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資訊頻道本文中，Jim Montague探討了與日俱增的常規過程控制應用如何采用工業無線技術，從而達到節省電纜、保障附加信號并從電線無法到達的點位傳輸回數據的目的。
通信暢通即為關鍵。只要連接穩定且數據傳輸成功，通信在電纜或空氣中發生皆可。幸運的是，如今多種技術都可以保障通信。無線設備和手段日益成為過程監測、數據采集、自動化甚至控件，如傳感器、I/0點、硬接線、PLCs和DCSs等的常用方法。工程師、操作員和其他工人使用它們就像每天都使要用牙刷、干凈襪子和車鑰匙一樣頻繁。
然而，許多潛在用戶對于無線發射器、天線、現場勘測和無線協議仍然陌生。因此，下文列舉的如何采用無線技術解決稀松平常卻使操作頭痛不斷的問題對此極有幫助。
解決常見問題
譬如：倫敦附近Thames Power Services 1,000-MW Barking電站最近安裝了35個艾默生過程管理公司提供的Rosemount 708聲波發射器，用于找出更多故障疏水閥、泄漏或異常的閥門、造成嚴重損失的鍋爐管泄漏，并減少蒸汽流失、送水成本和停機時間。
若疏水閥故障或出現泄漏，發射器中的聲波設備將報告聲音與溫度的改變，根據配置將警示操作員出現了潛在問題。Barking電站高級控制系統工程師Ian MacDonald匯報說，發射器通過識別高壓過熱疏水閥的泄露及時發揮了作用，避免它每日停工造成的1400英鎊損失。
“提升過程性能意味著了解整個廠區內發生的任何問題且能迅速自如應對，”MacDonald解釋道：“無線技術讓我們能夠在任何位置快速且經濟的加入更多測量點，從而搜集更多信息，識別潛在的故障。”
隨后，Barking電站又在其它存在問題的區域安裝了15個聲波發射器進行監測，這些問題包括啟動階段可能卡止的排氣閥，位置錯誤的卸壓閥等。以前采用人工監測，拋開耗時不論，還無法指出何時或為何出現泄漏，增大了安全、監管和環境事故的風險。新的無線設備能夠進行精確檢測，即使閥門僅開啟短短一秒鐘也能向操作員報警。
然后數據傳輸至Barking電站已有的艾默生Ovation控制系統，該系統將噪聲級按趨勢劃分，用于識別逐步的變化。從而便可在普通非高峰時段安排維修，保持廠區最大可用性，避免強制停機。
相比一一有線接入，利用現有無線網絡能在成本更低的情況下加入更多設備。于是便有機會監測廠區內曾經由于費用不足無法監測的區域，如識別文氏噴管堵塞時，通常利用進口/出口壓力差產生吸力并迅速混合注入物。
圖注：為減少蒸汽流失、送水成本和停機時間，倫敦附近的Barking電站采用無線聲波發射器來定位故障的疏水閥、泄漏閥門和鍋爐管泄漏。
“已安裝了艾默生 Smart Wireless Thum適配器，以便訪問現場裝置的滯留Hart診斷數據，我們很熟悉Smart Wireless，” MacDonald補充道：“電池供電的無線裝置具備機動靈活性，不但可以試運行，且無需臨時電纜也能將更多的裝置移動到不同區域中去。從而早期辨識出問題，增強對故障設備的響應，完善規劃并充分利用維護資源。”
圖注：Barking電站無線設置中的數據傳輸至艾默生 Ovation控制系統中，該系統將噪聲級按趨勢劃分，用于識別逐步的變化。
尋求最符合方案
或許探求無線技術道路上最可貴的品質要數研發、設計和實踐最有效方案時付出的耐心和彈性。
譬如，加州威明頓Valero Energy煉油廠的工程師數年前引入了第三方點對點無線系統，擴展了過程檢測性能。
然而據該公司過程控制系統副協調員Rick Felix所言，這一系統過于繁瑣，傳輸數據耗時過長，他們在尋求性能增強的無線工具時，于2009年采用了霍尼韋爾過程解決方案的OneWireless全站系統，至此不斷通過自定義來改變該系統，用以配合自身應用，不斷提升性能。
Felix說：“煉油廠裝置通常分散于遼闊的區域之內。廠區一般需要監測應用中多點的信息，其中包括水平、流量、壓力和氣體探測。這些應用測量點安裝費用的九成都用于電纜管道和相關建設”
“無線技術能在不影響常規運作的情況下，輕易獲取最遙遠和最難接近位置的定點測量信息成為可能。無線系統能在原本被認為不切實際的區域持續且穩定的工作，各I/O使用無線成本更低，證明項目無需有線發射器。”
再回到有線方面，最先威明頓電站采用的是霍尼韋爾 TDC 2000 DCS，隨后不斷升級又加入了TDC 3000設備，而傳統美國電站則更新為Experion PKS，帶有新型HMIs，圖標站和Experion服務器。最近煉油廠升級為C300控制器，用于攪拌控制。
