无线技术结合最佳实践降低项目成本.docx

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无线技术结合最佳实践降低项目成本

无线技术结合最佳实践降低项目成本

无线技术的优势是显而易见的——不用接线。

尽管如此，在过程工厂和车间里安装的测量设备只有不到1%属于无线设备。

所幸的是，随着技术的改进尤其是最近自组网络的发展，采用无线技术所遭遇的真实可见的障碍正在被克服。

其它障碍与技术本身无关，而是源于缺乏对于安全、标准和合理应用的共识，这也就是我们为什么要讨论“最佳实践”。

现在用户可以增加以前无法以经济的形式实现的测量，从而提高工厂的安全性、可靠性和有效性，同时符合环保要求。

为什么要采用无线测量呢？

无线方案让使用者以更为经济的方式获得额外的测量数据，而以前要想获得这些测量数据的成本是无法承受的。

无线技术目前的应用包括：

∙环保：

实时报告泄压时阀门的开关状况，减少污染排放，避免由此而引起的罚款。

∙人员安全；一旦激活紧急停车按钮、压力和温度开关以及其它报警装置，中央控制室的操作人员即会收到信号。

∙健康：

在监测台即可监控水温和水压，尽可能减少工作人员往返现场记录数据的次数。

∙过程优化：

对额外的过程温度、压力、流速进行监测和趋势分析，实现在线或离线的过程优化。

∙设备可靠性：

监测泵、电机的振动和温度以及过滤器堵塞和热点情况。

∙过程利用率：

将手动旁路阀门的开/关状态信息发送给中央控制室的操作人员。

∙临时测量：

对锅炉、压缩机以及其它性能要求较高的核心设备的操作进行测试、确认和优化。

∙移动测量：

测量和记录流速、压力、温度和液位，并将数据传递给测试台和流量校验器。

无线技术类似总线技术，例如FoundationFieldbus（Ff）总线技术。

它可以降低安装成本，可方便地访问多过程及各台设备的诊断变量。

当控制系统比较陈旧或者满负荷工作时，整合Ff技术会比较难。

因此无线技术通常用于新建项目或是工厂的重大扩建项目。

采用无线技术，即便现存的结构已经接满有线设备，您也可以方便地在任何旧装置中添加设备。

新的无线设备可以与现有装置无缝整合，可自由访问多种变量和设备诊断信息。

与传统点到点的有线技术相比，无线技术和Ff技术可节省包括材料-电缆、接线盒、线槽、桥架、安全栅以及DCSI/O卡、机架和电源，以及工程、采购和安装人工等成本。

传统点对点的有线方案的总安装成本大约是变送器成本的2到10倍。

如果单个设备可提供多种过程变量或诊断信息—例如，有八个输入点的温度变送器，那么成本将显著减少。

无线方案或Ff系统还具有减少空间，增强灵活性和易于扩展等优势。

自组网络

无线设备用于将一些被称为“自动化孤岛”的远程测量点连接到中央控制系统已有数十载的历史了。

在某些应用领域，如水处理和废水处理、油气生产等工业，大多数的测量点都分布在这些“孤岛”上。

与传统的PLC或DCS系统相比，监控和数据获取系统（以下简称SCADA）在连接这些孤立点方面更有优势。

当无线设备还将继续用于这类广泛分布的领域时，一种适用于典型过程工厂的自组网络应运而生了。

每台变送器拥有一个智能无线发送器，该发送器是一种目视距离的技术，它比红外线更灵活，可以穿墙、越栏，也可在小的管道和泵周围传递信息。

只要设备与网关之间没有实心的大体积容器，或特别厚的墙体阻隔并且距离在150米之内，通讯是不会有问题的。

在网状拓朴结构中，如果一台设备无法通过它需要的网关与另一台设备通讯，数据包则可以在许多必要设备之间进行跳跃，直到返回网关为止。

网状结构是工厂环境的理想之选，因为它允许设备安装在凹区或其它实心的金属阻挡物体周围，而无需购买昂贵的天线和放大器。

一旦整个无线网络达到足够的密度，用户完全可以相信任何一台新添加的设备至少能和两台设备进行通信，所以任何一台设备通讯失败都不会影响整个网络的通讯。

在自组网络中，设备可自动组成多条回路连接到网关，并且在增加新设备或出现阻碍物时，它可以动态重组网络，从而确保了通过较少的设备调节就可以实现数据的高度可靠性，同时避免了现场勘察成本。

