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    過(guò)去由于物理上和經(jīng)濟(jì)上的障礙，使得很多化工廠的信息很難或根本不可能獲取，如今，可靠的無(wú)線通訊系統(tǒng)將這些障礙一掃而光。事實(shí)上，無(wú)線自動(dòng)化技術(shù)致力于眾多管理層所關(guān)注的問(wèn)題，如連續(xù)過(guò)程改進(jìn)、安全和環(huán)保等，無(wú)線技術(shù)使用方便、收益顯著，它正在改變著整個(gè)工業(yè)的工作慣例。前所未有的過(guò)程和設(shè)備信息傳輸技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)能夠投入使用，無(wú)論工廠的控制系統(tǒng)有多老，都不成問(wèn)題。

　　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

　　無(wú)線技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)和工廠網(wǎng)絡(luò)整合到一個(gè)完整的無(wú)線工廠結(jié)構(gòu)中。（圖1）

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)是一組能夠測(cè)量一個(gè)或多個(gè)過(guò)程參數(shù)并將這些信息通過(guò)無(wú)線方式傳遞到網(wǎng)關(guān)或接收器的設(shè)備。各種無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)儀表可用于溫度、壓力、流量、液位、pH值、振動(dòng)、離散開(kāi)關(guān)量、閥門位置的測(cè)量。

    一般情況下，網(wǎng)關(guān)把來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線儀表的數(shù)據(jù)通過(guò)本地接口、Modbus、或類似的連接方式傳遞到控制系統(tǒng)，在這里無(wú)線、有線模擬量、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)全部整合在一起。無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)重要特征是低功率無(wú)線電傳輸以及符合過(guò)程工業(yè)對(duì)時(shí)間性、可靠性、安全性和準(zhǔn)確性的要求。低功率的特點(diǎn)適用于非充電電池運(yùn)行的設(shè)備。

　　無(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)采用符合IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fi或更高帶寬的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與移動(dòng)工作人員通訊，進(jìn)行人員或移動(dòng)設(shè)備的跟蹤，以及完成移動(dòng)視頻。這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)皆歸功于高帶寬、無(wú)線設(shè)備的可充電功能以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)那逦群桶踩浴?/P>

    通常工廠網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)級(jí)mesh IEEE802.11接入點(diǎn)，一種集中型網(wǎng)絡(luò)和安全管理，包括對(duì)一系列無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）控制器的監(jiān)督，這保證了無(wú)線功能的實(shí)現(xiàn)。這種共享網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)工廠內(nèi)跨地域和功能分區(qū)的無(wú)線通信平臺(tái)，能支持多種應(yīng)用程序。

    化工企業(yè)利用無(wú)線技術(shù)可從工廠級(jí)開(kāi)始向下到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，也可以從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)向上到工廠級(jí)。我們發(fā)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)開(kāi)始使用無(wú)線技術(shù)將獲得更快的回報(bào)。本文著重講述的就是現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的應(yīng)用。

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)

    信息技術(shù)委員會(huì)已對(duì)現(xiàn)行工廠網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)和慣例進(jìn)行了完善，但是范圍更為廣泛的無(wú)線委員會(huì)還不能提供一個(gè)嚴(yán)格的、經(jīng)過(guò)測(cè)試的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)應(yīng)用于無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)。這一標(biāo)準(zhǔn)必須具有堅(jiān)固的工業(yè)可靠性，而且現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制應(yīng)用程序耗電要低，其通訊可靠性與有線方案相當(dāng)。

    WirelessHART就為用戶提供了這種可信賴的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)儀表。這些儀表來(lái)自涉及廣泛工業(yè)領(lǐng)域的HART通訊基金會(huì)成員公司，HART基金會(huì)于2007年9月通過(guò)了WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，而WirelessHART產(chǎn)品也已于2008下半年開(kāi)始發(fā)貨并在各化工廠安裝使用。

　　無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)嶄露頭角

    由于無(wú)線儀表采用射頻天線，無(wú)需接線，因此它具有低功率、可自帶無(wú)線電收發(fā)器等特點(diǎn)，而且網(wǎng)絡(luò)通訊能力安全可靠，電池使用壽命長(zhǎng)。（圖2）

