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标题智能无线现场网络方案概述
技术领域工控机
行业
简介本文重点论述了无线技术解决方案，简要说明了其在工厂中的应用领域，对智能无线技术的结构体系以及工业标准WirelessHART 进行了简要的介绍。
内容



林永春

男，1983－1990年于清华大学自动化系学习，先后获得工程学士和工程硕士的学位。曾供职于Honeywell、ABB等国际自动化公司，2000年至今在艾默生过程控制有限公司工作，现任市场部总监。主要研究方向是过程控制自动化系统和仪表，参与过多个国内外大型项目的设计和执行工作。对现场总线等技术具有丰富的经验，是中国基金会现场总线专业委员会副主任。

摘要：本文重点论述了无线技术解决方案，简要说明了其在工厂中的应用领域，对智能无线技术的结构体系以及工业标准WirelessHART 进行了简要的介绍。

关键词：无线；WirelessHART；无线仪表

1 工厂管控网（PlantWeb ）技术

    智能仪表问世后，工厂管控网（PlantWeb）的概念得到越来越普遍的应用。工厂管控网的精髓，就是工厂的自动化结构中的每一部分都是数字化、智能化的，包括DCS、SIS、现场仪表等。整个自动化结构以现场智能设备为基础，充分利用现场设备的智能信息，将以往被动的维护方式转变为前瞻性的主动维护方式，提高工厂的运行性能，从而获得更大收益。艾默生公司首先推出数字化工厂结构的理念和产品，其PlantWeb的结构如图1所示。

                               图1   PlantWeb结构图

    PlantWeb所定义的数字化工厂结构，将过程自动化的水平提高到一个新的高度。PlantWeb不但能降低项目风险，也能提高工厂的运行性能。

    对于工厂中常用的智能设备，包括仪表、阀门，以及旋转设备和工艺设备等，它们都有丰富的诊断信息，这是传统设备不具备的。传统的自动化方案不能很好地利用这些诊断信息，而PlantWeb可以解决这个问题，它可以让这些设备诊断信息得到充分利用。

    在无线技术应用在过程工业之前，任何自动化结构都是通过布线的方式来实现的。有些场合布线困难，或者布线成本高，导致测量困难，更不用说用智能仪表。智能无线技术就是将PlantWeb的的功能延伸到过去无法到达的领域，其应用包括对生产过程和设备的监测、人员工作效率和工厂环境的管理。智能无线技术具有广阔的应用前景和优势。

    无论是通过有线还是无线方式，智能设备和PlantWeb自动化结构都改变了工厂的运作模式，维护的方式从被动转为主动。主动维护方式是一种的预测性维护方式，当操作或维护人员收到设备发出的预警信息时，主动去检查该设备的状况，在设备故障扩大之前就把它修复好，避免故障进一步恶化而影响生产。主动式的维护方式使维护工作不再盲目，避免事故后排查故障的被动局面，维护人员依靠这些设备的预警信息，可以对设备运行和健康状态了如指掌，这样不但降低工厂维护成本，同时也保障工艺的连续稳定运行，可以提高产品产量、质量和生产效率。有大量的数据可以证明PlantWeb可以提高工厂运行效益，如图2所示。

                            图2   PlantWeb对工厂运行效益的影响

2 智能无线方案介绍

    采用智能无线方案，PlantWeb的智能预测功能扩展到实际条件或经济等原因无法到达的领域。无线技术以全新视角拓展对工厂各个方面的监测，进一步加强PlantWeb的优势。

    智能无线方案所使用的现场设备同样具备预测智能，与有线技术相比，无线方案的安装成本可以节省90%以上，它可以不用布线、桥架、接线端子等等。无线技术能解决很多工厂中的测控“盲点”难题。距离偏远、物理障碍、高昂的工程费用和复杂的技术集成等问题，将不再是工厂获得信息的绊脚石。图3所示为无线方案和有线方案的安装成本比较。

