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艾默生（美国纽约证券交易所代码: EMR）是一家全球性的技术与工程公司，为工业、商业及住宅市场客户提供创新性解决方案。自动化解决方案业务帮助过程、混合和离散行业制造商优化其能效和运营成本，促进生产，确保人员安全和保护环境。商住解决方案帮助确保人类舒适度和健康，保障食品质量和安全，提升能效，打造可持续发展的基础设施。如欲了解更多信息，欢迎访问：www.emerson.cn。

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标题PlantWeb大学：无线技术在过程自动化中的应用
技术领域工控机
行业
简介
内容                   √ 厂内应用       √ 工厂附近应用      √ 远距离应用

                  √ 移动工作人员   √ 控制

1 概述

    无线技术近来的发展使它在过程自动化领域的应用变得更加容易，也带来了相关的利益，包括改善劳动生产率的机会，更好地对库存进行管理，维护减少以及性能优化等。 

    没有任何一种单一的无线技术可以适用于所有的应用要求。潜在的应用有如此之多， 每一种都具有不同的要求，以及不同的“最佳”方案。 好消息是， 既然有如此多的潜在应用， 那么用户就有大量的机会来利用无线技术工作。 

    本篇内容概括了三种常见的无线技术在过程自动化领域的应用类型，包括了相关例证和各自的好处。 

    这些只是几个例子而已，因为潜在应用的数量几乎是无限的。 在用户的整个操作中时时处处都有应用的机会。 

2 厂内应用    

    有些无线应用包含了从几百米到几百公里距离的通信范围。但是即使是在工厂之内的更近的距离，有时利用传统的有线连接也是过于困难或者昂贵的，因为无法实行。 

    无线技术可以帮助克服这些经济和技术方面的障碍。 事实上，工厂内部潜在信息的密度为人们提供了大量的机会。 

    以下将选择其中两种最常见的机会进行探讨： 一是低成本的增量测量，另外一个是访问“搁浅的”诊断信息。 

2.1 低成本增量测量

    请想一下利用添加的这些测量点带来的信息用户可以做些什么。

    例如，如果用户拥有更多的关于储罐液位、蒸汽管道温度或者溢流阀状态的实时数据，用户能否增加操作过程的正常工作时间，提高操作的连贯性，或者更快地探测到泄放事故的信息？可能性是无限的，关键是用户能想象出来多少种方法来对操作加以改进。 

    然而传统上，增加测量点意味着需要增加电线以便将数据送回控制室，但是往往这样做的成本最终会超过潜在的收益。当用户将设计、采购、安装、启动以及为支持一个典型的模拟测量点所需要的基础设施等都包含在一起，那么每个测量点和总成本可能会达到将近一万美元。 

    另一方面，如果安装一个无线的监测点，安装费用大概只占有线方案成本的一小部分，90％的安装成本会节省下来。 这就将成本效益的平衡点大大地偏移到了于用户有利的一边。 

    增加无线测量点的低成本和便利向用户证明了将手动数据收集进行自动化是正确的。这种“拿着记录板巡回检查”的方式让操作人员无法将生产率加以提高。手动数据收集工作不仅费时，而且很容易出错。 由于操作人员常常工作太忙，在检查的时候漏掉一个测量点也是很经常的事。    

    虽然有些工厂尝试过使用各种不同的无线技术来收集测量数据，但是只有自组织网络的可靠性和耐用性给他们带来了真正的利益。 很简单的概念： 网络中的每个设备都不仅仅作为单纯的测量点，而且作为相邻设备进行通信的路由器。 如果一条信息不通过直接的路径进行传递，它就会自动地通过其它设备改道发送。 

2.2 访问搁浅的诊断信息

    基于HART 现场设备的优点之一，就是它们具有嵌入式的诊断能力。但是很不幸，这些诊断信息常常处于“搁浅”或者无用状态，这是因为许多老式的控制系统并不支持HART通信模式。 

    结果是，工厂里虽然安装有成百上千的HART设备，却无法利用它们所产生的诊断信息来减少维护成本。 

    通过提供一个独立的（但是简单而便宜的）连接， 无线技术可以帮助您获取HART设备中的搁浅的诊断信息，从而获益。 

    这种技术方案是，在现有的HART设备上添加一个无线模块，这些模块同回路进行电气连接，但是无需中断回路以进行安装，而且在获取HART数据的同时也不会对模拟控制信号产生影响。

    无线装置通过自组织网络同网关进行通信。同有线系统的多路转换器一样，网关将来自于所有设备的数据集中在一起送往中央控制室，在这儿用户可以使用资产管理软件来访问诊断信息。  

