使用新型的無線技術(shù)，能夠方便快捷地采集和傳遞以往難以訪問的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，這無疑為現(xiàn)代過程控制領(lǐng)域打開了一個(gè)視野更為開闊的窗口。
隨著可靠的無線現(xiàn)場(chǎng)通訊系統(tǒng)的出現(xiàn)，很大程度上排除了以往從過程設(shè)備和周邊區(qū)域采集信息時(shí)所面臨的技術(shù)和經(jīng)費(fèi)方面的障礙。即使是傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，單機(jī)儀表的信息傳送技術(shù)現(xiàn)在也已進(jìn)入實(shí)用階段。
無線設(shè)備可以采集以往難以企及或幾乎不可能訪問的信息，并將其傳送至設(shè)備控制系統(tǒng)。這樣，設(shè)備工作性能和過程狀態(tài)數(shù)據(jù)被連續(xù)、實(shí)時(shí)地傳送至規(guī)定的系統(tǒng)。如此則可以：
■改進(jìn)設(shè)備維修工作
■提高設(shè)備可靠性
■改善過程控制
■增強(qiáng)安全性
■更加符合環(huán)保要求
■安裝成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬導(dǎo)線連接系統(tǒng)
這些無線系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于其共存性，即可以與其它無線系統(tǒng)共同工作于典型設(shè)備環(huán)境之中。例如，現(xiàn)行的IEEE 802.11 Wi-Fi寬帶無線以太網(wǎng)和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)早已被應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)成千上萬臺(tái)設(shè)備中。
使用工業(yè)級(jí)Wi-Fi結(jié)構(gòu)以后，可以尋求新的解決方案并且適應(yīng)新的操作方法。現(xiàn)場(chǎng)操作人員可以方便快捷地通過便攜式電腦觀察報(bào)警并做出響應(yīng)、評(píng)估過程和接受工作指令等。無線系統(tǒng)徹底改善操作人員的通訊方法，即使離開控制室也可以檢查設(shè)備，極大提高了生產(chǎn)效率。
對(duì)變革的挑戰(zhàn)
工業(yè)技術(shù)在不斷發(fā)展，控制要求和客觀條件也發(fā)生了巨大的變化;這就要求現(xiàn)有的控制系統(tǒng)適應(yīng)這種變化，獲得比以往任何時(shí)候更多的信息。
例如，許多國(guó)家在健康、安全和環(huán)保方面的要求越來越嚴(yán)格。可能要求連續(xù)監(jiān)視設(shè)備周圍的安全噴淋器，以便必要時(shí)提供支援。還有，可能要求了解手動(dòng)控制閥的狀態(tài)，確定其處于安全狀態(tài)，避免由于錯(cuò)誤估計(jì)而發(fā)生事故。還可能要求監(jiān)視安全減壓閥以檢測(cè)其排放情況。
在嚴(yán)格控制人力資源和不斷更新信息的大趨勢(shì)下，依靠操作人員夾著記錄本在廠區(qū)各處記錄讀數(shù)，這種工作方式幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。
為了減少停機(jī)，比起定期手動(dòng)檢測(cè)來說，對(duì)泵和電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)以獲得其磨損等重要信息是非常明智的。
所有這些工作都可以通過由現(xiàn)場(chǎng)儀表向控制室發(fā)送報(bào)告來完成。但是顯而易見，采用有線變送器來實(shí)現(xiàn)新的功能，費(fèi)用可能相當(dāng)昂貴。在許多情況下，為了節(jié)約開支，只能不用備用信號(hào)線、不用備用線槽位置和備用DCS I/O點(diǎn)等;就算要用，安裝起來也不容易。即使在新建的工廠中，也有許多遠(yuǎn)程位置，用導(dǎo)線或電纜來連接是非常不經(jīng)濟(jì)的。
此外，如果要提高解決問題的能力和效率，則控制室就需要獲得有關(guān)設(shè)備層面工作性能的更多信息。因此，工廠內(nèi)成千上萬臺(tái)設(shè)備只有借助于新興的無線結(jié)構(gòu)，以迎接上述挑戰(zhàn)以及如雨后春筍般涌現(xiàn)出的新挑戰(zhàn)。
有趣的是，在許多應(yīng)用中，用無線設(shè)備來代替有線設(shè)備已成為一種不可阻擋的潮流。例如，壓力表和溫度計(jì)、變面積流量計(jì)和玻璃液位表等，均沒有導(dǎo)線連接至任何系統(tǒng)，且必須由操作人員來讀取;無論這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝在何處，現(xiàn)在都可以用無線技術(shù)將其連接在一起。
無線工廠系統(tǒng)已經(jīng)給過程控制領(lǐng)域帶來令人矚目的諸多驚喜，主要體現(xiàn)在對(duì)問題的全新解決方案和快捷的調(diào)度能力方面。表1歸納了近期用戶采用的一些創(chuàng)新的無線解決方案。
從HART開始入手