    無(wú)線設(shè)備與有線設(shè)備在工藝流程圖（P&IDs）上的表示是一樣的，對(duì)于操作人員來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)的顯示也是一樣的，而無(wú)線系統(tǒng)的工程安裝和調(diào)試則更簡(jiǎn)單。而且，接線圖、線槽、接線柜、鎧裝電纜、橋架等全部都可以省掉，同時(shí)安裝工作也可以降到最低。

    建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所需規(guī)劃工作更少，而且安裝和啟動(dòng)更快。經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)和簡(jiǎn)單的操作，是無(wú)線技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)自動(dòng)化方案的獨(dú)到之處，它讓工程師擁有更為廣闊的想像空間去完成過(guò)去無(wú)法完成的任務(wù)。　  

  圖1、無(wú)線工廠結(jié)構(gòu)集成了現(xiàn)場(chǎng)和工廠的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。過(guò)程和設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的WirelessHART設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)；移動(dòng)操作、人員和設(shè)備跟蹤、實(shí)時(shí)影像則通過(guò)Wi-Fi由工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)行使。

圖2、無(wú)線變送器通過(guò)射頻天線傳遞信號(hào)，而電源線則被具有超長(zhǎng)使用壽命的內(nèi)置電池所代替。

    傳統(tǒng)有線方案的安裝成本一般為每英尺50到100美元，視工程量而定。無(wú)線設(shè)備可節(jié)省至少90%以上的安裝成本，因此以前需要花費(fèi)昂貴代價(jià)才能進(jìn)行監(jiān)測(cè)的工廠設(shè)備，如遠(yuǎn)程儲(chǔ)罐、泵、手動(dòng)閥、安全噴淋裝置等，現(xiàn)在可以通過(guò)無(wú)線變送器將測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞回控制室，以提高過(guò)程可靠性和安全性，同時(shí)提高資產(chǎn)的管理。

    無(wú)線技術(shù)方便易用，只需極少的工程量，運(yùn)行效率卻顯著提高了。那些需要操作人員和維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)和進(jìn)行操作的工作和時(shí)間通過(guò)無(wú)線儀表自動(dòng)數(shù)據(jù)采集可以大大減少。

    無(wú)線技術(shù)的商業(yè)優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展。去年位于波士頓的著名調(diào)研咨詢機(jī)構(gòu)ARC公司發(fā)布了一份名為“用于過(guò)程制造業(yè)的無(wú)線技術(shù)”的5年分析預(yù)測(cè)報(bào)告，報(bào)告指出用于過(guò)程制造業(yè)的無(wú)線設(shè)備市場(chǎng)將以每年32%的速度增長(zhǎng)，并于2012年達(dá)到11億美元。

　　是否采用無(wú)線技術(shù)？

    目前無(wú)線技術(shù)基本應(yīng)用于以下2種情況，而第3個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域還剛剛起步。

    必須在現(xiàn)有工廠內(nèi)增加新的測(cè)量點(diǎn)。為了滿足新發(fā)布的環(huán)境或安全法規(guī)，許多企業(yè)認(rèn)為無(wú)線技術(shù)是最好最經(jīng)濟(jì)的解決方案。這些必須增加的新測(cè)點(diǎn)一般是儲(chǔ)罐、泄壓閥或安全噴淋裝置，在這些地方安裝無(wú)線儀表非常方便，而且安裝完畢可以立即投入使用。

    希望在現(xiàn)有工廠內(nèi)增加測(cè)量點(diǎn)。這是適用無(wú)線技術(shù)的第2種情況：雖然希望獲得數(shù)據(jù)但采用有線技術(shù)成本又太高。這也是目前無(wú)線技術(shù)應(yīng)用最多的情況。工廠建成以后，一般不會(huì)再額外布線，在之后的工作當(dāng)中，運(yùn)行和過(guò)程管理人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)新的測(cè)量要求，以提高工廠的性能，但是安裝新的有線測(cè)量點(diǎn)往往成本高昂，從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，無(wú)線方案是最合適的。

    “我們很希望能夠監(jiān)測(cè)這些設(shè)備，但是涉及的費(fèi)用太高”大多數(shù)手動(dòng)閥（也包括自動(dòng)閥）目前都無(wú)法反饋它們的實(shí)際位置，不正確的閥門定位會(huì)引起嚴(yán)重的安全事故。

