時間:2019-07-10 11:09:05來源:Shane Hale 控制工程中文版
“無線網(wǎng)絡是許多過程工廠的重要組成部分,它具有諸多優(yōu)勢。制造業(yè)對無線網(wǎng)絡的接受程度正在持續(xù)增加,在越來越多的工程中獲得應用。
”在10多年前,無線網(wǎng)絡就已經(jīng)成為過程工業(yè)的一部分。工廠設施采用無線網(wǎng)絡的原因有很多,但通??梢詺w結(jié)為以下兩類。
第一類是被動的:主要用于已經(jīng)飽和、無法繼續(xù)增加線纜的有線基礎設施,或電纜難以到達的區(qū)域。
第二類是主動的:無線網(wǎng)絡是快速擴展儀表和通信功能區(qū)域的關(guān)鍵手段,無需較高的成本、較長的安裝時間,也并不需要有線儀器所需的停機時間。
無論是出于哪種原因,最終目標都是提高設施的生產(chǎn)率和員工效率。傳統(tǒng)制造企業(yè)面臨著具有豐富經(jīng)驗的技術(shù)人員減少且工人總數(shù)減少的趨勢,急需提高效率以確保其在行業(yè)內(nèi)的競爭力和持續(xù)的盈利能力。
當今的無線網(wǎng)絡協(xié)議,已經(jīng)可以滿足制造業(yè)對工業(yè)通訊提出的苛刻要求:
?可靠的通訊;
?安全的數(shù)據(jù)傳輸;
?確定性通訊;
?受控的功耗。
>>>Wi-Fi和其它現(xiàn)場網(wǎng)絡<<<
大多數(shù)人在談到無線網(wǎng)絡時,他們首先想到的是將計算機、電話、平板電腦和其它設備連接到辦公室、家庭甚至工業(yè)網(wǎng)絡的無線以太網(wǎng)絡(Wi-Fi)。雖然Wi-Fi應用非常廣泛,并且適用于各種各樣的應用,但其高功率要求和高耗電特性,對于電池需要使用數(shù)年的測量設備來說是不切實際的。盡管如此,無處不在的Wi-Fi設備及其提供的高帶寬,使其適用于其它用途的無線工廠網(wǎng)絡(WPN)(圖1)。
圖1:無線工廠網(wǎng)絡通常包括由無線以太網(wǎng)支持和協(xié)調(diào)的多種類型的網(wǎng)絡。本文圖片來源:艾默生
Wi-Fi最常見的用途包括移動工作者應用程序,用于安全和安保的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及類似的應用程序。在考慮無線工廠網(wǎng)絡時,有一點需要注意:典型的過程工廠環(huán)境,不如家庭或辦公室那樣有利于通訊。較高的金屬密度、多種電磁噪聲源以及工業(yè)環(huán)境中各種惡劣的條件,通常要求設施或工廠中的接入點密度更高,特別是在噪聲源的周圍。
大多數(shù)情況下,部署無線工廠網(wǎng)絡,不僅僅是信息技術(shù)(IT)團隊的責任。習慣于在辦公室環(huán)境中工作的安裝人員,對過程工廠中可能出現(xiàn)的問題并不是十分的了解。網(wǎng)絡運行可能不一致,導致用戶喪失對無線工廠網(wǎng)絡的信任。在設計無線工廠網(wǎng)絡時,最好聘請具有工業(yè)自動化經(jīng)驗,并對在工廠設施中安裝Wi-Fi的設計要求有透徹了解的供應商。
用于無線工廠網(wǎng)絡或在地理上分布更廣泛的網(wǎng)絡(例如市政水或電力系統(tǒng))的Wi-Fi替代方案,包括長期演進(LTE)和無線互操作微波接入(WiMax)。這些網(wǎng)絡標準可提供應對覆蓋距離、帶寬、移動性和網(wǎng)絡支持的不同方法。在某些情況下,部署可能需要商業(yè)網(wǎng)絡提供商的參與,也可以能自行安裝和維護。不過需要注意的是,雖然LTE和WiMax適用于很多應用場景,但并不適用于過程儀表網(wǎng)絡。
可以在工業(yè)環(huán)境中應用的另一種商業(yè)協(xié)議是藍牙(Bluetooth),以及后來的低功耗藍牙(BLE)。藍牙的最初設計,旨在替代短距離、點對點電纜連接。在工業(yè)中的應用,包括將筆記本電腦連接到可編程邏輯控制器,以便在沒有物理電纜的情況下進行配置和維護,以及其它類似的短距離應用。
>>>主要的無線網(wǎng)絡標準<<
支持用戶接受無線的一個積極因素,是無線現(xiàn)場儀表網(wǎng)絡標準協(xié)議的制定。與無線過程儀表相關(guān)的兩個主要標準是:ISA100.11a-用于工業(yè)自動化的無線系統(tǒng):過程控制和相關(guān)應用,以及WirelessHART。雖然這些標準的內(nèi)容大部分相同,但它們的方法存在明顯的差異。兩者都在供應商和用戶中建立了良好的聲譽。
