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

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)將現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )整合到一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)工廠(chǎng)結構中。（圖1）

    無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )是一組能夠測量一個(gè)或多個(gè)過(guò)程參數并將這些信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳遞到網(wǎng)關(guān)或接收器的設備。各種無(wú)線(xiàn)現場(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(mén)位置的測量。

    一般情況下，網(wǎng)關(guān)把來(lái)自于現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表的數據通過(guò)本地接口、Modbus、或類(lèi)似的連接方式傳遞到控制系統，在這里無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)模擬量、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)數據全部整合在一起。無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的2個(gè)重要特征是低功率無(wú)線(xiàn)電傳輸以及符合過(guò)程工業(yè)對時(shí)間性、可靠性、安全性和準確性的要求。低功率的特點(diǎn)適用于非充電電池運行的設備。

　　無(wú)線(xiàn)工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )采用符合IEEE802.11標準的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)設備的跟蹤，以及完成移動(dòng)視頻。這些應用的實(shí)現皆歸功于高帶寬、無(wú)線(xiàn)設備的可充電功能以及數據傳輸的清晰度和安全性。

    通常工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )采用工業(yè)級mesh IEEE802.11接入點(diǎn)，一種集中型網(wǎng)絡(luò )和安全管理，包括對一系列無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）控制器的監督，這保證了無(wú)線(xiàn)功能的實(shí)現。這種共享網(wǎng)絡(luò )提供了一個(gè)工廠(chǎng)內跨地域和功能分區的無(wú)線(xiàn)通信平臺，能支持多種應用程序。

    化工企業(yè)利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)可從工廠(chǎng)級開(kāi)始向下到現場(chǎng)級，也可以從現場(chǎng)級向上到工廠(chǎng)級。我們發(fā)現從現場(chǎng)級開(kāi)始使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)將獲得更快的回報。本文著(zhù)重講述的就是現場(chǎng)級的應用。

    無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的標準

    信息技術(shù)委員會(huì )已對現行工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )標準和慣例進(jìn)行了完善，但是范圍更為廣泛的無(wú)線(xiàn)委員會(huì )還不能提供一個(gè)嚴格的、經(jīng)過(guò)測試的工業(yè)標準來(lái)應用于無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò )。這一標準必須具有堅固的工業(yè)可靠性，而且現場(chǎng)設備和控制應用程序耗電要低，其通訊可靠性與有線(xiàn)方案相當。

    WirelessHART就為用戶(hù)提供了這種可信賴(lài)的無(wú)線(xiàn)現場(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標準，而WirelessHART產(chǎn)品也已于2008下半年開(kāi)始發(fā)貨并在各化工廠(chǎng)安裝使用。

　　無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )嶄露頭角

    由于無(wú)線(xiàn)儀表采用射頻天線(xiàn)，無(wú)需接線(xiàn)，因此它具有低功率、可自帶無(wú)線(xiàn)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(cháng)。（圖2）

    無(wú)線(xiàn)設備與有線(xiàn)設備在工藝流程圖（P&IDs）上的表示是一樣的，對于操作人員來(lái)說(shuō)數據的顯示也是一樣的，而無(wú)線(xiàn)系統的工程安裝和調試則更簡(jiǎn)單。而且，接線(xiàn)圖、線(xiàn)槽、接線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )所需規劃工作更少，而且安裝和啟動(dòng)更快。經(jīng)濟上的優(yōu)勢和簡(jiǎn)單的操作，是無(wú)線(xiàn)技術(shù)區別于傳統自動(dòng)化方案的獨到之處，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)?！?nbsp; 

  圖1、無(wú)線(xiàn)工廠(chǎng)結構集成了現場(chǎng)和工廠(chǎng)的應用網(wǎng)絡(luò )。過(guò)程和設備通過(guò)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )中的WirelessHART設備進(jìn)行監測；移動(dòng)操作、人員和設備跟蹤、實(shí)時(shí)影像則通過(guò)Wi-Fi由工廠(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )行使。

圖2、無(wú)線(xiàn)變送器通過(guò)射頻天線(xiàn)傳遞信號，而電源線(xiàn)則被具有超長(cháng)使用壽命的內置電池所代替。

    傳統有線(xiàn)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(xiàn)設備可節省至少90%以上的安裝成本，因此以前需要花費昂貴代價(jià)才能進(jìn)行監測的工廠(chǎng)設備，如遠程儲罐、泵、手動(dòng)閥、安全噴淋裝置等，現在可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)變送器將測量數據傳遞回控制室，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(xiàn)技術(shù)方便易用，只需極少的工程量，運行效率卻顯著(zhù)提高了。那些需要操作人員和維護人員到現場(chǎng)收集數據和進(jìn)行操作的工作和時(shí)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)儀表自動(dòng)數據采集可以大大減少。