    不常用的閥門由于接線成本高昂，一般并不對(duì)其進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)，但是無(wú)線監(jiān)測(cè)具有很大的吸引力，它的成本只占到有線方案的10%-20%。在化工廠中對(duì)閥門進(jìn)行監(jiān)測(cè)將很有可能成為最大的無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。

    在新建廠中采用無(wú)線方案替代原來(lái)的有線方案。無(wú)線技術(shù)除了可用于監(jiān)測(cè)之外，還可用于閉環(huán)回路控制，目前已在蒸汽匯集器和遠(yuǎn)程儲(chǔ)罐上有所應(yīng)用。只要是對(duì)數(shù)據(jù)刷新頻率要求不是太高的情況都適合采用無(wú)線儀表。

    無(wú)線儀表也能做到高頻率數(shù)據(jù)刷新，但這樣會(huì)很耗電。今后隨著電池性能的不斷提高，以及人們對(duì)于無(wú)線技術(shù)可靠度的信心不斷增長(zhǎng)，無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于控制領(lǐng)域也將逐漸得以普及。

    當(dāng)不可充電電池的性能提高了，人們?cè)诠S中使用無(wú)線技術(shù)替代原來(lái)的有線設(shè)備進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的監(jiān)測(cè)就將成為可能。理想的狀態(tài)是這樣的：工廠只有少數(shù)幾臺(tái)與安全有關(guān)的儀表是通過(guò)有線方式連接的，其它的儀表全部采用無(wú)線方式。因此今后無(wú)線控制系統(tǒng)最有可能在改造和新建工廠中誕生。

    無(wú)線技術(shù)的推廣速度很大一部分取決于用戶對(duì)無(wú)線技術(shù)可靠性的信任程度。有些人認(rèn)為無(wú)線技術(shù)理所當(dāng)然沒(méi)有有線技術(shù)來(lái)得可靠，這并不正確。有線技術(shù)也有可能是不可靠的，尤其是在接地困難的情況下，這時(shí)無(wú)線則更為可靠。Canyons鋼廠就是這樣一個(gè)典型的例子，最初人們認(rèn)為，移動(dòng)物體如卡車或設(shè)備都會(huì)使無(wú)線系統(tǒng)產(chǎn)生問(wèn)題，但是通過(guò)先進(jìn)的自組織無(wú)線電頻率網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)等，這些障礙都能得以克服。在全球大量的應(yīng)用中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性達(dá)到了99%以上。

　　WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)

　　WirelessHART作為應(yīng)用于過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線技術(shù)的唯一標(biāo)準(zhǔn)，是具有充分理由的。WirelessHART采用信道跳頻和點(diǎn)到點(diǎn)加密的自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)安全可靠的通訊，適用于低功率的過(guò)程應(yīng)用及控制。

　　采用WirelessHART對(duì)于最終用戶來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么障礙，因?yàn)樗梢韵蚝笈c2600萬(wàn)臺(tái)已安裝使用的HART儀表兼容，同時(shí)它又可與現(xiàn)有的工程、資產(chǎn)管理和主機(jī)系統(tǒng)（DCC、PLC等）集成。這樣，用戶在組態(tài)和操作WirelessHART設(shè)備時(shí)，所看到的界面與有線儀表就沒(méi)有什么差別了，而且由于無(wú)線設(shè)備能夠傳遞額外的信息，是對(duì)有線設(shè)備的有效補(bǔ)充和擴(kuò)展，這點(diǎn)對(duì)于人們更快更方便地采訥無(wú)線技術(shù)來(lái)說(shuō)是非常重要的。

　　WirelessHART是目前唯一獲得正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)認(rèn)可的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它基于全球通用的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4，并且獲得了210家HART通訊基金會(huì)成員公司的認(rèn)可，最近國(guó)際電工委員會(huì)還批準(zhǔn)WirelessHART為公共可用規(guī)范（PAS）。美國(guó)自動(dòng)化協(xié)會(huì)（ISA）也成立了委員會(huì)專門研究用于過(guò)程工業(yè)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，包括無(wú)線規(guī)范ISA100.11a和更新的針對(duì)過(guò)程工業(yè)的WirelessHART 規(guī)范ISA100.12。

