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    概述

    PlantWeb 大學(xué)關(guān)于無線技術(shù)應(yīng)用的其它大多數(shù)課程都跟監(jiān)測和診斷有關(guān)。 這是因為無線技術(shù)在今天的應(yīng)用中最大的價值在于它能夠讓我們用一種方便、經(jīng)濟的方式來獲取附加信息，并以此達到最佳運行狀態(tài)。

    但是控制方面呢？是否也應(yīng)該考慮使用無線技術(shù)呢？答案是肯定的。但是用戶有必要對特定的應(yīng)用考察一下，考慮如何在今天的無線技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢和局限性之間做權(quán)衡。

    前文已經(jīng)詳細介紹了無線技術(shù)的優(yōu)點，尤其是利用無線技術(shù)采集與操作相關(guān)的附加信息的低成本和方便性。今天的無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可以提供的經(jīng)過實踐檢驗的可靠性，比99％的有線網(wǎng)絡(luò)要高，而且在安全方面也毫不遜色。

    在本文中將著重講述在評估無線技術(shù)的控制用途時需要考慮的一些額外因素，例如應(yīng)用中要求的更新率以及網(wǎng)絡(luò)延遲時間的影響等。還將討論一下無線技術(shù)對于不同控制應(yīng)用的適合性。

    更新率

    要判斷無線技術(shù)是否適用于用戶的控制應(yīng)用，首先應(yīng)該確定一個良好的過程控制所需要的更新率。 

    要獲得精確的控制，測量數(shù)據(jù)需要能夠充分地反映有關(guān)過程的具體狀況。測量變送器通常要多次對過程變量進行采樣，對讀數(shù)進行過濾，然后再將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制器。

    通常過程中的有些變量變化很慢，而有些則非常快。假如傳送到主機系統(tǒng)的測量值不夠頻繁，不能很好地表現(xiàn)變量的狀況，那么用于控制的數(shù)據(jù)也就難以準(zhǔn)確地反映過程中發(fā)生的情況。

    然而在無線領(lǐng)域，要求很高的更新率常常并不現(xiàn)實。數(shù)據(jù)的每次更新都需要耗用能量進行處理和傳送，更新率越快，耗能也就越高。除非您愿意每隔數(shù)月就更換一次電池，或者干脆為現(xiàn)場設(shè)備直接鋪設(shè)電纜送電，以犧牲某些無線技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢為代價。通常無線系統(tǒng)的更新率都要比有線系統(tǒng)來得要低。

    雖然真正無線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通常經(jīng)過配置之后更新率大約在每分鐘兩次左右，其實它們都可以支持每秒鐘一次的更新率。這個更新率對于有些應(yīng)用，變量變化較慢的比如液位和溫度回路或者那些通過在線分析儀器的反饋進行控制的回路而言還是合適的。 有些緩慢且非關(guān)鍵的流量回路也非常適合利用基于無線技術(shù)的控制。

    關(guān)鍵是要了解過程的要求，然后再在更新率和電池壽命之間做出正確的權(quán)衡。 有些設(shè)備供應(yīng)商可以提供相關(guān)圖表以對電池壽命和更新率之間的關(guān)系做出描述，從而幫助用戶找到它們之間的正確平衡，之后再來決定無線控制是否適合于某個特定的應(yīng)用。

    網(wǎng)絡(luò)延遲時間

    控制系統(tǒng)的性能部分取決于控制回路對輸入信號變化的響應(yīng)時間。這個響應(yīng)時間包括測量信號從傳感器旅行到達控制器的時間，再加上從控制器到達閥門或者其它終端控制元件的時間。

    信息包從其來源到達目的地的過程中所發(fā)生的任何耽擱都被稱作延遲時間。

    所有的通信過程都有一定的時間延遲。在絕大多數(shù)的有線過程控制網(wǎng)絡(luò)中，延遲時間都非常低，甚至可以允許速度非常之快的控制回路。 但是許多用于無線網(wǎng)絡(luò)的信息處理技術(shù)都會增加網(wǎng)絡(luò)的延遲時間，以至于今天的無線技術(shù)可能無法適用于要求響應(yīng)時間以毫秒計的快速控制回路。