    无线通信装置、网关以及资产管理软件的成本增加相对较小，所以要获取HART设备的诊断信息真是易如反掌。利用诊断信息这个工具，用户可以改善过程操作，做出决定进行系统维护，而无需频繁地奔赴现场进行考察，并因此增加劳动成本。 

3 工厂附近的应用

    有时即使距离不算很远，或者有一些其它的障碍（例如公路或这河流），都会导致有线连接费用昂贵，难以安装。 

    某些难于抵达的或者没有人员配备的工厂周边地带，包括油罐区、装卸站点或码头以及环境处理过程等，都是这种情况。用户也可能会在自己的操作中想到几种类似的应用。 

    这些工厂附近的应用亦可得益于无线技术。无线应用最好的方法，常常是将远处区域内使用的基金会现场总线技术同无线技术结合使用，连接回中央控制室。

    除了安装费用较低之外，基金会现场总线还提供一项功能使它成为这些应用的理想选择：许多现场总线设备可以独立于主机系统之外而完成控制功能。装备了无线通信设备的现场总线接口模块可以对数据进行整合，并以无线方式将它们从远处的现场送回中央控制室，或者任何其它需要的地方。 

    结合基金会现场总线和无线技术，可以为工厂附近应用的自动化提供一条成本效益很好的途径。

    这样的安排为用户带来的好处是，在这些区域的监测得以加强，控制更加方便，而这在以前是很难做到的 但是这还不是全部的优势：无线连接和现场总线技术还使智能设备的远距离诊断成为可能（通过中央资产管理系统），并减少了到偏远地点进行频繁“设备检查”的来回次数。 

4 远距离应用

    在硬线连接行不通的地方，无线技术常常是一个合理选择。尤其当测量点或者用户需要的资产信息距离使用地点很远的时候，肯定要用这种方法。

    这种类型的例子包括：

    （1）远距离库存监测

    （2）远距离图表记录仪

    （3）远距离油气田故障诊断

4.1 库存监测

    生产低温储存的气体、燃油、丙烷或者专用化学制品的公司常常使用卡车将这些产品运输到客户的储存罐中去，而这些储存罐所处的地理位置常常分布较远。 

    对这些产品的运送进行管理，确保储罐总是保持有足够的库存从而达到客户的要求，对物流人员实在是一件棘手的事情，特别是有时候用户不知道每个罐中到底还有多少存货， 而不得不耐心等待，直到卡车司机在下一次送货时进行手动检查之后方能了解。 太频繁地派卡车司机前去检查会增加运送成本，而且会占用本来可能会在其它地方销售的产品。 但是如果不这么做，就不得不面对风险，例如储存罐空了，客户怒气冲冲，又比如增加的紧急运输的费用等情况。 

    有了无线技术，就可以对库存量进行自动监测，最大可能地减少储罐断货的风险，并减少不必要的卡车运输。 

    例如， 蜂窝式无线通信设备可以在远程位置以无线方式将储罐的库存量测量值发送到最近的手机信号发射塔。 从这里信息经过公共通信网络进行传播，直到数据服务器。 然后您就可以通过安全的网络界面来访问数据，同使用电脑在因特网上访问银行账户信息一模一样。 

    蜂窝技术可以帮助您访问远距离之外的库存数据，操作方便，费用低廉。 

    这种无线技术的应用有几个好处：  

    （1）尽可能减少不必要的运货次数。当储罐内的存货达到预定液位的时候，会自动产生报警，通知安排送货的时间已到。 而在真正有必要之前，用户无需派卡车前去送货，“只要处在安全状态即可”。 

    （2）防止储罐断货。同样会发送警报，通知需要送货了，因此用户可以及时地做出送货计划，防止储罐库存用光。 

    （3）降低对安全库存的需求。您还可以为库存液位警报编制程序，以便通知您何时需要进行调整，使安全库存的量降到最低。 

    （4）出错更少。对于手动监测而言，人为差错总是难以避免。 自动化可以使潜在的错误降到最低的程度。 

4.2 图表记录仪

    纸质图表记录仪常常用于跟踪偏远地区的压力、液位或者温度测量值。使用传统的技术会要求每周或者每月定期到远处的现场，以便收集纸质图表，解释数据并安装新的纸轮。 

    更重要的是，当前的数据只有在定期现场访问的时候才可以得到。而且假如记录器发生了故障，数据探测则要到下一次访问的时候才可进行，而下一次访问可能要几个星期之后了。 

    无线技术可以帮助消除这些缺陷。例如，利用配备了蜂窝式无线通信装置的测量设备，可以从远处的现场自动发送数据，提高数据收集和分析的能力。用户可以非常及时的获得需要的信息，而且不再需要有人驱车前往更换纸轮。 

