備板總線和卡件中數據總線的冗余通訊技術，以及冗余的電源技術。這些獨特和先進的技術使得系統的可用性高達99.9999953%，換句話說，這意味著假如系統運行40年，只會有1分鐘的故障時間，這個結果也是從實際使用的現場數據中得出的。CENTUM VP的控制器就是開發ProSafe-RS的安全控制器的基礎。

• 非冗余的配置達到SIL3

ProSafe-RS采用與CENTUM VP相同的結構和技術。除了這些技術之外，每塊ProSafe-RS控制器卡、輸入卡和輸出卡在內部特別采用了雙重化的結構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結構

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。這種結構使ProSafe-RS的安全控制器在設計、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。

• 冗余的配置實現更高的可用性

可用性(Availability)對于過程控制工業來說是非常重要的。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可用性。ProSafe-RS在冗余對中的一塊卡出現故障時，系統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結構

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 —— 一套網絡、一套人機界面

ProSafe-RS的優勢不僅體現在非常高的安全性和可用性方面，而且還體現在能夠與CENTUM VP真正緊密集成。ProSafe-RS可以直接接到CENTUM VP的控制網絡Vnet/VnetIP上，SIS和DCS功能間的數據交換不需要網關或接口硬件，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和認證。ProSafe-RS和DCS之間的通信通過了TüV認證。ProSafe-RS的CPU節點之間的通信采用橫河公司自主開發的安全專用協議，既可保證安全上的獨立性，又實現了與橫河公司CENTUM VP系統真正的無縫集成。

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控，而且還可以避免錯誤判斷和誤操作。ProSafe-RS的這些優勢可以提高整個工廠的安全性。

ProSafe-RS提供各種監控操作環境。在日常情況下，可以通過VP的HIS操作員站對于緊急停車、報警發生等異常情況進行監控操作。控制系統和安全儀表系統可以在相同的環境下進行各種維護作業，有助與防止誤操作，對需要維護的現場設備切旁路，并且其維護信息也可通過VP的HIS進行顯示。安全儀表系統和過程控制器可以很容易實現數據傳輸，從而保證兩者能協調動作。安全儀表系統在故障情況下停運了設備時，可通過SOE功能對其原因進行分析。安全系統和控制系統的時鐘也能夠同步，安全系統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出火災或爆炸風險警告。超低功率設計和小巧的內置電池組讓產品能夠持續工作兩年之久。由于大大減少了安全成本和時間，客戶的總項目成本可節省60%至80%。無線通信基于開放的ISA100 Wireless?標準，這意味著產品可與市場上銷售的其他現場無線設備實現簡化集成。

GasSecure GS01具有如下特點：

• 真正無線，無需線纜，提高了安裝靈活性，與有線檢測系統相比，可顯著節省成本和時間，易于在項目之間轉移（如大修、維護）；
• 在整個生命周期內無需重新標定，減少了維護費用，不會發生傳感器漂移，不會發出錯誤報警；
• 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–由第三方驗證檢測儀和無線通信，以實現安全應用；
• 不超過5秒的快速氣體檢測響應，預警的實現和工廠安全性的提高；
• 危險區域本質安全設計；
• 低功率的輕量化氣體檢測儀配備本質安全的可現場更換的電池組；
• 電池壽命長達2年。

無線SIL2氣體檢測系統的各級通訊

橫河電機提供基于ISA100.11a/ IEC 62734(IEEE802.15.4)國際標準通信協議的現場無線網絡系統。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，橫河現場無線具有高確定性和高度可靠性，可支持SIL環境的安全應用。

首先，橫河現場無線網絡系統采用了高性能的無線回路技術，既能保障遠距離通信(無障礙物區的通信距離可達500米)，在金屬管道等障礙物密集區也能穩定可靠地收發信息(通信距離可達50米)，從而保證了工業生產現場的穩定可靠的通信。

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

如圖6所示，橫河電機SIL2認證無線氣體檢測系統可采用深度冗余設計：2個無線管理站通過標準的通信協議，如Modbus TCP/IP、Modbus RS485等，與上位機SIS系統集成；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，當系統監測到設備故障，1秒內就能完成主輔機功能切換；2個無線接入點同時接收現場無線設備的信息，并同時將現場信息傳送給上位無線管理站，若其中一個無線接入點發生故障，現場無線設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。這樣網絡設計可以充分保障氣體泄漏檢測系統運行的可靠性與確定性。

圖6 無線氣體檢測系統的深度冗余設計

無線紅外氣體檢測儀GS01采用的是PROFIsafe安全協議。橫河無線管理站，即網關，支持PROFINET。橫河網關無需支持PROFIsafe接口，通過如圖黑色通道(BlackChannel)，即可在ISA100應用層上實現安全相關的通信。圖中紫紅色虛線框內為三個獨立設備(分別是控制器、網關、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； 從傳感器到網關的整個通信路徑，需要支持ProfiNET； 可避免各種通信失敗，確保SIL能力。

另外，無線網絡要在SIL環境中使用，錯誤處理機制需要解決相關安全協議，需要能夠避免各種錯誤，如重復、刪除、插入、重新排序、數據損壞、延遲、尋址等。SIL2認證無線氣體檢測系統，可滿足上述各種安全相關的要求，可以說是橫河現場無線在安全用途的應用中，最成功的應用之一。