    為什么會出現(xiàn)這種狀況呢？

    在無線領(lǐng)域里，隨著從發(fā)送器到接收器（網(wǎng)關(guān)或主機系統(tǒng)）之間距離的增加，信號強度會迅速降低。信號強度越低，傳輸錯誤的發(fā)生率就越高；傳輸錯誤反過來降低了數(shù)據(jù)吞吐量，增加了信號抵達目的地需要的時間。

    設(shè)備供應(yīng)商有時會安裝一個八木定向天線以增加信號增益，從而獲得更強的無線鏈路。但是這種方法雖然能在某些應(yīng)用中減少延遲時間，卻成本不菲。

    避免信號強度問題的另外一種方法是，將信號通過其它的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行傳遞，直到抵達網(wǎng)關(guān)或者主機為止。節(jié)點之間的距離更短了，通信的可靠性也隨之提高。內(nèi)置式冗余度，即具有多個可以傳遞信號到目的地的節(jié)點也可以達到同樣的效果。
 

    可靠性對過程控制非常重要。然而，從節(jié)點到節(jié)點之間額外的“跳頻”也同時會增加整個信號傳輸時間。 整個網(wǎng)絡(luò)延遲時間可能只有數(shù)微秒之短，也可能在極端情況下達到一秒到兩秒之久。在某些地點可能會由于整體延遲時間太長而無法支持快速控制回路。

    這就是為什么在將無線技術(shù)應(yīng)用于控制之前，用戶需要首先確定網(wǎng)絡(luò)時間延遲是否處于可以接受的限制范圍之內(nèi)的原因。
 

    使用分級

    以上討論的有關(guān)因素，使無線技術(shù)更適合于某些應(yīng)用類型，而對其它的類型則要差一些。 因此，標(biāo)準(zhǔn)委員會開發(fā)出相關(guān)的工具來幫助用戶對其應(yīng)用加以全面的考量，并對無線過程控制的案例加以利用。

    例如 ISA SP100 委員會。 這個委員會正在為無線網(wǎng)絡(luò)在過程工業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)，他們定義了六個使用等級，幫助用戶確定無線技術(shù)何時可以適用。

          

    當(dāng)前大多數(shù)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)都適合于4級和5級應(yīng)用，其中包括監(jiān)測應(yīng)用。目前無線網(wǎng)絡(luò)的典型延遲時間和更新率都處于這些應(yīng)用的要求范圍之內(nèi)。

    如果在更新率和延遲時間方面能夠滿足控制響應(yīng)的要求，那么無線網(wǎng)絡(luò)也可以用于2級和3級回路之中。

    例如，無線控制在第3級控制應(yīng)用中可以工作良好——在這些應(yīng)用中操作人員必須離開控制室（多半是在剛獲得工作許可之后）進行適當(dāng)?shù)目刂撇僮鳎鐔颖没蛘叽蜷_一只手動切斷閥等。在這些情形下，一分鐘的更新率（如果您希望電池工作可以維持數(shù)年之久，這個更新率會符合要求）已經(jīng)足夠快了。

    假如本地電源不方便，或者用戶愿意更頻繁地更換電池，更新率要求稍快的控制回路也可以用無線方式來操作。

    雖然無線技術(shù)目前來說尚不推薦用于0級和1級應(yīng)用，隨著行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗和信心的增加，將會有越來越多的此類應(yīng)用選擇無線控制方式。

    無線技術(shù)應(yīng)該用在哪些地方？

    應(yīng)用無線方式對測量數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，例如在那些以前在經(jīng)濟上和實踐上都難以做到（如鋪設(shè)電纜的成本超過收益的場合），會給您帶來很大的價值。

