本文中，Jim Montague探討了與日俱增的常規過(guò)程控制應用如何采用工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，從而達到節省電纜、保障附加信號并從電線(xiàn)無(wú)法到達的點(diǎn)位傳輸回數據的目的。

        通信暢通即為關(guān)鍵。只要連接穩定且數據傳輸成功，通信在電纜或空氣中發(fā)生皆可。幸運的是，如今多種技術(shù)都可以保障通信。無(wú)線(xiàn)設備和手段日益成為過(guò)程監測、數據采集、自動(dòng)化甚至控件，如傳感器、I/0點(diǎn)、硬接線(xiàn)、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(chē)鑰匙一樣頻繁。

        然而，許多潛在用戶(hù)對于無(wú)線(xiàn)發(fā)射器、天線(xiàn)、現場(chǎng)勘測和無(wú)線(xiàn)協(xié)議仍然陌生。因此，下文列舉的如何采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)解決稀松平常卻使操作頭痛不斷的問(wèn)題對此極有幫助。

解決常見(jiàn)問(wèn)題

        譬如：倫敦附近Thames Power Services 1,000-MW Barking電站最近安裝了35個(gè)艾默生過(guò)程管理公司提供的Rosemount 708聲波發(fā)射器，用于找出更多故障疏水閥、泄漏或異常的閥門(mén)、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(shí)間。

      若疏水閥故障或出現泄漏，發(fā)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(wèn)題。Barking電站高級控制系統工程師Ian MacDonald匯報說(shuō)，發(fā)射器通過(guò)識別高壓過(guò)熱疏水閥的泄露及時(shí)發(fā)揮了作用，避免它每日停工造成的1400英鎊損失。

       “提升過(guò)程性能意味著(zhù)了解整個(gè)廠(chǎng)區內發(fā)生的任何問(wèn)題且能迅速自如應對，”MacDonald解釋道：“無(wú)線(xiàn)技術(shù)讓我們能夠在任何位置快速且經(jīng)濟的加入更多測量點(diǎn)，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(wèn)題的區域安裝了15個(gè)聲波發(fā)射器進(jìn)行監測，這些問(wèn)題包括啟動(dòng)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(kāi)耗時(shí)不論，還無(wú)法指出何時(shí)或為何出現泄漏，增大了安全、監管和環(huán)境事故的風(fēng)險。新的無(wú)線(xiàn)設備能夠進(jìn)行精確檢測，即使閥門(mén)僅開(kāi)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(shí)段安排維修，保持廠(chǎng)區最大可用性，避免強制停機。

       相比一一有線(xiàn)接入，利用現有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )能在成本更低的情況下加入更多設備。于是便有機會(huì )監測廠(chǎng)區內曾經(jīng)由于費用不足無(wú)法監測的區域，如識別文氏噴管堵塞時(shí)，通常利用進(jìn)口/出口壓力差產(chǎn)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(shí)間，倫敦附近的Barking電站采用無(wú)線(xiàn)聲波發(fā)射器來(lái)定位故障的疏水閥、泄漏閥門(mén)和鍋爐管泄漏。

      “已安裝了艾默生 Smart Wireless Thum適配器，以便訪(fǎng)問(wèn)現場(chǎng)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(wú)線(xiàn)裝置具備機動(dòng)靈活性，不但可以試運行，且無(wú)需臨時(shí)電纜也能將更多的裝置移動(dòng)到不同區域中去。從而早期辨識出問(wèn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)技術(shù)道路上最可貴的品質(zhì)要數研發(fā)、設計和實(shí)踐最有效方案時(shí)付出的耐心和彈性。

      譬如，加州威明頓Valero Energy煉油廠(chǎng)的工程師數年前引入了第三方點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)系統，擴展了過(guò)程檢測性能。

     然而據該公司過(guò)程控制系統副協(xié)調員Rick Felix所言，這一系統過(guò)于繁瑣，傳輸數據耗時(shí)過(guò)長(cháng)，他們在尋求性能增強的無(wú)線(xiàn)工具時(shí)，于2009年采用了霍尼韋爾過(guò)程解決方案的OneWireless全站系統，至此不斷通過(guò)自定義來(lái)改變該系統，用以配合自身應用，不斷提升性能。