                           图3    无线和有线的安装成本比较

    无线网络有两个层面：现场网络和工厂网络。现场网络包括测量仪表和控制设备，工厂网络则包括移动终端、人员设备跟踪设备、移动通信工具、视频监控等等。无线网络的总体构架如图4所示。

    在无线工厂网络中，用户可以通过无线移动终端来访问控制和设备管理信息，安保摄像头也可以用无线的方式接入。使用跟踪设备还可以对工作人员和设备进行无线定位，工作安全性得以提高，物流管理可以实现自动化。在无线工厂网络中，一般使用的是工业WiFi技术。

    在无线现场网络中，一般使用的WirelessHART技术。现场的无线设备（比如仪表和阀门）组成一个自组织网络，设备之间的通信可以自由选择路径，设备的数量可以任意扩展。

                             图4   无线网络的总体架构

3 工厂中无线技术的应用领域

    无线技术在工厂中的应用范围很广，它可以帮助用户解决很多实际的问题，比如延长设备的生命周期、优化工艺装置的效率、减少维护工作量和满足安全和环保要求等等。针对工厂不同应用领域存在的各种问题，都有相对应的智能无线方案。

3.1 延长设备寿命

    设备故障和相关的维护工作既费时又费钱，同时也影响工厂的产量和效率。小问题如果没能及时发现，就会演变成大问题，最后导致严重的故障，只需简单维护最后却变成大修。故障不及时排除还将缩短设备的使用寿命。无线技术可以有效监测这些设备，省去繁琐的布线工作，有效延长设备寿命。

设备潜在问题
无线解决方案
冬天天气寒冷，远程泵站容易损坏。
使用罗斯蒙特648无线温度变送器可进行远程温度监测。
控制阀的性能下降，或者动作有死区，但没有反馈信号，无法在线监测。
使用智能无线适配器（THUM）可以在线监测阀门的健康状态，可以收到阀门的故障预警信号。
电机轴承的温度呈上升趋势，并即将发生故障。
使用罗斯蒙特648无线温度变送器可测量轴承温度，实现预测性维护。

3.2 优化工艺装置的效率

    很多工艺设备现在都缺乏有效的监测，它们处在带故障运行中，这会降低生产效率。智能无线方案以非常经济的方式提供额外的测量数据，对这些设备进行有效的在线监测，以提高生产效率。这些测量点包括以前无法实现的，例如在移动或旋转设备上的测量点，或是在危险场合的测量点。

设备潜在问题
无线解决方案
矿物质沉淀于冷却水系统会降低设备运行效率。
使用罗斯蒙特6081无线pH变送器可对水质进行监测，以确保设备达到最优的运行效率。
操作人员没有注意到手动阀处在错误的运行状态。
使用罗斯蒙特702无线开关量变送器可以给操作员提供位置反馈信号，减少操作的延误。
泵的运行性能降低，这将导致能耗增加。
使用罗斯蒙特 3051S 无线压力变送器可通过测量吸力和泄压力来监测泵的性能。

3.3 减少维护工作量

    工厂设备的维护十分昂贵。大多数工厂仍然依赖被动式的维护方式，就是不管设备有没有问题都进行频繁的巡检。当设备真正有问题的时候却不能预先发现，只有等到设备故障恶化并影响到生产时才采取措施。智能无线方案可以对设备进行在线监测，用户只需对有故障预警的设备进行及时的维护，真正实现预测性和前瞻性维护。

设备潜在问题
无线解决方案
一个非常重要的变速箱安装在难以到达的位置，没有在线监测功能。
使用CSI 9420无线振动动变送器可以对变速箱进行在线的监测，变速箱的故障预警信号可以送到DCS。
过滤器发生堵塞，进一步会损坏泵。
使用罗斯蒙特 3051Ｓ无线压力变送器可对过滤器进行差压测量，发现堵塞时能及时报警。
蒸汽管道中的积水会造成冷点，并引起腐蚀。
使用罗斯蒙特848T无线多点温度变送器可监测蒸汽管道的温度，及时发现故障点并进行修复。