首先進入市場的是WirelessHART,作為一個開放式的可互操作無線通信標準,用于滿足流程工業(yè)對于實時工廠應用中可靠、穩(wěn)定和安全的無線通信的關(guān)鍵需求。第一批WirelessHART現(xiàn)場設備于2007年發(fā)布。為了克服工業(yè)應用中固有的干擾問題,WirelessHART使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(圖2),其中每個設備充當網(wǎng)絡的中繼器,為信號提供多條路徑來接入網(wǎng)絡或網(wǎng)關(guān)。
圖2:使用WirelessHART,網(wǎng)絡上的每個設備都可以用作儀表和轉(zhuǎn)發(fā)器。
由于它是由FieldComm集團專門為工業(yè)應用而設計的,因此任何制造商生產(chǎn)的經(jīng)認證的設備都可以相互交互。此外,針對測量和控制應用,對帶寬利用和安全因素也進行了優(yōu)化。由于無線儀器通常由電池供電,因此該協(xié)議旨在最大限度地降低功耗。根據(jù)給定設備向主機提供測量更新頻率的不同,電池的使用壽命可長達10年。
ISA100.11a標準的制定是一個長期項目,直到2009年才完成。其由國際自動化學會(ISA)下屬的ISA100工業(yè)無線委員會制定,于2014年09月獲得了國際電工委員會(IEC)的批準,成為正式國際標準IEC62734。ISA100系列標準涵蓋了更廣泛的無線應用,ISA100.11a標準是其中的一部分。ISA100.11a專門用于無線儀表。設備采用不同的方法來實現(xiàn)網(wǎng)格化,用戶需要確定它們之間的交互方式。這需要比WirelessHART所需的自組織型網(wǎng)絡更多的網(wǎng)絡管理。
ISA100.11a設備廣泛安裝,以便現(xiàn)場設備直接與一個或多個接入點通信,然后接入點與無線網(wǎng)關(guān)設備通信,該無線網(wǎng)關(guān)設備調(diào)度通信并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主機系統(tǒng)。當需要提高信號可靠性時,ISA100.11a設備也可以按照在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中運行進行配置,但這會縮短電池壽命。
在某些應用中,一些低功率廣域網(wǎng)已經(jīng)獲得應用,并獲得不同程度的成功。這些協(xié)議最初應用于超大區(qū)域內(nèi)超低帶寬的通信,例如用于供電和供氣公司的智能功率表,這些儀表通常每天只需要發(fā)送一次更新數(shù)據(jù)。盡管它們傳輸范圍極廣,但由于只需要這些協(xié)議具有極低的帶寬和以及較慢的更新時間,因此它們并不適合大多數(shù)工業(yè)監(jiān)控應用。
>>>無線工廠網(wǎng)絡<<<
在無線工廠網(wǎng)絡與無線儀表網(wǎng)絡協(xié)同運行的情況下,工廠人員很快就意識到它們的諸多優(yōu)勢(圖3)。例如,利用現(xiàn)場移動工作人員的應用程序,工廠人員可以訪問控制系統(tǒng)數(shù)據(jù),通過提高運行人員和工程工作流程的效率,回路調(diào)試時間最多可以縮短50%。諸如位置監(jiān)控之類的其它應用,可以顯著改善事故期間的整合,而且無線攝像機可以提供顯著的安全性和運行收益。
圖3:從工廠的任何地方訪問無線網(wǎng)絡的能力提供了無數(shù)的優(yōu)勢。
從無線儀表市場的現(xiàn)狀來看,WirelessHART正逐步進入主導階段。石油和天然氣、石化、電力和其它過程工業(yè)市場中的大多數(shù)大型工業(yè)用戶,已經(jīng)安裝了WirelessHART網(wǎng)絡。
>>>擴展無線儀表的應用<<<
第一代無線儀表全部都與過程變量有關(guān),但用戶很快意識到所提供的附加數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)資產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測和其它應用。雖然節(jié)省布線成本仍然是一個主要優(yōu)勢,但無線儀表和網(wǎng)絡的最大價值在于能夠促進普及傳感系統(tǒng)。
隨著終端設備和網(wǎng)絡成本的下降,在很多應用中,工廠運營商收集數(shù)據(jù)和支持決策的能力將逐步增強。
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