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

    化工行業(yè)對(duì)于無(wú)線儀表的興趣體現(xiàn)在有越來(lái)越多的人索取相關(guān)的技術(shù)資料，而90%的需求都是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的。除了之前提到過(guò)的手動(dòng)閥位置監(jiān)測(cè)應(yīng)用以外，還有以下成功案例可供參考。

    熱交換器一般都是任其運(yùn)行，直到結(jié)圬停運(yùn)，當(dāng)然這就會(huì)影響運(yùn)行效果，而即使是在比較新的工廠里也很少會(huì)安裝儀表對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無(wú)線監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠提前通知工廠人員熱交換器需要在下次計(jì)劃停車時(shí)進(jìn)行清洗。

    歐洲一家知名過(guò)程企業(yè)制定了一套設(shè)備健康狀態(tài)系統(tǒng)來(lái)改進(jìn)熱交換器的維護(hù)工作。該公司一位工程師指出：“對(duì)熱交換器的無(wú)線監(jiān)測(cè)使我們能夠確定哪臺(tái)設(shè)備結(jié)圬最嚴(yán)重需要清洗，這要比進(jìn)行常規(guī)的計(jì)劃清洗更節(jié)省成本，從而使維護(hù)工作的投入產(chǎn)出率更高。”

     過(guò)濾器也一樣時(shí)常被使用到結(jié)圬為止，事實(shí)上，通過(guò)對(duì)重要的過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)，可以大大改進(jìn)過(guò)濾器的性能，同時(shí)降低能耗。

    歐洲一家聚乙烯制造商在其位于科隆的工廠中采用無(wú)線設(shè)備監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的堵塞，以防止生產(chǎn)中斷（圖3）。生產(chǎn)出來(lái)的聚乙烯顆粒通過(guò)氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)被送到存儲(chǔ)筒內(nèi)，進(jìn)入的空氣需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾防止產(chǎn)品受到污染。一旦過(guò)濾器堵塞，就將完全失去過(guò)濾效力，而最終產(chǎn)品的質(zhì)量也會(huì)因此下降。過(guò)濾器安裝的位置一般都很難到達(dá)，采用無(wú)線差壓變送器可以幫助維護(hù)人員方便地確定需要清洗或更換的過(guò)濾器，從而減少生產(chǎn)的中斷。

    儲(chǔ)罐會(huì)面臨較為特殊的測(cè)量問(wèn)題，尤其是一個(gè)遠(yuǎn)程罐區(qū)內(nèi)有幾十個(gè)儲(chǔ)罐需要測(cè)量液位、溫度和壓力的情況，由于遠(yuǎn)距離敷設(shè)地下電纜成本過(guò)高，所以很少在罐區(qū)內(nèi)安裝儀表。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)顯然是一個(gè)理想的方案。

    在一家磷肥廠中，自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)精確地將來(lái)自于250英尺外反應(yīng)罐上的16臺(tái)壓力及溫度測(cè)量點(diǎn)的讀數(shù)以每分鐘一次的更新頻率傳遞到中控室（圖4）。遠(yuǎn)程儲(chǔ)罐高40英尺，內(nèi)部有4層不同的反應(yīng)床與不同的過(guò)程化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。僅管這并不屬于危險(xiǎn)區(qū)域，但是儲(chǔ)罐的分布和距離會(huì)使布線非常困難而且成本很高。工廠的DCS專家說(shuō)：“自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在這項(xiàng)應(yīng)用中起到了決定性的作用， 我們已經(jīng)計(jì)劃增加更多的設(shè)備來(lái)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。”

    泵和電機(jī)的健康狀況需要經(jīng)常進(jìn)行檢測(cè)，以免軸承故障導(dǎo)致重要的泵或電機(jī)停機(jī)，最糟糕的是還可能引起過(guò)程停運(yùn)，這時(shí)損失可就大了。無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)變送器可對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到分析軟件，預(yù)先發(fā)現(xiàn)和確定問(wèn)題所在，以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候安排維護(hù)工作。