該廠1969年試運行，1982年擴大規模，增添了烴化和流化床催化裂化(FCC)裝置。它的產量占南加利福尼亞州瀝青需求總量的15%之多。同時，威明頓OneWireless R200裝置包括霍尼韋爾的Wireless Device Manager (WDM), Field Device Access Points (FDAPs) 以及 XYR 6000無線發射器。
由于Valero和威明頓廠區都是采用無線技術的先驅，他們積累了許多寶貴的經驗。例如，廠區初始無線發射器和多節點都由霍尼韋爾安裝，隨后移交Valero進行日常維護和擴展。
“我們的員工也遇到了許多問題，比如由于天線包裹不善，無法承受天氣情況或者電纜受到侵蝕導致的信號強度太弱，” Felix解釋：“對多節點進行編程時也經歷了不少挑戰。”
2012年8月，威明頓進行了新一輪的現場勘測，并將OneWireless R120系統升級為OneWireless R200。FDAPs取代了多節點，而R200和WDM提供了更好的系統穩定性和連接性，以及敏銳且以網絡為基礎的用戶界面。它們共同使得用工業標準協議將無線網絡和廠區控制系統整合于一體成為可能。
迄今為止，威明頓活躍的OneWireless網絡包含30個無線發射器，11個FDAPs，2個有線連接DCS的FDAPs，以及通過串行Modbus與霍尼韋爾 DCS相連的WDM。“R200調配更加迅速，使發射器的故障排查耗時更短，” Felix補充說：“使用R200系統后證明，相對之前的R120而言，它需要的人力更少。”
圖注：在加州威明頓Valero煉油廠，Honeywell OneWireless系統不僅無需有線設施的高昂成本，還能將寶貴數據整合入控制系統和先進應用之中。
盡管FDAPs需要電力，但它們能進行信息路由選擇，因此用戶可將無線裝置與控制網絡相連，并獲取現場數據。它們還能創造安全、符合ISA100要求的現場儀表無線網絡，在網絡中儀表互相通信，并將附近現場裝置的信息按路徑發送至控制器上。
同理，WDM使得網關和安全管理器能保障現場和廠區儀表間通信的安全。支持以網絡為基礎的用戶界面，具備基本IT知識的過程及現場工程師皆能快速設置無線系統，也減少了無線裝置網絡試運行、監測和故障排查的時間。
“OneWireless幫助我們優化了廠區作業流程和穩定性，提升了安保性能且保證了對監管要求的服從，”Rick Felix說：“它的優勢不僅是免除了電線帶來的成本，核心在于它將寶貴數據集成入控制系統和先進應用之中，同時還能與其它聯網應用共享這些數據。現在許多項目都逐漸成為可能，比如采用控制輸入的短程點對點等。”
水處理走向無線
相比基礎過程控制，無線的一個最大特點即是已受到市政應用，尤其是用水和污水處理的廣泛采納。
挪威最大城市奧斯陸市公共工程部門目前用connectBlue的藍牙無線維護和操作裝置替換了花費巨大的操作面板，這些面板安裝于數百個控制整個城市用水和污水處理的泵站中。
這些藍牙裝置為設施的ABB ITTM AC 800C控制系統提供了以太網界面和網頁服務器通路，從而處理自定義網頁中的數據，本地動態數據記錄和城市廣域網通路。
此外，這里的技術員還能利用掌上藍牙維修機器，現場對各泵站進行調整和重編程，且藍牙與整個控制系統相連。將AC 800C連于WAN后，技術員還能在各泵站自動將軟件變化儲存于WAN服務器中，去到下一泵站前，他們無需再返回控制室下載程序調整值。
同樣，地區水管理協會Aggerverband最近在水管理承包商HST Hydro-Systemtechnik的幫助下，成功在德國Genkel 200 x 41米的大壩和Gummersbach和 Meinerzhagen 8百萬立方米飲用水水庫安裝了自動化作業設施。
用于監測取水量、水平面、溫度、蒸發量、風速和隨時查看基底引起的大壩物理變化，Genkel全新過程控制系統需與12個站點相連，其中包括位于水庫中央的“測量筏”以及監控數個大壩的Aggerverband中央控制室。
因此，12個站點中， 11個安裝了Beckhoff Automation BC2000帶PLC功能的總線終端控制器，通過長1.5km的Lightbus環路和倍福ADS TwinCAT數據傳輸協議進行聯網。訪問測量筏則需通過倍福 KN6551無線終端，這是一個以IEEE 802.15.2為基礎的太陽能無線電線路。
無線的建立與投產
盡管各應用有各自不同的需求，無論在任何過程或廠區中運用無線技術仍有如下基本步驟：
1. 調查過程應用基本運行和性能的需求，根據需求找到正確的無線解決方案。
2.共同評估現有有線和無線網絡，并對整體通信集成計劃進行升級。結合上述功能需求，幫助選擇適宜的無線設備。
3.完成全面的無線現場勘測和無線電頻率(RF)評估，從而確定應用和廠區自然環境以及可能的干擾源，如建筑、鋼墻、地理特征和距離問題等。
4.測試并選擇最適合的天線，并將其置于最穩定的覆蓋范圍內，傳輸和接收最優信號。