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)的商業(yè)優(yōu)勢將推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展。去年位于波士頓的著(zhù)名調研咨詢(xún)機構ARC公司發(fā)布了一份名為“用于過(guò)程制造業(yè)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)”的5年分析預測報告，報告指出用于過(guò)程制造業(yè)的無(wú)線(xiàn)設備市場(chǎng)將以每年32%的速度增長(cháng)，并于2012年達到11億美元。

　　是否采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)？

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

    必須在現有工廠(chǎng)內增加新的測量點(diǎn)。為了滿(mǎn)足新發(fā)布的環(huán)境或安全法規，許多企業(yè)認為無(wú)線(xiàn)技術(shù)是最好最經(jīng)濟的解決方案。這些必須增加的新測點(diǎn)一般是儲罐、泄壓閥或安全噴淋裝置，在這些地方安裝無(wú)線(xiàn)儀表非常方便，而且安裝完畢可以立即投入使用。

    希望在現有工廠(chǎng)內增加測量點(diǎn)。這是適用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的第2種情況：雖然希望獲得數據但采用有線(xiàn)技術(shù)成本又太高。這也是目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用最多的情況。工廠(chǎng)建成以后，一般不會(huì )再額外布線(xiàn)，在之后的工作當中，運行和過(guò)程管理人員可能會(huì )發(fā)現新的測量要求，以提高工廠(chǎng)的性能，但是安裝新的有線(xiàn)測量點(diǎn)往往成本高昂，從經(jīng)濟角度來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)方案是最合適的。

    “我們很希望能夠監測這些設備，但是涉及的費用太高”大多數手動(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(mén)定位會(huì )引起嚴重的安全事故。

    不常用的閥門(mén)由于接線(xiàn)成本高昂，一般并不對其進(jìn)行常規監測，但是無(wú)線(xiàn)監測具有很大的吸引力，它的成本只占到有線(xiàn)方案的10%-20%。在化工廠(chǎng)中對閥門(mén)進(jìn)行監測將很有可能成為最大的無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域。

    在新建廠(chǎng)中采用無(wú)線(xiàn)方案替代原來(lái)的有線(xiàn)方案。無(wú)線(xiàn)技術(shù)除了可用于監測之外，還可用于閉環(huán)回路控制，目前已在蒸汽匯集器和遠程儲罐上有所應用。只要是對數據刷新頻率要求不是太高的情況都適合采用無(wú)線(xiàn)儀表。

    無(wú)線(xiàn)儀表也能做到高頻率數據刷新，但這樣會(huì )很耗電。今后隨著(zhù)電池性能的不斷提高，以及人們對于無(wú)線(xiàn)技術(shù)可靠度的信心不斷增長(cháng)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于控制領(lǐng)域也將逐漸得以普及。

    當不可充電電池的性能提高了，人們在工廠(chǎng)中使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)替代原來(lái)的有線(xiàn)設備進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的監測就將成為可能。理想的狀態(tài)是這樣的：工廠(chǎng)只有少數幾臺與安全有關(guān)的儀表是通過(guò)有線(xiàn)方式連接的，其它的儀表全部采用無(wú)線(xiàn)方式。因此今后無(wú)線(xiàn)控制系統最有可能在改造和新建工廠(chǎng)中誕生。

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)的推廣速度很大一部分取決于用戶(hù)對無(wú)線(xiàn)技術(shù)可靠性的信任程度。有些人認為無(wú)線(xiàn)技術(shù)理所當然沒(méi)有有線(xiàn)技術(shù)來(lái)得可靠，這并不正確。有線(xiàn)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(xiàn)則更為可靠。Canyons鋼廠(chǎng)就是這樣一個(gè)典型的例子，最初人們認為，移動(dòng)物體如卡車(chē)或設備都會(huì )使無(wú)線(xiàn)系統產(chǎn)生問(wèn)題，但是通過(guò)先進(jìn)的自組織無(wú)線(xiàn)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。在全球大量的應用中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的可靠性達到了99%以上。

　　WirelessHART標準

　　WirelessHART作為應用于過(guò)程現場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)技術(shù)的唯一標準，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)現安全可靠的通訊，適用于低功率的過(guò)程應用及控制。