    有些場(chǎng)所并不適合工作人員拿著手持儀表采集設(shè)備振動(dòng)數(shù)據(jù)，于是人們想到了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。解決方案就是無(wú)線振動(dòng)變送器加一臺(tái)智能網(wǎng)關(guān)——工程只需幾天，而且可以連續(xù)提供精確的振動(dòng)數(shù)據(jù)，工作人員現(xiàn)在不必再去危險(xiǎn)場(chǎng)所采集數(shù)據(jù)了。

    監(jiān)測(cè)諸如撬座、泵、壓縮機(jī)、手提式試驗(yàn)或測(cè)試設(shè)備等移動(dòng)設(shè)備時(shí)，是不可能用傳統(tǒng)的有線方案來(lái)完成的。無(wú)線設(shè)備可用于監(jiān)測(cè)各種移動(dòng)變量，甚至是從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。

    一家全球?qū)I(yè)的化學(xué)品制造公司需要測(cè)量鐵路槽車的溫度，這個(gè)問(wèn)題通過(guò)無(wú)線方案輕易地得以解決，他們?cè)诿恳还?jié)鐵路槽車上安裝一臺(tái)無(wú)線溫度變送器，無(wú)論鐵路槽車開(kāi)往工廠任何地方，溫度數(shù)據(jù)都能源源不斷地向中控系統(tǒng)發(fā)送，操作人員可以據(jù)此查覺(jué)任何不正常的升溫。由于操作人員不必再定期爬到槽車頂部測(cè)量和記錄內(nèi)部溫度，該公司因此每年可以節(jié)省15000美元。

    根據(jù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，從江河里抽上來(lái)的水重新排放回去時(shí)溫度應(yīng)不高于原水溫2度，而且法規(guī)還經(jīng)常規(guī)定要連續(xù)記錄進(jìn)水口和出水口的溫度。

    歐洲一家醋酸廠采用無(wú)線溫度變送器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)水溫（圖5），以節(jié)省地下敷設(shè)電纜的安裝費(fèi)用。公司一名發(fā)言人說(shuō)道：“無(wú)線技術(shù)的安裝和集成都很方便，而且網(wǎng)絡(luò)可靠性達(dá)到100%”

    旋轉(zhuǎn)設(shè)備和渦輪機(jī)的監(jiān)測(cè)通常是由操作人員定期拿著手提式振動(dòng)數(shù)據(jù)采集器完成的。無(wú)線分析變送器可連續(xù)監(jiān)測(cè)渦輪、發(fā)電裝置、往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)以及其它電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如發(fā)現(xiàn)可疑問(wèn)題，技術(shù)人員就可以在故障發(fā)生前解決問(wèn)題。

    一家特種化學(xué)品廠安裝了大量無(wú)線壓力、溫度和振動(dòng)儀表用于監(jiān)測(cè)，以節(jié)省成本。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括幾臺(tái)用來(lái)監(jiān)測(cè)鹽水離心機(jī)的無(wú)線振動(dòng)變送器，這是以前所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。例如，潤(rùn)滑油不足會(huì)引起軸承的嚴(yán)重磨損，現(xiàn)在根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油的不足，完全做到防患于未然。

圖5. 醋酸廠通過(guò)無(wú)線變送器監(jiān)測(cè)排水溫度，以滿足環(huán)境法規(guī)

    通過(guò)有線設(shè)備測(cè)量旋轉(zhuǎn)過(guò)程設(shè)備內(nèi)部尤其困難。在澳大利亞的一家化工公司中，安裝在旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器上的有線儀表環(huán)滑式密封圈泄漏，使?jié)駳膺M(jìn)入儀表，造成儀表讀數(shù)不精確。

    在移動(dòng)設(shè)備上安裝無(wú)線壓力和溫度變送器后，測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性提高了，曾經(jīng)頻繁出現(xiàn)的返應(yīng)器停車以及因此而引起的停工損失一去不復(fù)返了。

