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无线技术——创所未有

过去由于物理上和经济上的障碍，使得很多化工厂的信息很难或根本不可能获取，如今，可靠的无线通讯系统将这些障碍一扫而光。事实上，无线自动化技术致力于众多管理层所关注的问题，如连续过程改进、安全和环保等，无线技术使用方便、收益显著，它正在改变着整个工业的工作惯例。前所未有的过程和设备信息传输技术现在已经能够投入使用，无论工厂的控制系统有多老，都不成问题。

无线络

无线技术将现场络和工厂络整合到一个完整的无线工厂结构中。（图1）

无线现场络是一组能够测量一个或多个过程参数并将这些信息通过无线方式传递到关或接收器的设备。各种无线现场仪表可用于温度、压力、流量、液位、pH值、振动、离散开关量、检定1级实验机使用0.3级的标准测力仪阀门位置的测量。

一般情况下，关把来自于现场无线仪表的数据通过本地接口、Modbus、或类似的连接方式传递到控制系统，在这里无线、有线模拟量、基金会现场总线数据全部整合在一起。无线现场络的2个重要特征是低功率无线电传输以及符合过程工业对时间性、可靠性、安全性和准确性的要求。低功率的特点适用于非充电电池运行的设备。

无线工厂络采用符合IEEE802.11标准的Wi-Fi或更高带宽的络技术与移动工作人员通讯，进行人员或移动设备的跟踪，以及完成移动视频。这些应用的实现皆归功于高带宽、无线设备的可充电功能以及数据传输的清晰度和安全性。

通常工厂络采用工业级mesh IEEE802.11接入点，一种集中型络和安全管理，包括对一系列无线局域（WLAN）控制器的监督，这保证了无线功能的实现。这种共享络提供了一个工厂内跨地域和功能分区的无线通信平台，能支持多种应用程序。

化工企业利用无线技术可从工厂级开始向下到现场级，也可以从现场级向上到工厂级。我们发现从现场级开始使用无线技术将获得更快的回报。本文着重讲述的就是现场级的应用。

无线现场络的标准

信息技术委员会已对现行工厂络标准和惯例进行了完善，但是范围更为广泛的无线委员会还不能提供一个严格的、经过测试的工业标准来应用于无线现场传感器络。这一标准必须具有坚固的工业可靠性，而且现场设备和控制应用程序耗电要低，其通讯可靠性与有线方案相当。

WirelessHART就为用户提供了这种可信赖的无线现场络仪表。这些仪表来自涉及广泛工业领域的HART通讯基金会成员公司，HART基金会于2007年9月通过了WirelessHART标准，而WirelessHART产品也已于2008下半年开始发货并在各化工厂安装使用。

无线现场络崭露头角

由于无线仪表采用射频天线，无需接线，因此它具有低功率、可自带无线电收发器等特点，而且络通讯能力安全可靠，电池使用寿命长。（图2）

无线设备与有线设备在工艺流程图（P IDs）上的表示是一样的，对于操作人员来说数据的显示也是一样的，而无线系统的工程安装和调试则更简单。而且，接线图、线槽、接线柜、铠装电缆、桥架等全部都可以省掉，同时安装工作也可以降到最低。

建立无线络所需规划工作更少，而且安装和启动更快。经济上的优势和简单的操作，是无线技术区别于传统自动化方案的独到之处，它让工程师拥有更为广阔的想像空间去完成过去无法完成的任务。

图1、无线工厂结构集成了现场和工厂的应用络。过程和设备通过现场络中的WirelessHART设备进行监测；移动操作、人员和设备跟踪、实时影像则通过Wi-Fi由工厂级络行使。

图2、无线变送器通过射频天线传递信号，而电源线则被具有超长使用寿命的内置电池所代替。

传统有线方案的安装成本一般为每英尺50到100美元，视工程量而定。无线设备可节省至少90%以上的安装成本，因此以前需要花费昂贵代价才能进行监测的工厂设备，如远程储罐、泵、手动阀、安全喷淋装置等，现在可以通过无线变送器将测量数据传递回控制室，以提高过程可靠性和安全性，同时提高资产的管理。

无线技术方便易用，只需极少的工程量，运行效率却显著提高了。那些需要操作人员和维护人员到现场收集数据和进行操作的工作和时间通过无线仪表自动数据采集可以大大减少。

无线技术的商业优势将推动其进一步发展。去年位于波士顿的著名调研咨询机构ARC公司发布了一份名为“用于过程制造业的无线技术”的5年分析预测报告，报告指出用于过程制造业的无线设备市场将以每年32%的速度增长，并于2012年达到滚针11亿美元。

是否采用无线技术？

目前无线技术基本应用于以下2种情况，而第3个应用领域还刚刚起步。

必须在现有工厂内增加新的测量点。为了满足新发布的环境或安全法规，许多企业认为无线技术是最好最经济的解决方案。这些必须增加的新测点一般是储罐、泄压阀或安全喷淋装置，在这些地方安装无线仪表非常方便，而且安装完毕可以立即投入使用。

希望在现有工厂内增加测量点。这是适用无线技术的第2种情况：虽然希望获得数据但采用有线技术成本又太高。这也是目前无线技术应用最多的情况。工厂建成以后，一般不会再额外布线，在之后的工作当中，运行和过程管理人员可能会发现新的测量要求，以提高工厂的性能，但是安装新的有线测量点往往成本高昂，从经济角度来说，无线方案是最合适的。

“我们很希望能够监测这些设备，但是涉及的费用太高”大多数手动阀（也包括自动阀）目前都无法反馈它们的实际位置，不正确的阀门定位会引起严重的安全事故。

不常用的阀门由于接线成本高昂，一般并不对其进行常规监测，但是无线监测具有很大的吸引力，它的成本只占到有线方案的10%-20%。在化工厂中对阀门进行监测将很有可能成为最大的无线应用领域。