　　采用WirelessHART對于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么障礙，因為它可以向后與2600萬(wàn)臺已安裝使用的HART儀表兼容，同時(shí)它又可與現有的工程、資產(chǎn)管理和主機系統（DCC、PLC等）集成。這樣，用戶(hù)在組態(tài)和操作WirelessHART設備時(shí)，所看到的界面與有線(xiàn)儀表就沒(méi)有什么差別了，而且由于無(wú)線(xiàn)設備能夠傳遞額外的信息，是對有線(xiàn)設備的有效補充和擴展，這點(diǎn)對于人們更快更方便地采訥無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)說(shuō)是非常重要的。

　　WirelessHART是目前唯一獲得正規標準委員會(huì )認可的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它基于全球通用的標準IEEE802.15.4，并且獲得了210家HART通訊基金會(huì )成員公司的認可，最近國際電工委員會(huì )還批準WirelessHART為公共可用規范（PAS）。美國自動(dòng)化協(xié)會(huì )（ISA）也成立了委員會(huì )專(zhuān)門(mén)研究用于過(guò)程工業(yè)的無(wú)線(xiàn)標準，包括無(wú)線(xiàn)規范ISA100.11a和更新的針對過(guò)程工業(yè)的WirelessHART 規范ISA100.12。

    無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )應用

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

    熱交換器一般都是任其運行，直到結圬停運，當然這就會(huì )影響運行效果，而即使是在比較新的工廠(chǎng)里也很少會(huì )安裝儀表對其進(jìn)行監測。無(wú)線(xiàn)監測設備能夠提前通知工廠(chǎng)人員熱交換器需要在下次計劃停車(chē)時(shí)進(jìn)行清洗。

    歐洲一家知名過(guò)程企業(yè)制定了一套設備健康狀態(tài)系統來(lái)改進(jìn)熱交換器的維護工作。該公司一位工程師指出：“對熱交換器的無(wú)線(xiàn)監測使我們能夠確定哪臺設備結圬最嚴重需要清洗，這要比進(jìn)行常規的計劃清洗更節省成本，從而使維護工作的投入產(chǎn)出率更高?！?/P>

     過(guò)濾器也一樣時(shí)常被使用到結圬為止，事實(shí)上，通過(guò)對重要的過(guò)濾系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn)監測，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(chǎng)中采用無(wú)線(xiàn)設備監測過(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)傳輸系統被送到存儲筒內，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，采用無(wú)線(xiàn)差壓變送器可以幫助維護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。

    儲罐會(huì )面臨較為特殊的測量問(wèn)題，尤其是一個(gè)遠程罐區內有幾十個(gè)儲罐需要測量液位、溫度和壓力的情況，由于遠距離敷設地下電纜成本過(guò)高，所以很少在罐區內安裝儀表。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )顯然是一個(gè)理想的方案。

    在一家磷肥廠(chǎng)中，自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )精確地將來(lái)自于250英尺外反應罐上的16臺壓力及溫度測量點(diǎn)的讀數以每分鐘一次的更新頻率傳遞到中控室（圖4）。遠程儲罐高40英尺，內部有4層不同的反應床與不同的過(guò)程化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行反應。僅管這并不屬于危險區域，但是儲罐的分布和距離會(huì )使布線(xiàn)非常困難而且成本很高。工廠(chǎng)的DCS專(zhuān)家說(shuō)：“自組織網(wǎng)絡(luò )結構在這項應用中起到了決定性的作用， 我們已經(jīng)計劃增加更多的設備來(lái)搭建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )?！?

    泵和電機的健康狀況需要經(jīng)常進(jìn)行檢測，以免軸承故障導致重要的泵或電機停機，最糟糕的是還可能引起過(guò)程停運，這時(shí)損失可就大了。無(wú)線(xiàn)振動(dòng)監測變送器可對機械設備進(jìn)行監測，并將測量數據傳送到分析軟件，預先發(fā)現和確定問(wèn)題所在，以在適當的時(shí)候安排維護工作。

    有些場(chǎng)所并不適合工作人員拿著(zhù)手持儀表采集設備振動(dòng)數據，于是人們想到了自動(dòng)數據采集系統。解決方案就是無(wú)線(xiàn)振動(dòng)變送器加一臺智能網(wǎng)關(guān)——工程只需幾天，而且可以連續提供精確的振動(dòng)數據，工作人員現在不必再去危險場(chǎng)所采集數據了。

