概述

    PlantWeb 大學(xué)關(guān)于無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用的其它大多數課程都跟監測和診斷有關(guān)。 這是因為無(wú)線(xiàn)技術(shù)在今天的應用中最大的價(jià)值在于它能夠讓我們用一種方便、經(jīng)濟的方式來(lái)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？是否也應該考慮使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)呢？答案是肯定的。但是用戶(hù)有必要對特定的應用考察一下，考慮如何在今天的無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用的優(yōu)勢和局限性之間做權衡。

    前文已經(jīng)詳細介紹了無(wú)線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是利用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )可以提供的經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗的可靠性，比99％的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )要高，而且在安全方面也毫不遜色。

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

    更新率

    要判斷無(wú)線(xiàn)技術(shù)是否適用于用戶(hù)的控制應用，首先應該確定一個(gè)良好的過(guò)程控制所需要的更新率。 

    要獲得精確的控制，測量數據需要能夠充分地反映有關(guān)過(guò)程的具體狀況。測量變送器通常要多次對過(guò)程變量進(jìn)行采樣，對讀數進(jìn)行過(guò)濾，然后再將結果通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到控制器。

    通常過(guò)程中的有些變量變化很慢，而有些則非?？?。假如傳送到主機系統的測量值不夠頻繁，不能很好地表現變量的狀況，那么用于控制的數據也就難以準確地反映過(guò)程中發(fā)生的情況。

    然而在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域，要求很高的更新率常常并不現實(shí)。數據的每次更新都需要耗用能量進(jìn)行處理和傳送，更新率越快，耗能也就越高。除非您愿意每隔數月就更換一次電池，或者干脆為現場(chǎng)設備直接鋪設電纜送電，以犧牲某些無(wú)線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢為代價(jià)。通常無(wú)線(xiàn)系統的更新率都要比有線(xiàn)系統來(lái)得要低。

    雖然真正無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的設備通常經(jīng)過(guò)配置之后更新率大約在每分鐘兩次左右，其實(shí)它們都可以支持每秒鐘一次的更新率。這個(gè)更新率對于有些應用，變量變化較慢的比如液位和溫度回路或者那些通過(guò)在線(xiàn)分析儀器的反饋進(jìn)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(wú)線(xiàn)技術(shù)的控制。

    關(guān)鍵是要了解過(guò)程的要求，然后再在更新率和電池壽命之間做出正確的權衡。 有些設備供應商可以提供相關(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(hù)找到它們之間的正確平衡，之后再來(lái)決定無(wú)線(xiàn)控制是否適合于某個(gè)特定的應用。

    網(wǎng)絡(luò )延遲時(shí)間

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

    信息包從其來(lái)源到達目的地的過(guò)程中所發(fā)生的任何耽擱都被稱(chēng)作延遲時(shí)間。

    所有的通信過(guò)程都有一定的時(shí)間延遲。在絕大多數的有線(xiàn)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )中，延遲時(shí)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的信息處理技術(shù)都會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )的延遲時(shí)間，以至于今天的無(wú)線(xiàn)技術(shù)可能無(wú)法適用于要求響應時(shí)間以毫秒計的快速控制回路。

    為什么會(huì )出現這種狀況呢？

    在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域里，隨著(zhù)從發(fā)送器到接收器（網(wǎng)關(guān)或主機系統）之間距離的增加，信號強度會(huì )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(guò)來(lái)降低了數據吞吐量，增加了信號抵達目的地需要的時(shí)間。

    設備供應商有時(shí)會(huì )安裝一個(gè)八木定向天線(xiàn)以增加信號增益，從而獲得更強的無(wú)線(xiàn)鏈路。但是這種方法雖然能在某些應用中減少延遲時(shí)間，卻成本不菲。

    避免信號強度問(wèn)題的另外一種方法是，將信號通過(guò)其它的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)進(jìn)行傳遞，直到抵達網(wǎng)關(guān)或者主機為止。節點(diǎn)之間的距離更短了，通信的可靠性也隨之提高。內置式冗余度，即具有多個(gè)可以傳遞信號到目的地的節點(diǎn)也可以達到同樣的效果。
 

    可靠性對過(guò)程控制非常重要。然而，從節點(diǎn)到節點(diǎn)之間額外的“跳頻”也同時(shí)會(huì )增加整個(gè)信號傳輸時(shí)間。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò )延遲時(shí)間可能只有數微秒之短，也可能在極端情況下達到一秒到兩秒之久。在某些地點(diǎn)可能會(huì )由于整體延遲時(shí)間太長(cháng)而無(wú)法支持快速控制回路。

    這就是為什么在將無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于控制之前，用戶(hù)需要首先確定網(wǎng)絡(luò )時(shí)間延遲是否處于可以接受的限制范圍之內的原因。
 

    使用分級

    以上討論的有關(guān)因素，使無(wú)線(xiàn)技術(shù)更適合于某些應用類(lèi)型，而對其它的類(lèi)型則要差一些。 因此，標準委員會(huì )開(kāi)發(fā)出相關(guān)的工具來(lái)幫助用戶(hù)對其應用加以全面的考量，并對無(wú)線(xiàn)過(guò)程控制的案例加以利用。