        Felix說(shuō)：“煉油廠(chǎng)裝置通常分散于遼闊的區域之內。廠(chǎng)區一般需要監測應用中多點(diǎn)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(diǎn)安裝費用的九成都用于電纜管道和相關(guān)建設”

       “無(wú)線(xiàn)技術(shù)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(diǎn)測量信息成為可能。無(wú)線(xiàn)系統能在原本被認為不切實(shí)際的區域持續且穩定的工作，各I/O使用無(wú)線(xiàn)成本更低，證明項目無(wú)需有線(xiàn)發(fā)射器。”

     再回到有線(xiàn)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(wù)器。最近煉油廠(chǎng)升級為C300控制器，用于攪拌控制。

       該廠(chǎng)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(chǎn)量占南加利福尼亞州瀝青需求總量的15%之多。同時(shí)，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(wú)線(xiàn)發(fā)射器。

     由于Valero和威明頓廠(chǎng)區都是采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的先驅?zhuān)麄兎e累了許多寶貴的經(jīng)驗。例如，廠(chǎng)區初始無(wú)線(xiàn)發(fā)射器和多節點(diǎn)都由霍尼韋爾安裝，隨后移交Valero進(jìn)行日常維護和擴展。

       “我們的員工也遇到了許多問(wèn)題，比如由于天線(xiàn)包裹不善，無(wú)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?zhuān)?ldquo;對多節點(diǎn)進(jìn)行編程時(shí)也經(jīng)歷了不少挑戰。”

      2012年8月，威明頓進(jìn)行了新一輪的現場(chǎng)勘測，并將OneWireless R120系統升級為OneWireless R200。FDAPs取代了多節點(diǎn)，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(wǎng)絡(luò )為基礎的用戶(hù)界面。它們共同使得用工業(yè)標準協(xié)議將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和廠(chǎng)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(wǎng)絡(luò )包含30個(gè)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器，11個(gè)FDAPs，2個(gè)有線(xiàn)連接DCS的FDAPs，以及通過(guò)串行Modbus與霍尼韋爾 DCS相連的WDM。“R200調配更加迅速，使發(fā)射器的故障排查耗時(shí)更短，” Felix補充說(shuō)：“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(chǎng)，Honeywell OneWireless系統不僅無(wú)需有線(xiàn)設施的高昂成本，還能將寶貴數據整合入控制系統和先進(jìn)應用之中。

        盡管FDAPs需要電力，但它們能進(jìn)行信息路由選擇，因此用戶(hù)可將無(wú)線(xiàn)裝置與控制網(wǎng)絡(luò )相連，并獲取現場(chǎng)數據。它們還能創(chuàng )造安全、符合ISA100要求的現場(chǎng)儀表無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)絡(luò )中儀表互相通信，并將附近現場(chǎng)裝置的信息按路徑發(fā)送至控制器上。

        同理，WDM使得網(wǎng)關(guān)和安全管理器能保障現場(chǎng)和廠(chǎng)區儀表間通信的安全。支持以網(wǎng)絡(luò )為基礎的用戶(hù)界面，具備基本IT知識的過(guò)程及現場(chǎng)工程師皆能快速設置無(wú)線(xiàn)系統，也減少了無(wú)線(xiàn)裝置網(wǎng)絡(luò )試運行、監測和故障排查的時(shí)間。

       “OneWireless幫助我們優(yōu)化了廠(chǎng)區作業(yè)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(shuō)：“它的優(yōu)勢不僅是免除了電線(xiàn)帶來(lái)的成本，核心在于它將寶貴數據集成入控制系統和先進(jìn)應用之中，同時(shí)還能與其它聯(lián)網(wǎng)應用共享這些數據?，F在許多項目都逐漸成為可能，比如采用控制輸入的短程點(diǎn)對點(diǎn)等。”

水處理走向無(wú)線(xiàn)

       相比基礎過(guò)程控制，無(wú)線(xiàn)的一個(gè)最大特點(diǎn)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(mén)目前用connectBlue的藍牙無(wú)線(xiàn)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(gè)控制整個(gè)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(wǎng)界面和網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器通路，從而處理自定義網(wǎng)頁(yè)中的數據，本地動(dòng)態(tài)數據記錄和城市廣域網(wǎng)通路。