4.3 诊断油气田故障

    无线技术在油气工业也扮演重要角色。 在这个行业里，生产和分配系统可能会跨越数百公里之远。例如在很多年前， 在北美洲， 监控和数据采集系统（SCADA）利用高功率900MHz无线技术同远在水源、管道和其它偏远现场的远端监测单元（RTU）进行通信。

    要在如此广阔的地区内对设备进行维护是一件十分困难的工作，需要大量的人工；假如设备的最新健康和状态信息能够很容易获取，这些工作本来应该更加简单。 很不幸的是，传统的SCADA系统通常不能提供如此珍贵的信息，而是完全依赖于操作人员或者工程师来注意何时过程测量结果的异常会暗示可能的设备故障。 

    但是最近，随着无线技术取得的进展，RTU的性能有所改善，这就使来自于HART现场设备的诊断信息发送到中央资产管理系统成为可能。 这些信息使工作人员在远程设备发生故障或停车前就能方便地侦测和诊断潜在的问题。

5 无线技术和移动工作人员

    无线技术可以提高工作人员的生产效率，尤其是对那些在任务遍布于整个工厂之内，有很多时间都远离控制室的工作人员而言。 

    恰如前面所述，大多数工厂的操作人员收集数据的方式是“记录板巡回方式”，手动对数百个独立的测量点进行检查，包括仪表、观察镜、图表记录仪或者其它的指示器等等，每小时一次，或者每班、每天、每星期不等。 现在想象一下用无线技术代替记录板将这些数据带回控制室。 增加无线设备成本低廉，因而对于成百上千的许多测量点来说，是切实可行的方法。 

    由于无线设备可以更频繁地自动收集并传输信息，用户会得到一个更准确、更切近的图片来描述工厂内发生的一，而用户的操作人员可以减少在有害环境中的暴露，获得更多的时间从事更高价值的工作。

    无线技术可以延伸处于移动状态的工作人员对关键过程信息、历史数据、图表以及其它关键功能的访问。 例如，操作人员可以在现场使用配有无线装置的平板电脑，同工厂控制网络的各种系统和应用进行通信，而无需返回到控制室。 

    无线技术可以提供很多信息，而这些信息维修技师现在只能手动收集，或者根本无法收集。例如， 维修技师常常不得不亲临现场，检查那些读数同预期值有差别的设备。 经常会发生赶到远处的现场进行检查时却发现根本没有问题，或者问题是发生在回路的另外部分的情况。 

    然而，通过应用无线技术访问HART数据，维修队可以迅速而且很容易地检查设备状况，进行诊断而无需离开控制室或维修车间。 带有高级诊断功能的设备甚至可以使用户在问题发生之前探知潜在的问题，以便可以在设备的正常运行受到影响之前采取正确的措施。 

6 无线技术和控制应用

    大多数无线技术应用都包含监测和诊断功能。 这是因为今天无线技术最大的价值在于它能够提供额外的信息，帮助用户充分利用其操作过程。 

    在将无线技术应用到最难的过程控制问题之前， 最好先取得一些在监测和非关键控制应用方面的经验，例如开环控制、耐等待以及非关键控制等。 

    大多数厂内无线技术方案都应用自组织网络，这种网络对控制而言已经足够稳健可靠，而且可以维持一个价格较低的、经过优化以便于监测的结构。 良好而灵活的网络设计可以满足用户所有的要求，而且成本效益较好。 

7 总结 

    在过程和资产管理方面，无线技术创造了令人激动的机会，包括对信息的利用，这些信息在以前无论从经济上还是在技术上都难以获得。 这些机会包括： 

    （1）监测远距离的库存液位，减少物流成本；

    （2）使远距离图标记录器自动化，及时获取数据，减少劳动成本和人为错误；

    （3）从偏远的油气田设备获取诊断数据；

    （4）若有线连接不实用，可以使工厂附近的操作以无线方式自动化；

    （5）增加厂内测量点，获得对操作过程的充分认识；

    （6）利用遍及厂内的HART设备中“搁浅”的诊断信息。

    以上所述仅仅是根据当前的无线技术用户已经取得的利益类型。 根据用户自己的操作状况，您还可以发掘出许多更具有潜力的应用方式。