    電伴熱用來(lái)調(diào)整管道和過(guò)程容器的內(nèi)部溫度，但是在長(zhǎng)距離的管道上安裝有線監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用相當(dāng)昂貴。澳大利亞的一家工廠把瀝青從船上通過(guò)一根管道卸載下來(lái)，為了保證管道內(nèi)的瀝青能夠通暢地流動(dòng)，必須使管道的溫度保持在160度。如果有任何一段伴熱器出現(xiàn)故障，管道內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生冷點(diǎn)，使瀝青凝固最后堵塞管道，更糟糕的是如果因此而延誤卸貨，使船停靠碼頭超過(guò)預(yù)期時(shí)間，那么每天所需支付的逾期費(fèi)用將高達(dá)3萬(wàn)美元。為此用戶在3000英尺（900米）長(zhǎng)，直徑8英寸（20厘米）的管道上安裝了8臺(tái)無(wú)線溫度變送器，以每分鐘一次的頻率將測(cè)量信息傳送至陸上網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳遞到資產(chǎn)管理軟件，進(jìn)行儀表組態(tài)和性能監(jiān)測(cè)。所收集到的數(shù)據(jù)同時(shí)還通過(guò)光纖傳輸?shù)浇K端控制中心的SCADA系統(tǒng)中，以使操作人員可以隨時(shí)了解伴熱管線的狀態(tài)。

    無(wú)線方案可方便地用于一些臨時(shí)測(cè)點(diǎn)，這樣在系統(tǒng)開(kāi)車或檢修時(shí)，系統(tǒng)集成商以及最終用戶就可以在過(guò)程中任何地點(diǎn)臨時(shí)安裝變送器進(jìn)行一些特定的檢查。

    新加坡的一名焚化經(jīng)理表示在檢測(cè)故障的時(shí)候，將無(wú)線壓力變送器從一個(gè)地方挪到另一個(gè)地方，操作相當(dāng)簡(jiǎn)便。“只需5分鐘，我就能查出故障并很快把無(wú)線變送器放回原處。無(wú)線技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性，為檢測(cè)和排除故障以及開(kāi)發(fā)新的無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域提供了便利。”

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施

    全數(shù)字化的WirelessHART通訊協(xié)議可支持任何工業(yè)儀表的應(yīng)用，無(wú)論是控制還是監(jiān)測(cè)功能，就和現(xiàn)在的HART產(chǎn)品是完全一樣的。

    網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為信息提供了多種選擇路徑通向網(wǎng)關(guān)，自組織網(wǎng)絡(luò)則可以根據(jù)影響無(wú)線電信號(hào)傳播的各種外界干擾進(jìn)行自我調(diào)整，比如設(shè)備啟動(dòng)或停止；卡車經(jīng)過(guò)；或其它的無(wú)線電干擾以及雷電情況。

    信號(hào)可選擇任何一條路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)，而并不局限于目視距離路徑。因此無(wú)需事先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)線電頻率的調(diào)研。

    WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)考慮到了頻繁的外界變化。因?yàn)榄h(huán)境的變化是動(dòng)態(tài)的，技術(shù)人員不可能也沒(méi)時(shí)間和能力對(duì)動(dòng)態(tài)的變化一一響應(yīng)，所以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須能夠自動(dòng)的影響和組織。這與目前通用的HART協(xié)議采集和利用信息的方式是相一致的。對(duì)于現(xiàn)有的可支持HART設(shè)備的控制系統(tǒng)，同樣也可以方便地兼容WirelessHART.

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)范

　　雖然自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并不要求現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，但是必要的規(guī)劃可以使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更有效，更可靠。

　　WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要領(lǐng)如下：

    首先計(jì)劃在一個(gè)過(guò)程單元或區(qū)域采用無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，并獲得該地區(qū)的比例圖。讓我們先從設(shè)備圖開(kāi)始，根據(jù)下例條件在比例圖上標(biāo)出所需安裝的無(wú)線儀表。

    在沒(méi)有障礙的情況下，無(wú)線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離是750英尺（230米）。

    在一般建筑物內(nèi)，無(wú)線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離是250英尺（75米）。

    在厚實(shí)的建筑物內(nèi)，無(wú)線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離是100英尺（30米）。

    當(dāng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線設(shè)備能夠和其它相鄰的3臺(tái)設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能是最好的。無(wú)線設(shè)備之間的距離取決于周圍的環(huán)境，但基本都在上述所列范圍內(nèi)，這樣可以確保在網(wǎng)絡(luò)搭建好后至少有2條通訊路徑。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有做到讓1臺(tái)無(wú)線設(shè)備與其它3臺(tái)無(wú)線儀表通訊，那么就需要增加無(wú)線儀表或轉(zhuǎn)發(fā)器來(lái)加強(qiáng)通訊。