在新建厂中采用无线方案替代原来的有线方案。无线技术除了可用于监测之外，还可用于闭环回路控制，目前已在蒸汽汇集器和远程储罐上有所应用。只要是对数据刷新频率要求不是太高的情况都适合采用无线仪表。

无线仪表也能做到高频率数据刷新，但这样会很耗电。今后随着电池性能的不断提高，以及人们对于无线技术可靠度的信心不断增长，无线技术应用于控制领域也将逐渐得以普及。

当不可充电电池的性能提高了，人们在工厂中使用无线技术替代原来的有线设备进行关键点的监测就将成为可能。理想的状态是这样的：工厂只有少数几台与安全有关的仪国产材料企业进入非常困难表是通过有线方式连接的，其它的仪表全部采用无线方式。因此今后无线控制系统最有可能在改造和新建工厂中诞生。

无线技术的推全部都是自主研发广速度很大一部分取决于用户对无线技术可靠性的信任程度。有些人认为无线技术理所当然没有有线技术来得可靠，这并不正确。有线技术也有可能是不可靠的，尤其是在接地困难的情况下，这时无线则更为可靠。Canyons钢厂就是这样一个典型的例子，最初人们认为，移动物体如卡车或设备都会使无线系统产生问题，但是通过先进的自组织无线电频率络的时间同步技术等，这些障碍都能得以克服。在全球大量的应用中，无线络的可靠性达到了99%以上。

WirelessHART标准

WirelessHART作为应用于过程现场传感器络的无线技术的唯一标准，是具有充分理由的。WirelessHART采用信道跳频和点到点加密的自组织状络技术，可实现安全可靠的通讯，适用于低功率的过程应用及控制。

采用WirelessHART对于最终用户来说没有什么障碍，因为它可以向后与2600万台已安装使用的HART仪表兼容，同时它又可与现有的工程、资产管理和主机系统（DCC、PLC等）集成。这样，用户在组态和操作WirelessHART设备时，所看到的界面与有线仪表就没有什么差别了，而且由于无线设备能够传递额外的信息，是对有线设备的有效补充和扩展，这点对于人们更快更方便地采讷无线技术来说是非常重要的。

WirelessHART是目前唯一获得正规标准委员会认可的现场络技术，它基于全球通用的标准IEEE802.15.4，并且获得了210家HART通讯基金会成员公司的认可，最近国际电工委员会还批准WirelessHART为公共可用规范（PAS）。美国自动化协会（ISA）也成立了委员会专门研究用于过程工业的无线标准，包括无线规范ISA100.11a和更新的针对过程工业的WirelessHART 规范ISA100.12。

无线现场络应用

化工行业对于无线仪表的兴趣体现在有越来越多的人索取相关的技术资料，而90%的需求都是针对现场络的。除了之前提到过的手动阀位置监测应用以外，还有以下成功案例可供参考。

热交换器一般都是任其运行，直到结圬停运，当然这就会影响运行效果，而即使是在比较新的工厂里也很少会安装仪表对其进行监测。无线监测设备能够提前通知工厂人员热交换器需要在下次计划停车时进行清洗。

欧洲一家知名过程企业制定了一套设备健康状态系统来改进热交换器的维护工作。该公司一位工程师指出：“对热交换器的无线监测使我们能够确定哪台设备结圬最严重需要清洗，这要比进行常规的计划清洗更节省成本，从而使维护工作的投入产出率更高。”

过滤器也一样时常被使用到结圬为止，事实上，通过对重要的过滤系统进行无线监测，可以大大改进过滤器的性能，同时降低能耗。

欧洲一家聚乙烯制造商在其位于科隆的工厂中采用无线设备监测过滤器的堵塞，以防止生产中断（图3）。生产出来的聚乙烯颗粒通过气动传输系统被送到存储筒内，进入的空气需要经过过滤防止产品受到污染。一旦过滤器堵塞，就将完全失去过滤效力，而最终产品的质量也会因此下降。过滤器安装的位置一般都很难到达，采用无线差压变送器可以帮助维护人员方便地确定需要清洗或更换的过滤器，从而减少生产的中断。

储罐会面临较为特殊的测量问题，尤其是一个远程罐区内有几十个储罐需要测量液位、温度和压力的情况，由于远距离敷设地下电缆成本过高，所以很少在罐区内安装仪表。无线络显然是一个理想的方案。

在一家磷肥厂中，自组织状络精确地将来自于2水生蔬菜50英尺外反应罐上的16台压力及温度测量点的读数以每分钟一次的更新频率传递到中控室（图4）。远程储罐高40英尺，内部有4层不同的反应床与不同的过程化学物质进行反应。仅管这并不属于危险区域，但是储罐的分布和距离会使布线非常困难而且特殊食品成本很高。工厂的DCS专家说：“自组织络结构在这项应用中起到了决定性的作用， 我们已经计划增加更多的设备来搭建无线络。”

泵和电机的健康状况需要经常进行检测，以免轴承故障导致重要的泵或电机停机，最糟糕的是还可能引起过程停运，这时损失可就大了。无线振动监测变送器可对机械设备进行监测，并将测量数据传送到分析软件，预先发现和确定问题所在，以在适当的时候安排维护工作。

有些场所并不适合工作人员拿着手持仪表采集设备振动数据，于是人们想到了自动数据采集系统。解决方案就是无线振动变送器加一台智能关——工程只需几天，而且可以连续提供精扎兰屯确的振动数据，工作人员现在不必再去危险场所采集数据了。