    監測諸如撬座、泵、壓縮機、手提式試驗或測試設備等移動(dòng)設備時(shí)，是不可能用傳統的有線(xiàn)方案來(lái)完成的。無(wú)線(xiàn)設備可用于監測各種移動(dòng)變量，甚至是從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。

    一家全球專(zhuān)業(yè)的化學(xué)品制造公司需要測量鐵路槽車(chē)的溫度，這個(gè)問(wèn)題通過(guò)無(wú)線(xiàn)方案輕易地得以解決，他們在每一節鐵路槽車(chē)上安裝一臺無(wú)線(xiàn)溫度變送器，無(wú)論鐵路槽車(chē)開(kāi)往工廠(chǎng)任何地方，溫度數據都能源源不斷地向中控系統發(fā)送，操作人員可以據此查覺(jué)任何不正常的升溫。由于操作人員不必再定期爬到槽車(chē)頂部測量和記錄內部溫度，該公司因此每年可以節省15000美元。

    根據環(huán)境標準要求，從江河里抽上來(lái)的水重新排放回去時(shí)溫度應不高于原水溫2度，而且法規還經(jīng)常規定要連續記錄進(jìn)水口和出水口的溫度。

    歐洲一家醋酸廠(chǎng)采用無(wú)線(xiàn)溫度變送器遠程監測水溫（圖5），以節省地下敷設電纜的安裝費用。公司一名發(fā)言人說(shuō)道：“無(wú)線(xiàn)技術(shù)的安裝和集成都很方便，而且網(wǎng)絡(luò )可靠性達到100%”

    旋轉設備和渦輪機的監測通常是由操作人員定期拿著(zhù)手提式振動(dòng)數據采集器完成的。無(wú)線(xiàn)分析變送器可連續監測渦輪、發(fā)電裝置、往復式發(fā)動(dòng)機、壓縮機以及其它電機驅動(dòng)設備，如發(fā)現可疑問(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(chǎng)安裝了大量無(wú)線(xiàn)壓力、溫度和振動(dòng)儀表用于監測，以節省成本。該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )包括幾臺用來(lái)監測鹽水離心機的無(wú)線(xiàn)振動(dòng)變送器，這是以前所無(wú)法實(shí)現的。例如，潤滑油不足會(huì )引起軸承的嚴重磨損，現在根據振動(dòng)數據分析，可以發(fā)現潤滑油的不足，完全做到防患于未然。

圖5. 醋酸廠(chǎng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)變送器監測排水溫度，以滿(mǎn)足環(huán)境法規

    通過(guò)有線(xiàn)設備測量旋轉過(guò)程設備內部尤其困難。在澳大利亞的一家化工公司中，安裝在旋轉反應器上的有線(xiàn)儀表環(huán)滑式密封圈泄漏，使濕氣進(jìn)入儀表，造成儀表讀數不精確。

    在移動(dòng)設備上安裝無(wú)線(xiàn)壓力和溫度變送器后，測量數據的可靠性提高了，曾經(jīng)頻繁出現的返應器停車(chē)以及因此而引起的停工損失一去不復返了。

    電伴熱用來(lái)調整管道和過(guò)程容器的內部溫度，但是在長(cháng)距離的管道上安裝有線(xiàn)監測設備費用相當昂貴。澳大利亞的一家工廠(chǎng)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故障，管道內就會(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?？看a頭超過(guò)預期時(shí)間，那么每天所需支付的逾期費用將高達3萬(wàn)美元。為此用戶(hù)在3000英尺（900米）長(cháng)，直徑8英寸（20厘米）的管道上安裝了8臺無(wú)線(xiàn)溫度變送器，以每分鐘一次的頻率將測量信息傳送至陸上網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將數據傳遞到資產(chǎn)管理軟件，進(jìn)行儀表組態(tài)和性能監測。所收集到的數據同時(shí)還通過(guò)光纖傳輸到終端控制中心的SCADA系統中，以使操作人員可以隨時(shí)了解伴熱管線(xiàn)的狀態(tài)。

    無(wú)線(xiàn)方案可方便地用于一些臨時(shí)測點(diǎn)，這樣在系統開(kāi)車(chē)或檢修時(shí)，系統集成商以及最終用戶(hù)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)理表示在檢測故障的時(shí)候，將無(wú)線(xiàn)壓力變送器從一個(gè)地方挪到另一個(gè)地方，操作相當簡(jiǎn)便?！爸恍?分鐘，我就能查出故障并很快把無(wú)線(xiàn)變送器放回原處。無(wú)線(xiàn)技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò )結構具有很大的靈活性，為檢測和排除故障以及開(kāi)發(fā)新的無(wú)線(xiàn)應用領(lǐng)域提供了便利?！?/P>