无线方案的自组网络设备采用内部供电，变送器+电池符合1级1区防爆标准，这是因为这些设备是专为过程无线应用而设计的，而不是变送器与无线电的简单组合。

常规的设备需要高达20mA的连续电流才能驱动模拟输出运行，而无线压力传感器只需1mA，温度传感器的耗电量更低。

此外，这些设备均以开机时间最小化为标准而设计，实际上启动一台设备进行数据读取每分钟只需1秒。

因此，在典型的应用中，电池使用寿命可达5-7年。

电池可由用户在现场直接更换，无需进行防爆场所认证或通过高温作业许可。

最佳实践-安全、标准、应用

在用户对无线技术作出特定评价之前，他们会考虑以下因素：

∙安全：

该方案能否确保数据有效可用，且数据的访问权仅授权用户所有？

∙标准：

该方案是否符合开放协议？

能否实现多方设备的无缝整合？

它是否限制用户仅使用单方产品？

∙合理应用：

虽然有些供应商也推出“无线方案无处不在”方案，相关实体包括ISASP100推荐无线方案仅适用于特定的应用。

请注意，与采用其他新技术相比，使用无线技术前，对这三个方面的评估更加重要。

如果没有很仔细地考量这三个方面的因素，采用无线技术的最初3-6个月试用期，问题将不会很明显。

然而在试验期或在访问参照地点时表现较好的技术方案可能会在系统扩展后出现问题。

安全

安全对于无线网络来说至关重要。

因为无线数据和设备有可能传送至工厂之外，而这已超越了常规的工厂安保。

可靠性与安全相关。

一个设计可靠的系统能够确保随时获得数据，一个安全的系统能够确保数据的有效性，且只有授权用户才可以访问数据和设备。

黑客攻击以及设备突然遇到物理障碍或频率干扰都有可能影响安全性和可靠性。

坚固的安全系统可以提供多重保护抵御干扰和攻击。

首先，要确保可靠性，系统的频率必须灵活，也就说如果一个频率受阻，那么无线电可以选择另一个频率。

从理论上说，注册和使用一个固定频率可以避免受干扰的风险。

而事实上在常规的工厂环境中，大多数干扰并非来自于其它无线电波而是设备本身产生的一些随机的干扰，例如焊枪、变速电机等。

从理论上说，注册和使用一个固定频率可以避免干扰风险。

而事实上在常规的工厂环境中，大多数干扰并非来自于其它无线电波而是设备本身产生的一些伪真发射和随机发射，例如焊枪、变速电机等。

其次，所有数据都将加密传送，也许一些人可以用无线扫描仪和笔记本电脑将数据窃取，但他们却无法破解密码获取数据。

因此需要授权和确认管理-只有合法设备才可进入系统。

最后，如果密码和口令管理不善，即便是设计最为安全的系统也很容易被破坏。

因此系统应该使用动态的旋转密钥而不是静态密钥，并且应定期更新所有设备密码。

当在网络中添加新的设备时，用户只需拿着手操器设置一下网络名称和加入口令（这与在Wi-Fi网络上进行WEP加密很类似），但是只有加密的旋转密钥可以在网络中传播。

开放的标准

目前很多安装的无线设备采用的是专有通讯协议，从此用户只能被迫从一个供应商那里购买设备。

这种无竞争状态所带来的问题是显而易见的，此外，用户还要考虑设备淘汰的风险。

专有设备可以在没有标准的时代盛行，但是实践证明，一旦开放的标准被广泛应用，专有设备就会遭到淘汰。

例如在80年代和90年代，专有协议曾一度盛行，而能够使用到现在的只有诸如Ff,Profibus,和HART等开放式的智能变送器协议。

根据应用要求，开放式无线标准已经存在或正在形成。

例如设立无线以太网就是为了“自动化孤岛”（分散的设备）之间的通讯，而GSM开放标准则适用于移动电话的数据传输。

通过以太网，OPC（用于过程控制的OLE）是最适用于无线网关与主机系统之间进行通讯的开放标准，即便是最老的系统也能支持RTUModbus。