    在多數(shù)情況下對(duì)于通訊路徑并不要求有目視距離，但是如果有高大的建筑物擋住了無(wú)線儀表的通訊路徑或阻隔了一群無(wú)線儀表，那么最好再額外增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)，以連接建筑物兩面的通訊。

    如果無(wú)線設(shè)備安裝在封閉區(qū)域，例如設(shè)備室內(nèi)，就需要在室外再加裝一個(gè)天線或轉(zhuǎn)發(fā)器。

    整合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)與工廠網(wǎng)絡(luò)的整合可以使商務(wù)應(yīng)用和過(guò)程應(yīng)用更方便，功能更強(qiáng)大，工作人員監(jiān)測(cè)工廠運(yùn)行和環(huán)境的能力也將大大提高。有用數(shù)據(jù)的傳輸在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。

    新的基于網(wǎng)絡(luò)的以服務(wù)為導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)使得企業(yè)管理層與工廠層的通訊變得前所未有的簡(jiǎn)單，這時(shí)企業(yè)的軟件結(jié)構(gòu)也將得到很大的改進(jìn)。例如，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的性能監(jiān)測(cè)信息應(yīng)用于企業(yè)優(yōu)化軟件；罐區(qū)液位監(jiān)測(cè)信息應(yīng)用于庫(kù)存管理軟件；或是關(guān)鍵設(shè)備的診斷信息直接應(yīng)用于計(jì)算機(jī)維護(hù)管理系統(tǒng)。

    就像在兩個(gè)截然不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行信息傳遞一樣，將無(wú)線技術(shù)集成到主機(jī)控制系統(tǒng)或信息系統(tǒng)中需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)翻譯信號(hào)，例如，從WirelessHART到以太網(wǎng)。

    在把無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加入到現(xiàn)有過(guò)程單元中的時(shí)候，主機(jī)系統(tǒng)的接口要求中會(huì)特別指出所需的網(wǎng)關(guān)接口。無(wú)線網(wǎng)關(guān)可與范圍廣泛的主機(jī)系統(tǒng)、PLC、過(guò)程歷史數(shù)據(jù)庫(kù)以及其它控制系統(tǒng)（圖6）和協(xié)議（表1）兼容。還可以在原有過(guò)程裝置中的現(xiàn)場(chǎng)儀表上安裝無(wú)線適配器，采集以前無(wú)法從主控系統(tǒng)獲得的診斷和測(cè)量數(shù)據(jù)。

    原生化。整合無(wú)線方案的最佳狀態(tài)是主機(jī)系統(tǒng)本身就支持無(wú)線設(shè)備，如圖1所述。事實(shí)上，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，無(wú)論是有線儀表還是無(wú)線儀表在主機(jī)系統(tǒng)上的顯示是一樣的，無(wú)需特殊軟件和專門的通訊知識(shí)。

    最新版本的系統(tǒng)都帶有無(wú)線網(wǎng)關(guān)的本地接口，先進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)可以自動(dòng)進(jìn)行感應(yīng)和組態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)車和調(diào)試又快又方便。此外，來(lái)自于HART和 WirelessHART設(shè)備的預(yù)警信息可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)直接供預(yù)測(cè)維護(hù)軟件使用，無(wú)需再另外搭建網(wǎng)絡(luò)。

圖6.現(xiàn)有的過(guò)程裝置可采用各種主機(jī)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線技術(shù)，或是通過(guò)無(wú)線適配器將有線設(shè)備變?yōu)闊o(wú)線設(shè)備。

    串口限制。如果網(wǎng)絡(luò)中采用串口Modbus ，如圖6所示，主機(jī)系統(tǒng)必須具有足夠的連接數(shù)量。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程變量和設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都需要多個(gè)Modbus寄存器。由于協(xié)議本身在DCS系統(tǒng)中的局限性，無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，也不能對(duì)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行管理，因此在串口系統(tǒng)中，安全措施僅限于物理隔離。