    無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)施

    全數字化的WirelessHART通訊協(xié)議可支持任何工業(yè)儀表的應用，無(wú)論是控制還是監測功能，就和現在的HART產(chǎn)品是完全一樣的。

    網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構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 )則可以根據影響無(wú)線(xiàn)電信號傳播的各種外界干擾進(jìn)行自我調整，比如設備啟動(dòng)或停止；卡車(chē)經(jīng)過(guò)；或其它的無(wú)線(xiàn)電干擾以及雷電情況。

    信號可選擇任何一條路徑到達網(wǎng)關(guān)，而并不局限于目視距離路徑。因此無(wú)需事先對現場(chǎng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電頻率的調研。

    WirelessHART標準的制定已經(jīng)考慮到了頻繁的外界變化。因為環(huán)境的變化是動(dòng)態(tài)的，技術(shù)人員不可能也沒(méi)時(shí)間和能力對動(dòng)態(tài)的變化一一響應，所以無(wú)線(xiàn)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。對于現有的可支持HART設備的控制系統，同樣也可以方便地兼容WirelessHART.

　　網(wǎng)絡(luò )設計規范

　　雖然自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )并不要求現場(chǎng)調研，但是必要的規劃可以使網(wǎng)絡(luò )運行更有效，更可靠。

　　WirelessHART網(wǎng)絡(luò )的設計要領(lǐng)如下：

    首先計劃在一個(gè)過(guò)程單元或區域采用無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，并獲得該地區的比例圖。讓我們先從設備圖開(kāi)始，根據下例條件在比例圖上標出所需安裝的無(wú)線(xiàn)儀表。

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

    在一般建筑物內，無(wú)線(xiàn)設備的最大有效信號傳遞距離是250英尺（75米）。

    在厚實(shí)的建筑物內，無(wú)線(xiàn)設備的最大有效信號傳遞距離是100英尺（30米）。

    當網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的無(wú)線(xiàn)設備能夠和其它相鄰的3臺設備進(jìn)行通訊時(shí)，網(wǎng)絡(luò )的性能是最好的。無(wú)線(xiàn)設備之間的距離取決于周?chē)沫h(huán)境，但基本都在上述所列范圍內，這樣可以確保在網(wǎng)絡(luò )搭建好后至少有2條通訊路徑。如果在設計過(guò)程中沒(méi)有做到讓1臺無(wú)線(xiàn)設備與其它3臺無(wú)線(xiàn)儀表通訊，那么就需要增加無(wú)線(xiàn)儀表或轉發(fā)器來(lái)加強通訊。

    在多數情況下對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(xiàn)儀表的通訊路徑或阻隔了一群無(wú)線(xiàn)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(xiàn)設備安裝在封閉區域，例如設備室內，就需要在室外再加裝一個(gè)天線(xiàn)或轉發(fā)器。

    整合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

    無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )與工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的整合可以使商務(wù)應用和過(guò)程應用更方便，功能更強大，工作人員監測工廠(chǎng)運行和環(huán)境的能力也將大大提高。有用數據的傳輸在現場(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )采用WirelessHART標準，工廠(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )采用Wi-Fi標準。

    新的基于網(wǎng)絡(luò )的以服務(wù)為導向的結構使得企業(yè)管理層與工廠(chǎng)層的通訊變得前所未有的簡(jiǎn)單，這時(shí)企業(yè)的軟件結構也將得到很大的改進(jìn)。例如，現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的性能監測信息應用于企業(yè)優(yōu)化軟件；罐區液位監測信息應用于庫存管理軟件；或是關(guān)鍵設備的診斷信息直接應用于計算機維護管理系統。

    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(xiàn)技術(shù)集成到主機控制系統或信息系統中需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)翻譯信號，例如，從WirelessHART到以太網(wǎng)。

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

    原生化。整合無(wú)線(xiàn)方案的最佳狀態(tài)是主機系統本身就支持無(wú)線(xiàn)設備，如圖1所述。事實(shí)上，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是有線(xiàn)儀表還是無(wú)線(xiàn)儀表在主機系統上的顯示是一樣的，無(wú)需特殊軟件和專(zhuān)門(mén)的通訊知識。