WirelessHART协议适用于工厂内相关标准。

这一开放协议于2007年9月获得认可，受到200多家HART用户的支持，并且它可以向后能兼容2千万套原有的HART有线设备。

因此用户只需同一个手操器，使用相同设备驱动的主机将会显示设备数据，这其中包括最近推出的EDDL的增强版，可兼容现有有线设备的信息。

供应商可以很方便地重新设计HART产品的属性以使其符合无线HART标准—目前有超过1000种HART设备是HART基金会的注册产品，这能确保在相对较短的时间内就可以提供设备满足需要。

与早年的Ff相比，当“niche”技术不具备Ff功能时，用户最终将会选择在现有的HART设备上增加无线功能。

由于现有设备是有线的，因此通过获取诊断信息和二级变量及提供远程维护获取的利益远远大于所节约的接线成本。

合理应用

虽然无线技术可以带来巨大的收益、高度的安全性以及开放的标准来降低风险，但是前提是用户将其使用在合理的应用领域。

最佳的无线设计可确保数据可靠率高达99.9%，因为所有的数据传输都有读取回复，并且如遇数据传输受阻或受干扰，就会自动再发送，直到发送成功为止。

但是，没有一种设计可以保证每一条信息都能够即刻到达，产生变量延迟。

只有所有的信息使用者都能够接受变量延迟时，系统设计人员才能考虑使用无线技术—数据到达有时会延迟不到1秒，有时10秒或更久些。

既然数据都有时间戳，延迟并不影响趋势的有效性和事件记录。

因此在监测、趋势分析或开放控制回路应用中，延迟通常是可以接受的。

但是在闭合回路控制或安全应用中延迟就不能被接受了。

正因为如此，ISASP-100委员会制定了相关的指导方针（图1）。

在这种情况下，无线技术只能用于监测、记录和远程维护。

如果用户的项目中既有监测又有关键控制/安全装置，我们可以采用硬接线连接控制和安全装置，而监测则采用无线方案。

或者，用户也可以将关键控制和安全逻辑放到现场控制器或PLC中，如果是Ff系统，还可以放到设备中。

现场控制器的更新数据可通过无线方式传递到中央主机，变量延迟只对更新的速度或操作员指令有所影响，并不会影响现场控制本身。

在原有完整结构（接线盒、线槽、DCSI/O等）中增加新的测量点，用户可将现有硬接线监测方式改为无线方式不失为一种创新。

然后这种自由升级的结构还可应用于新的关键控制/安全装置。

单是安装成本的节省就够用户再购置一套新的无线装置了，而且今后的扩展也很方便。

值得注意的是，用户不能以试用期或者对类似地点短期考察时的延时预期值为基准。

以采用RF无线技术的家用服务无线电设备为例，一对无线电设备在本地工厂的测试期内可能表现优异，几乎不受干扰，信号传送距离可达几公里，延迟时间也很短。

但是当系统扩展后，干扰就会增加，信号传送距离也会减少，数据延迟时间就可能会数十倍地增加。

随着无线技术的发展与用户经验的不断提高，我们可能不再需要指导方针了，而在不久的将来无线设备也甚至会在最重要的控制和安全应用中得以使用。

最佳实践-总结

用户现在可以增加以前无法以经济的方式实现的测量，从而提高工厂的安全性和可靠性，同时工厂运行效率更高，更符合环保法规。

新的无线自组织网络技术降低了安装成本，可方便灵活地访问多变量设备和诊断信息，并能与原有主机系统无缝集成。

为了实现收益最大化，长期风险最小化，用户应该：

∙考虑采用无线技术实现新的监控及记录应用。

∙在老的系统工厂中，如需在重要环节增加新的测点，可考虑使用无线技术替代现有有线结构。

∙确保任何一种无线方案都符合安全及开放标准。

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