      此外，這里的技術(shù)員還能利用掌上藍牙維修機器，現場(chǎng)對各泵站進(jìn)行調整和重編程，且藍牙與整個(gè)控制系統相連。將AC 800C連于WAN后，技術(shù)員還能在各泵站自動(dòng)將軟件變化儲存于WAN服務(wù)器中，去到下一泵站前，他們無(wú)需再返回控制室下載程序調整值。

      同樣，地區水管理協(xié)會(huì )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(wàn)立方米飲用水水庫安裝了自動(dòng)化作業(yè)設施。

      用于監測取水量、水平面、溫度、蒸發(fā)量、風(fēng)速和隨時(shí)查看基底引起的大壩物理變化，Genkel全新過(guò)程控制系統需與12個(gè)站點(diǎn)相連，其中包括位于水庫中央的“測量筏”以及監控數個(gè)大壩的Aggerverband中央控制室。

       因此，12個(gè)站點(diǎn)中， 11個(gè)安裝了Beckhoff Automation BC2000帶PLC功能的總線(xiàn)終端控制器，通過(guò)長(cháng)1.5km的Lightbus環(huán)路和倍福ADS TwinCAT數據傳輸協(xié)議進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。訪(fǎng)問(wèn)測量筏則需通過(guò)倍福 KN6551無(wú)線(xiàn)終端，這是一個(gè)以IEEE 802.15.2為基礎的太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路。

無(wú)線(xiàn)的建立與投產(chǎn)

       盡管各應用有各自不同的需求，無(wú)論在任何過(guò)程或廠(chǎng)區中運用無(wú)線(xiàn)技術(shù)仍有如下基本步驟：

     1. 調查過(guò)程應用基本運行和性能的需求，根據需求找到正確的無(wú)線(xiàn)解決方案。

      2.共同評估現有有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并對整體通信集成計劃進(jìn)行升級。結合上述功能需求，幫助選擇適宜的無(wú)線(xiàn)設備。

      3.完成全面的無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)勘測和無(wú)線(xiàn)電頻率(RF)評估，從而確定應用和廠(chǎng)區自然環(huán)境以及可能的干擾源，如建筑、鋼墻、地理特征和距離問(wèn)題等。

      4.測試并選擇最適合的天線(xiàn)，并將其置于最穩定的覆蓋范圍內，傳輸和接收最優(yōu)信號。

      5.初期，在小型非關(guān)鍵試點(diǎn)項目中運用無(wú)線(xiàn)技術(shù)，檢查獨特的現場(chǎng)特點(diǎn)和問(wèn)題。確保無(wú)線(xiàn)裝置可根據應用需求的變化進(jìn)行調整和移動(dòng)。

       6.安裝并鋪設出能滿(mǎn)足應用目前需要的無(wú)線(xiàn)元件和網(wǎng)絡(luò )，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(wú)線(xiàn)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(xiàn)終端系統中，” HST 的IT系統產(chǎn)品經(jīng)理Frank Huetger介紹說(shuō)：“定向天線(xiàn)能保障無(wú)線(xiàn)電線(xiàn)路的穩定。”

必要時(shí)修正

       對許多地區而言，無(wú)線(xiàn)相對來(lái)說(shuō)還是新興技術(shù)。當它在發(fā)展中出現缺陷時(shí)，守舊的人立刻借機進(jìn)行責難甚至罷用。因此無(wú)線(xiàn)技術(shù)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(tài)，只有這樣才能達成穩定的通信。

      例如，St1 Energy煉油廠(chǎng)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(xiàn)無(wú)線(xiàn)元件混合進(jìn)行水平及溫度測量。它不具備控制室直接訪(fǎng)問(wèn)智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的能力，智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)以WirelessHart (IEC 62591)標準為基礎，從無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )中收集數據。然而諷刺的是，此前技術(shù)員必須進(jìn)入現場(chǎng)查看，才能監測無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和進(jìn)行配置。

      于是St1采用了艾默生以Wi-Fi為基礎的滲透式現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )(PFN)解決方案，用無(wú)線(xiàn)將控制室和網(wǎng)關(guān)相連。St1的PFN包括三個(gè)ProSoft Technology RadioLinx工業(yè)室內熱點(diǎn)裝置，以及它三根與它們相連的遠程室外平板天線(xiàn)。