    以太網(wǎng)選項(xiàng)。如果主機(jī)應(yīng)用程序需要通過(guò)Modbus TCP、OPC或HTML連接，那么就要用到有線或無(wú)線以太網(wǎng)。以太網(wǎng)通訊不像串口系統(tǒng)有那么多的限制條件，但是在安裝時(shí)需要獲得企業(yè)IT人員的幫助，以確定接入點(diǎn)，讓網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)的防火墻，并提供網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。以太網(wǎng)能確保網(wǎng)關(guān)的安全管理，就像IT網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備一樣。

    無(wú)線以太網(wǎng)能夠?yàn)樵O(shè)備診斷信息和測(cè)量數(shù)據(jù)的傳遞提供足夠的帶寬，除了需要電源，網(wǎng)關(guān)在安裝方面沒(méi)有其它特殊要求，因此它可以安裝在設(shè)備范圍和主機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的任何地方，如有需要，網(wǎng)關(guān)也可以任意移動(dòng)。

　　開(kāi)始實(shí)施

　　利用工廠現(xiàn)有的設(shè)備和控制系統(tǒng)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是非常簡(jiǎn)單的。許多工廠從包括幾臺(tái)儀表和1臺(tái)網(wǎng)

　　關(guān)的小型無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)起步。建立第1個(gè)無(wú)線測(cè)點(diǎn)當(dāng)然會(huì)是最貴的，因?yàn)榧词怪皇褂?臺(tái)無(wú)線變送器，也同樣需要網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)、軟件等設(shè)施，但是一旦這個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立起來(lái)以后，每增加一臺(tái)變送器所需要的成本也基本只限于儀表本身的成本了，1個(gè)網(wǎng)關(guān)可支持100臺(tái)變送器。當(dāng)然如果規(guī)模更大，也可以增加更多的網(wǎng)關(guān)。

　　通過(guò)無(wú)線的監(jiān)測(cè)功能來(lái)測(cè)試和評(píng)估無(wú)線技術(shù)幾乎沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)，用戶可以從并不昂貴的無(wú)線啟動(dòng)包開(kāi)始，逐步推廣到工程、運(yùn)行和維護(hù)部門，無(wú)線技術(shù)可以提高設(shè)備可靠性、減少工廠停車時(shí)間、改進(jìn)過(guò)程控制，并創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。

　　當(dāng)?shù)?個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始發(fā)揮作用以后，運(yùn)行和維護(hù)人員還將發(fā)現(xiàn)其它采集額外過(guò)程數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的應(yīng)用。

　　如前所述，有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以方便地集成到同一個(gè)規(guī)模可變的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字工廠結(jié)構(gòu)的范圍擴(kuò)展到了以前從經(jīng)濟(jì)或?qū)嶋H操作上都無(wú)法啟及的領(lǐng)域。由于無(wú)線技術(shù)完全基于開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以從范圍廣泛的無(wú)線方案中進(jìn)行設(shè)備和技術(shù)的挑選，而不必受專有技術(shù)和供應(yīng)商的束縛。

　　表1. 集成無(wú)線技術(shù)的主要協(xié)議

    從有線到有線和無(wú)線并存的演變，預(yù)示著無(wú)線技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的強(qiáng)大潛力。企業(yè)的技術(shù)部門以及IT部門和過(guò)程自動(dòng)化人員都在共同協(xié)作研究和實(shí)施新的運(yùn)行技術(shù)，以提高產(chǎn)量，同時(shí)提高安全性和環(huán)境保護(hù)能力。除了工廠的升級(jí)改造，在新建工廠中也有可能采用無(wú)線技術(shù)替代有線儀表。

　　通往無(wú)線天地的大門向開(kāi)發(fā)無(wú)線新產(chǎn)品的廠商以及開(kāi)發(fā)無(wú)線新應(yīng)用的用戶敞開(kāi)，它能為工業(yè)過(guò)程帶來(lái)更高的價(jià)值而無(wú)需為它的支撐技術(shù)擔(dān)憂，就像英特網(wǎng)的誕生，衍生出了許多以前難以想像的創(chuàng)新應(yīng)用。與此類似，應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的無(wú)線技術(shù)正處于一個(gè)變改的全盛時(shí)期。

　　自組織WirelessHARTM網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的高度可靠和高性能，以及它的顯著經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，讓我們相信WirelessHART技術(shù)在未來(lái)5年內(nèi)可以占到新建工廠的20%。