    例如 ISA SP100 委員會(huì )。 這個(gè)委員會(huì )正在為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在過(guò)程工業(yè)當中的應用設立標準，他們定義了六個(gè)使用等級，幫助用戶(hù)確定無(wú)線(xiàn)技術(shù)何時(shí)可以適用。

          

    當前大多數的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )都適合于4級和5級應用，其中包括監測應用。目前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的典型延遲時(shí)間和更新率都處于這些應用的要求范圍之內。

    如果在更新率和延遲時(shí)間方面能夠滿(mǎn)足控制響應的要求，那么無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )也可以用于2級和3級回路之中。

    例如，無(wú)線(xiàn)控制在第3級控制應用中可以工作良好——在這些應用中操作人員必須離開(kāi)控制室（多半是在剛獲得工作許可之后）進(jìn)行適當的控制操作，如啟動(dòng)泵或者打開(kāi)一只手動(dòng)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年之久，這個(gè)更新率會(huì )符合要求）已經(jīng)足夠快了。

    假如本地電源不方便，或者用戶(hù)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(wú)線(xiàn)方式來(lái)操作。

    雖然無(wú)線(xiàn)技術(shù)目前來(lái)說(shuō)尚不推薦用于0級和1級應用，隨著(zhù)行業(yè)內經(jīng)驗和信心的增加，將會(huì )有越來(lái)越多的此類(lèi)應用選擇無(wú)線(xiàn)控制方式。

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)應該用在哪些地方？

    應用無(wú)線(xiàn)方式對測量數據進(jìn)行監測，例如在那些以前在經(jīng)濟上和實(shí)踐上都難以做到（如鋪設電纜的成本超過(guò)收益的場(chǎng)合），會(huì )給您帶來(lái)很大的價(jià)值。

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

    如圖1所示，無(wú)線(xiàn)技術(shù)用于現有設施的增量監測尤為劃算。在這些設施中，鋪設新線(xiàn)路非常復雜，而且費用高昂。然而除此之外，它還可以用于這些設施中的非關(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(wú)線(xiàn)技術(shù)非常適用于增量監測和非關(guān)鍵控制用途

    如果無(wú)線(xiàn)技術(shù)供應商允許將技術(shù)用于所有用途，用戶(hù)應該確認其無(wú)線(xiàn)設備無(wú)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(huì )將無(wú)線(xiàn)技術(shù)原來(lái)在鋪線(xiàn)和安裝方面帶來(lái)的節省逐漸地侵蝕掉。
 
    隨著(zhù)設備供應商不斷地提高電源效率并改善對無(wú)線(xiàn)設備的管理，利用自組織網(wǎng)絡(luò )增加測量點(diǎn)和數據傳輸率將使越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)非安全關(guān)鍵應用變得切實(shí)可行。 用戶(hù)可為設備運作增加成百甚至上千的測量點(diǎn)，從而對過(guò)程和業(yè)務(wù)的性能做出改進(jìn)。

    實(shí)踐指標

    由于無(wú)線(xiàn)技術(shù)在監測方面的應用可以提供最大經(jīng)濟效益，選擇無(wú)線(xiàn)結構來(lái)使成本最小化，使收益最大化可謂順理成章。無(wú)線(xiàn)技術(shù)的選擇應遵循：

    ·  支持真正的無(wú)線(xiàn)結構，無(wú)需敷設電纜或者建設其它基礎設施以達供電或通信之目的。
 
    ·  無(wú)需費用較高的現場(chǎng)勘查來(lái)保證通信的可靠性。

    ·  使用標準的工業(yè)傳感器，使安裝和過(guò)程連接更容易，數據采集更可靠，培訓要求也更低。

    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(hù)服務(wù)經(jīng)驗，這一切都表明自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以為這些功能提供一個(gè)理想的平衡：用于控制足夠穩健可靠，用于監測則成本足夠低廉。

    總結

    對于無(wú)線(xiàn)控制的應用應有獨特的考慮。在將無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于最困難的過(guò)程控制問(wèn)題之前，理應先在監測和非關(guān)鍵控制應用方面，例如開(kāi)環(huán)控制和允許較長(cháng)刷新時(shí)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(wú)線(xiàn)結構時(shí)需要考慮的事項之一。 由于無(wú)線(xiàn)技術(shù)在監測應用方面可以提供很大的價(jià)值，選擇一個(gè)無(wú)線(xiàn)結構，在經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后既可用于控制，又可用于監測將是十分有利的。大多數利用自組織網(wǎng)絡(luò )的廠(chǎng)內無(wú)線(xiàn)技術(shù)方案都足以在提供控制功能的同時(shí)提供監測功能。 一個(gè)良好的、靈活的網(wǎng)絡(luò )設計將會(huì )以十分經(jīng)濟的方式滿(mǎn)足用戶(hù)所有的應用需求。

                                                      ——轉自《自動(dòng)化博覽》