無線變送器屬于相對(duì)較新型的設(shè)備，但一項(xiàng)涉及無線設(shè)備的制造及使用的標(biāo)準(zhǔn)早已生效。WirelessHart是全數(shù)字化的無線協(xié)議，并且于2007年被批準(zhǔn)為控制領(lǐng)域的通用標(biāo)準(zhǔn)。如此，希望采用無線技術(shù)和設(shè)備的企業(yè)不必依賴一家制造商提供數(shù)量有限的產(chǎn)品。不同制造商提供的產(chǎn)品可以互相配合使用，這是由于產(chǎn)品均按同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造。
無線變送器使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可以保證其共存性，并且與Wi-Fi共享空間。在有線HART設(shè)備方面，IEC 61158應(yīng)用層用于這項(xiàng)技術(shù)的最高一級(jí)，保證實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有設(shè)備管理軟件的無縫連接。
ZigBee 和藍(lán)牙技術(shù)是大家很熟悉的無線技術(shù)，但是在過程領(lǐng)域無線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)是基于802.15.4 協(xié)議的。ZigBee和藍(lán)牙不是采用IEEE 802.15.4協(xié)議，它們只是基于該協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層而已。
采用WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可以支持任何類型的傳感器，可以適用于幾乎任何工業(yè)應(yīng)用，可以從事所有HART產(chǎn)品目前所進(jìn)行的各項(xiàng)控制或監(jiān)視工作。一些主要的制造商已公開宣布將提供符合WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的變送器和網(wǎng)關(guān)。
有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的決定
無論是在新建工廠或是現(xiàn)有工廠更新改建中應(yīng)用無線基礎(chǔ)設(shè)施，這些無線設(shè)備均可以使用許多年;因此，決策應(yīng)非常慎重，如同決定控制系統(tǒng)一般。對(duì)于工業(yè)用無線網(wǎng)絡(luò)，可靠性和安全性始終是主要的考慮因素。WirelessHART可以很好地解決這兩方面的問題。
WirelessHART具有獨(dú)特的自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在信號(hào)受阻時(shí)，WirelessHART可以動(dòng)態(tài)地重新選擇傳遞路徑，大大提高了數(shù)據(jù)傳遞的可靠性。工廠層面上常常會(huì)出現(xiàn)通訊故障，這種“繞行工作”的能力可以使其不受影響。除了任何類型的組態(tài)數(shù)據(jù)外，WirelessHART還包括“狀態(tài)和數(shù)值”數(shù)據(jù)，這樣可以使用戶深入了解其測(cè)量值是否有效，確保所報(bào)告數(shù)值的準(zhǔn)確性。
在遇到高層建筑和腳手架，或是臨時(shí)停靠的卡車等障礙物等擋住了已經(jīng)建立的信號(hào)路徑時(shí)，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自組織能力便體現(xiàn)出其價(jià)值。網(wǎng)絡(luò)只要尋找傳送信號(hào)的新路徑并使其到達(dá)網(wǎng)關(guān)。因此網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)顯得更為堅(jiān)固耐用。
網(wǎng)狀協(xié)議也可以減少需要的網(wǎng)關(guān)﹝傳送接收機(jī)﹞數(shù)量，因?yàn)槊恳慌_(tái)設(shè)備均起收發(fā)機(jī)的功能，可以轉(zhuǎn)發(fā)不在網(wǎng)關(guān)視線內(nèi)且來自其它設(shè)備的消息。這樣，無線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可以方便地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，因?yàn)椴槐卦龠M(jìn)行視線通訊系統(tǒng)要求的現(xiàn)場(chǎng)勘察。
針對(duì)通道噪聲所采取的措施包括通道跳越、黑色列表噪聲通道和使用“分布頻譜”傳送等。安全措施包括加密技術(shù)、連接鑒定和消息驗(yàn)證等。
大部分工廠將混合式協(xié)議﹝例如有線HART﹞用于安全設(shè)備，將Foundation現(xiàn)場(chǎng)總線用于控制儀表，將Profibus-DP用于電機(jī)啟動(dòng)器和設(shè)備。這些系統(tǒng)集成在一個(gè)控制和設(shè)備管理系統(tǒng)內(nèi)，使所有設(shè)備及時(shí)地將準(zhǔn)確的有用信號(hào)傳送給指定人員，以便其作出正確的響應(yīng)。無線儀表屬于新生事物，會(huì)對(duì)無線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)提出不同的要求，因此在設(shè)計(jì)新的系統(tǒng)或更新舊的系統(tǒng)時(shí)必須定義上述情況。