       圖注：St1 Energy煉油廠(chǎng)地處瑞典哥德堡，利用roSoft Technology RadioLinx的工業(yè)熱點(diǎn)裝置，使操作員能從控制室訪(fǎng)問(wèn)無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。

       第一個(gè)熱點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)相連；第二個(gè)發(fā)揮重發(fā)器作用，抵達視距并轉發(fā)數據；第三個(gè)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(guò)裝有AMS Wireless Configurator、AMS Wireless Snap-On和/或TankMaster軟件的筆記本電腦訪(fǎng)問(wèn)煉油廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。事實(shí)上，Snap-On軟件能為用戶(hù)展示油罐區、網(wǎng)絡(luò )裝置和它們各自狀態(tài)的圖像概觀(guān)。

        同理，澳洲昆士蘭Sunstate Cement近期斥資8500萬(wàn)美元將產(chǎn)能擴大至150萬(wàn)公噸，并在三部卸船機與四個(gè)接入點(diǎn)之間安裝了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)。但WLAN出現故障，導致卸船機無(wú)法回復主控制器發(fā)出的通信。

        圖注：西門(mén)子Sinema E（Simatic網(wǎng)絡(luò )管理器工程）等軟件能實(shí)現工業(yè)WLAN應用的高效規劃、模擬和配置。

       “起初，Sunstate Cement認為問(wèn)題出在西門(mén)子的無(wú)線(xiàn)設備上。即使距WLAN接入點(diǎn)僅數米，信號強度也十分弱。主控制器和卸船機上的三個(gè)RTU PLCs通信出現信號丟失，” 西門(mén)子澳洲網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品經(jīng)理Falk Holman介紹說(shuō)：“而我發(fā)現初始安裝人員未進(jìn)行任何WLAN信道規劃，由于四個(gè)WLAN接入點(diǎn)間通信量不協(xié)調，因此存在大量沖突和干擾。”

        Holman解釋說(shuō)采用空分多址(SDMA)或頻分多址(FDMA)過(guò)程都能避免訪(fǎng)問(wèn)沖突。他還補充道，安裝前使用西門(mén)子Sinema E等WLAN模擬軟件能提升通信性能。“我們還發(fā)現廠(chǎng)區人員安裝了5-GHz天線(xiàn)，卻將網(wǎng)絡(luò )配置成2.4-GHz的頻率范圍，” Holman說(shuō)：“而且接入點(diǎn)天線(xiàn)安裝于構架之下，位置過(guò)低且緊鄰實(shí)心水泥墻。因此網(wǎng)絡(luò )選擇5-GHz后，重新為各接入點(diǎn)和對應卸船機分配信道。”Holman表示Sunstate戶(hù)外應用網(wǎng)絡(luò )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(shí)順序，從而防止干擾。

        第二輪測試采用Cisco頻譜分析儀進(jìn)行，顯示信號強度稍弱(-70 dBm 或 48%)，而信號質(zhì)量大幅上升。

       “不幸的是，仍然出現了通信信號丟失，” Holman說(shuō)：“還有什么地方出錯？為什么強度只有48%？我們發(fā)現安裝員采用了全向天線(xiàn)，增益高而垂直波瓣過(guò)小。當卸船機?？繒r(shí)，由于裝配位置高度差太大，天線(xiàn)幾乎無(wú)法獲得視距。天線(xiàn)之間也安裝得太近。建議采用20倍波長(cháng)作為間隙，天線(xiàn)分集才能處于5-GHz無(wú)線(xiàn)蜂窩中。而在帶式輸送機下放置兩根接入點(diǎn)天線(xiàn)同樣毫無(wú)幫助。”

       于是，Sunstate將天線(xiàn)從2米升至5米高，并重新布置了冗余的電纜。“我們發(fā)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(shuō)：“所幸將天線(xiàn)從開(kāi)銷(xiāo)構架中移開(kāi)并升高時(shí)，多余的電纜派上了用場(chǎng)。”

       做出上述校正并采用西門(mén)子iPCF快速漫游功能后，Sunstate的無(wú)線(xiàn)系統終于能按設計一樣順暢運作了。Holman反饋說(shuō)該系統已經(jīng)未終斷的運行了12個(gè)月以上，期間未進(jìn)行任何更換或加入硬件。