    最新版本的系統都帶有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的本地接口，先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)可以自動(dòng)進(jìn)行感應和組態(tài)，使網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)車(chē)和調試又快又方便。此外，來(lái)自于HART和 WirelessHART設備的預警信息可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)直接供預測維護軟件使用，無(wú)需再另外搭建網(wǎng)絡(luò )。

圖6.現有的過(guò)程裝置可采用各種主機通訊協(xié)議實(shí)現無(wú)線(xiàn)技術(shù)，或是通過(guò)無(wú)線(xiàn)適配器將有線(xiàn)設備變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)設備。

    串口限制。如果網(wǎng)絡(luò )中采用串口Modbus ，如圖6所示，主機系統必須具有足夠的連接數量。為了實(shí)現對過(guò)程變量和設備狀態(tài)的遠程監測，每個(gè)數據點(diǎn)都需要多個(gè)Modbus寄存器。由于協(xié)議本身在DCS系統中的局限性，無(wú)法對數據進(jìn)行加密，也不能對訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)行管理，因此在串口系統中，安全措施僅限于物理隔離。

    以太網(wǎng)選項。如果主機應用程序需要通過(guò)Modbus TCP、OPC或HTML連接，那么就要用到有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)。以太網(wǎng)通訊不像串口系統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)的遠程訪(fǎng)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 )中的其它設備一樣。

    無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)能夠為設備診斷信息和測量數據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備范圍和主機網(wǎng)絡(luò )內的任何地方，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(chǎng)現有的設備和控制系統搭建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是非常簡(jiǎn)單的。許多工廠(chǎng)從包括幾臺儀表和1臺網(wǎng)

　　關(guān)的小型無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )起步。建立第1個(gè)無(wú)線(xiàn)測點(diǎn)當然會(huì )是最貴的，因為即使只使用1臺無(wú)線(xiàn)變送器，也同樣需要網(wǎng)關(guān)、計算機、軟件等設施，但是一旦這個(gè)網(wǎng)絡(luò )建立起來(lái)以后，每增加一臺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臺變送器。當然如果規模更大，也可以增加更多的網(wǎng)關(guān)。

　　通過(guò)無(wú)線(xiàn)的監測功能來(lái)測試和評估無(wú)線(xiàn)技術(shù)幾乎沒(méi)有風(fēng)險，用戶(hù)可以從并不昂貴的無(wú)線(xiàn)啟動(dòng)包開(kāi)始，逐步推廣到工程、運行和維護部門(mén)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以提高設備可靠性、減少工廠(chǎng)停車(chē)時(shí)間、改進(jìn)過(guò)程控制，并創(chuàng )造更安全的工作環(huán)境。

　　當第1個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)始發(fā)揮作用以后，運行和維護人員還將發(fā)現其它采集額外過(guò)程數據和監測資產(chǎn)的應用。

　　如前所述，有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以方便地集成到同一個(gè)規?？勺兊慕Y構中，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，數字工廠(chǎng)結構的范圍擴展到了以前從經(jīng)濟或實(shí)際操作上都無(wú)法啟及的領(lǐng)域。由于無(wú)線(xiàn)技術(shù)完全基于開(kāi)放的標準，因此系統設計人員可以從范圍廣泛的無(wú)線(xiàn)方案中進(jìn)行設備和技術(shù)的挑選，而不必受專(zhuān)有技術(shù)和供應商的束縛。

　　表1. 集成無(wú)線(xiàn)技術(shù)的主要協(xié)議

    從有線(xiàn)到有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)并存的演變，預示著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)繼續發(fā)展的強大潛力。企業(yè)的技術(shù)部門(mén)以及IT部門(mén)和過(guò)程自動(dòng)化人員都在共同協(xié)作研究和實(shí)施新的運行技術(shù)，以提高產(chǎn)量，同時(shí)提高安全性和環(huán)境保護能力。除了工廠(chǎng)的升級改造，在新建工廠(chǎng)中也有可能采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)替代有線(xiàn)儀表。

　　通往無(wú)線(xiàn)天地的大門(mén)向開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)新產(chǎn)品的廠(chǎng)商以及開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)新應用的用戶(hù)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)擔憂(yōu)，就像英特網(wǎng)的誕生，衍生出了許多以前難以想像的創(chuàng )新應用。與此類(lèi)似，應用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的無(wú)線(xiàn)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(zhù)經(jīng)濟優(yōu)勢，讓我們相信WirelessHART技術(shù)在未來(lái)5年內可以占到新建工廠(chǎng)的20%。