傳統(tǒng)過程控制的潛能
粗看起來，工廠中的DCS系統(tǒng)可能顯得有些過時(shí)，似乎并不支持無線設(shè)備。但是通過使用“無線網(wǎng)關(guān)”的方法，可以解決這個(gè)問題。無線網(wǎng)關(guān)可以接入現(xiàn)有的系統(tǒng)，無論這個(gè)系統(tǒng)新舊與否。事實(shí)上，WirelessHART網(wǎng)關(guān)甚至還可以用于不支持WirelessHART的控制系統(tǒng)之中。
由于無線網(wǎng)關(guān)支持Modbus/RTU、Modbus/TCP，也可以支持OPC，故無線網(wǎng)關(guān)也可以用于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)盡管缺少本系統(tǒng)的無線支持，但可以根據(jù)無線變送器來提供過程變量。此外，預(yù)先安裝在無線網(wǎng)關(guān)內(nèi)的HTTP 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以從一般的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來設(shè)置WirelessHART網(wǎng)絡(luò)，無需獲得控制系統(tǒng)的支持。
智能設(shè)備管理軟件可以與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)并行使用，現(xiàn)場(chǎng)儀表與設(shè)備管理軟件之間可以有效地通訊所有的與設(shè)備有關(guān)的信息。這樣，運(yùn)行多年的老設(shè)備也可以分享從無線設(shè)備和管理系統(tǒng)帶來的利益。
我們也可以用無線技術(shù)來增強(qiáng)有線HART設(shè)備的使用性能。成千上萬家工廠使用有線HART設(shè)備，但其控制系統(tǒng)缺少HART接口。有線變送器和閥門定位器可以安裝“無線適配器”，以便設(shè)備管理軟件訪問其診斷信息并進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)?，F(xiàn)有設(shè)備融入這種無線功能以后，可以極大地提升和增強(qiáng)使用壽命和附加值。
至于無線裝置的老化問題，其使用壽命為15年，與控制系統(tǒng)幾乎完全一致。
通過使用IEC 61804-3標(biāo)準(zhǔn)“電子設(shè)備描述語言”﹝EDDL﹞，與有線HART、Foundation現(xiàn)場(chǎng)總線、 Profibus設(shè)備的兼容性問題可以得到保證。
每次工廠增加新的無線變送器或更新無線變送器的版本時(shí)，只要將設(shè)備的EDDL復(fù)制到系統(tǒng)中，就能確保軟件同步更新了。通過EDDL文件，設(shè)備管理軟件能夠把設(shè)備信息生動(dòng)地展示在屏幕上，用戶還能打開幫助文件和圖片，獲得更多內(nèi)容。
邁出第一步，通向無線過程控制的美好未來
在目前條件下，安裝無線設(shè)施并用于現(xiàn)有設(shè)備和控制系統(tǒng)，是一件輕而易舉的事情。許多工廠從與單一網(wǎng)關(guān)進(jìn)行少量設(shè)備通訊的無線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)開始，著手引入小型的無線系統(tǒng)。
毫無疑問，第一個(gè)無線點(diǎn)的價(jià)格是最昂貴的，這是由于哪怕只使用1臺(tái)變送器，也必須配備與之相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)關(guān)、計(jì)算機(jī)和軟件等。然而，一旦這些基礎(chǔ)設(shè)施安裝就位和投入使用，之后的變送器安裝費(fèi)用與設(shè)備本身相差無幾，這是一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以支持許多變送器所帶來的好處。
一旦第一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)開始發(fā)揮作用后，運(yùn)行和維修人員就會(huì)發(fā)現(xiàn)工廠中的其它無線應(yīng)用，滿足設(shè)備監(jiān)測(cè)和過程數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)期要求。要想知道工廠中哪些地方可以采用無線技術(shù)，可先羅列一下目前需要人工收集的測(cè)量數(shù)據(jù)，或是現(xiàn)在根本無法獲得的信息。監(jiān)測(cè)功能是評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)的絕好機(jī)會(huì)。
用維修經(jīng)費(fèi)來投資第一個(gè)無線啟動(dòng)包，以此為契機(jī)，開始開發(fā)無線設(shè)備的巨大潛能，并將其逐步拓展到各個(gè)部門，如設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修等。讓每一個(gè)人都有機(jī)會(huì)認(rèn)識(shí)這一技術(shù)如何提高設(shè)備可靠性、減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間、改進(jìn)過程控制、并創(chuàng)造一個(gè)更加安全的工作環(huán)境。