5.初期，在小型非關鍵試點項目中運用無線技術，檢查獨特的現場特點和問題。確保無線裝置可根據應用需求的變化進行調整和移動。
6.安裝并鋪設出能滿足應用目前需要的無線元件和網絡，但也要為后期數據擴充和設備擴大留出空間。
7.教授員工所需的安裝、維護和故障排查技能，才能從全新的無線系統中充分獲益。
“這些終端采用2.5 GHz帶寬，能輕易整合于總線終端系統中，” HST 的IT系統產品經理Frank Huetger介紹說：“定向天線能保障無線電線路的穩定。”
必要時修正
對許多地區而言，無線相對來說還是新興技術。當它在發展中出現缺陷時，守舊的人立刻借機進行責難甚至罷用。因此無線技術亟需的是甘愿反思、重新調整和更新元件、設計及布局的心態，只有這樣才能達成穩定的通信。
例如，St1 Energy煉油廠地處瑞典哥德堡海灣地區，采用艾默生Rosemount油罐液位計設備和有線無線元件混合進行水平及溫度測量。它不具備控制室直接訪問智能無線網關的能力，智能無線網關以WirelessHart (IEC 62591)標準為基礎，從無線現場網絡中收集數據。然而諷刺的是，此前技術員必須進入現場查看，才能監測無線網絡狀態和進行配置。
于是St1采用了艾默生以Wi-Fi為基礎的滲透式現場網絡(PFN)解決方案，用無線將控制室和網關相連。St1的PFN包括三個ProSoft Technology RadioLinx工業室內熱點裝置，以及它三根與它們相連的遠程室外平板天線。
圖注：St1 Energy煉油廠地處瑞典哥德堡，利用roSoft Technology RadioLinx的工業熱點裝置，使操作員能從控制室訪問無線現場網絡。
第一個熱點與網關相連；第二個發揮重發器作用，抵達視距并轉發數據；第三個位于St1控制室內，形成Wi-Fi區域。
這種布局使操作員在控制室任意位置皆能通過裝有AMS Wireless Configurator、AMS Wireless Snap-On和/或TankMaster軟件的筆記本電腦訪問煉油廠無線現場網絡。事實上，Snap-On軟件能為用戶展示油罐區、網絡裝置和它們各自狀態的圖像概觀。
同理，澳洲昆士蘭Sunstate Cement近期斥資8500萬美元將產能擴大至150萬公噸，并在三部卸船機與四個接入點之間安裝了無線局域網(WLAN)。但WLAN出現故障，導致卸船機無法回復主控制器發出的通信。
圖注：西門子Sinema E（Simatic網絡管理器工程）等軟件能實現工業WLAN應用的高效規劃、模擬和配置。
“起初，Sunstate Cement認為問題出在西門子的無線設備上。即使距WLAN接入點僅數米，信號強度也十分弱。主控制器和卸船機上的三個RTU PLCs通信出現信號丟失，” 西門子澳洲網絡產品經理Falk Holman介紹說：“而我發現初始安裝人員未進行任何WLAN信道規劃，由于四個WLAN接入點間通信量不協調，因此存在大量沖突和干擾。”
Holman解釋說采用空分多址(SDMA)或頻分多址(FDMA)過程都能避免訪問沖突。他還補充道，安裝前使用西門子Sinema E等WLAN模擬軟件能提升通信性能。“我們還發現廠區人員安裝了5-GHz天線，卻將網絡配置成2.4-GHz的頻率范圍，” Holman說：“而且接入點天線安裝于構架之下，位置過低且緊鄰實心水泥墻。因此網絡選擇5-GHz后，重新為各接入點和對應卸船機分配信道。”Holman表示Sunstate戶外應用網絡信道可用范圍為149至165(5,745 MHz至 5,825 MHz)。然而信道的交疊為2-MHz，故他將信道安排成臨時順序，從而防止干擾。
第二輪測試采用Cisco頻譜分析儀進行，顯示信號強度稍弱(-70 dBm 或 48%)，而信號質量大幅上升。
“不幸的是，仍然出現了通信信號丟失，” Holman說：“還有什么地方出錯？為什么強度只有48%？我們發現安裝員采用了全向天線，增益高而垂直波瓣過小。當卸船機停靠時，由于裝配位置高度差太大，天線幾乎無法獲得視距。天線之間也安裝得太近。建議采用20倍波長作為間隙，天線分集才能處于5-GHz無線蜂窩中。而在帶式輸送機下放置兩根接入點天線同樣毫無幫助。”
于是，Sunstate將天線從2米升至5米高，并重新布置了冗余的電纜。“我們發現5米多余的電纜被塞在1米的信道內，這樣可能造成電纜衰減，” Holman又說：“所幸將天線從開銷構架中移開并升高時，多余的電纜派上了用場。”
做出上述校正并采用西門子iPCF快速漫游功能后，Sunstate的無線系統終于能按設計一樣順暢運作了。Holman反饋說該系統已經未終斷的運行了12個月以上，期間未進行任何更換或加入硬件。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號