    通常這些應(yīng)用要求的更新率從每分鐘一次到每天數(shù)次不等。 這些數(shù)據(jù)對于業(yè)務(wù)優(yōu)化的重要性常常要比關(guān)鍵的安全應(yīng)用或基本的生產(chǎn)應(yīng)用高得多，除了控制系統(tǒng)之外，也會經(jīng)常跟歷史數(shù)據(jù)記錄器或者資產(chǎn)管理軟件結(jié)合使用。

    如圖1所示，無線技術(shù)用于現(xiàn)有設(shè)施的增量監(jiān)測尤為劃算。在這些設(shè)施中，鋪設(shè)新線路非常復(fù)雜，而且費用高昂。然而除此之外，它還可以用于這些設(shè)施中的非關(guān)鍵控制回路，特別是那些對更新率要求不高的地方，成本效益很高。

              圖1   無線技術(shù)非常適用于增量監(jiān)測和非關(guān)鍵控制用途

    如果無線技術(shù)供應(yīng)商允許將技術(shù)用于所有用途，用戶應(yīng)該確認其無線設(shè)備無需電網(wǎng)電源，電池壽命按年計算而非按月計算。 否則，提供電網(wǎng)電源或者頻繁更換電池的費用會將無線技術(shù)原來在鋪線和安裝方面帶來的節(jié)省逐漸地侵蝕掉。
 
    隨著設(shè)備供應(yīng)商不斷地提高電源效率并改善對無線設(shè)備的管理，利用自組織網(wǎng)絡(luò)增加測量點和數(shù)據(jù)傳輸率將使越來越多的無線非安全關(guān)鍵應(yīng)用變得切實可行。 用戶可為設(shè)備運作增加成百甚至上千的測量點，從而對過程和業(yè)務(wù)的性能做出改進。

    實踐指標(biāo)

    由于無線技術(shù)在監(jiān)測方面的應(yīng)用可以提供最大經(jīng)濟效益，選擇無線結(jié)構(gòu)來使成本最小化，使收益最大化可謂順理成章。無線技術(shù)的選擇應(yīng)遵循：

    ·  支持真正的無線結(jié)構(gòu)，無需敷設(shè)電纜或者建設(shè)其它基礎(chǔ)設(shè)施以達供電或通信之目的。
 
    ·  無需費用較高的現(xiàn)場勘查來保證通信的可靠性。

    ·  使用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)傳感器，使安裝和過程連接更容易，數(shù)據(jù)采集更可靠，培訓(xùn)要求也更低。

    艾默生公司對此做了深入的研究和相關(guān)測試，擁有廣泛的用戶服務(wù)經(jīng)驗，這一切都表明自組織無線網(wǎng)絡(luò)可以為這些功能提供一個理想的平衡：用于控制足夠穩(wěn)健可靠，用于監(jiān)測則成本足夠低廉。

    總結(jié)

    對于無線控制的應(yīng)用應(yīng)有獨特的考慮。在將無線技術(shù)應(yīng)用于最困難的過程控制問題之前，理應(yīng)先在監(jiān)測和非關(guān)鍵控制應(yīng)用方面，例如開環(huán)控制和允許較長刷新時間的非關(guān)鍵控制方面取得經(jīng)驗。

    然而，控制能力僅僅是選擇無線結(jié)構(gòu)時需要考慮的事項之一。 由于無線技術(shù)在監(jiān)測應(yīng)用方面可以提供很大的價值，選擇一個無線結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過優(yōu)化之后既可用于控制，又可用于監(jiān)測將是十分有利的。大多數(shù)利用自組織網(wǎng)絡(luò)的廠內(nèi)無線技術(shù)方案都足以在提供控制功能的同時提供監(jiān)測功能。 一個良好的、靈活的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計將會以十分經(jīng)濟的方式滿足用戶所有的應(yīng)用需求。

                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》