3.4 满足安全和环保要求

    智能无线方案以无线的方式监测安全设备，比如安全喷淋装置等。当问题发生时可以及时采取措施，还可以对危险场所进行无线监测，以减少安全隐患。此外，无线技术还可通过精确记录环境的变化，并迅速发出报警，最大限度地降低污染排放产生的危险、清理工作和罚款。

设备潜在问题
无线解决方案
碱罐即将溢出，会造成环境污染
使用罗斯蒙特702无线开关量变送器可提醒操作和维护人员碱罐的液位即将超过警界线。
安全阀开启状态一般要换班的时候才检查，没有在线的连续的开启状态记录，容易招致高额的排污罚款。
使用罗斯蒙特3051Ｓ无线压力变送器可发现安全阀的泄漏情况，保存连续的开启状态记录，最多限度减少排污罚款。
某个监测站已经投入使用，但是不能及时得到监测信息。
使用罗斯蒙特702无线开关量变送器监测安全设备的使用状况，可以及时得到信息并作出响应。

4 智能无线技术的结构体系

4.1 智能无线现场网络与DeltaV和Ovation控制系统的集成

    艾默生公司的DeltaV和Ovation控制系统有无线方案的支持能力。DeltaV版本10.3以后可以将无线网关直接挂在控制网络上，就好像控制器节点一样。DeltaV和Ovation都提供标准的接口和网关集成。组态工具也完全支持网关和仪表的组态、设备监视等功能。用户不需要具备专门的无线或通讯方面的知识。系统还可以自动识别智能无线网关和无线设备，便于方便快捷地安装和调试。可以说智能无线现场网络扩展了PlantWeb的功能，进一步给用户的自动化方案增加了价值。

    DeltaV和Ovation系统与智能无线现场网络的集成如图5所示。

                      图5   DeltaV或Ovation和智能无线现场网络的集成

4.2 AMS设备管理软件的使用

    AMS设备管理软件是在线使用的预测维护软件，它可以用来灵活地设计可靠、安全的无线网络，可以根据最佳工程时间建立无线网络，并投入运行。

4.3 无线网络的规划

    智能无线网络分工厂网络和现场网络，用户可以根据实际需求，分别组建两级网络。无论是先搭建无线现场网络，实现对现场设备和过程信息的监视；还是先搭建工厂网络，以改善效率和设备管理，智能无线方案均可以分步实施，网络的扩展是容易、快捷的。

4.4 无线网络和现有控制系统的集成

    无论工厂中现在使用的是何种DCS或PLC，智能无线网络都可以和它们实现无缝集成。智能无线网关具有标准的Modbus　Serial、Modbus　TCP或OPC接口，任选其中一种接口都可以直接接入用户现有的控制系统中，无需事先工程设计、现场调研或专门调试。对于操作和维修人员而言，每一台智能无线设备的安装、调试和使用方法与有线设备完全相同。

4.5 旧自动化系统的升级和智能信息的集成

    大部分旧控制系统都无法直接集成HART设备的智能信息，不能将智能信息加以应用以提高工厂的效率，造成用户投资的浪费。艾默生的智能无线适配器（THUM），可以将现有的有线HART设备升级至WirelessHART设备，以无线的方式获取以前所不能获取的设备诊断信息和过程数据数据。详细集成方案请参见图6。

            图６ 智能无线现场网络与旧控制系统的集成及有线仪表升级为无线仪表

5 工业标准——WirelessHART

    到目前为止，世界上只有WirelessHART是已经正式发布的适合于过程控制行业使用的无线国际标准。艾默生的无线现场网络完全符合WirelessHART标准。WirelessHART由HART基金会发布，并已经得到国际电工委员会（IEC）的批准，它得到世界上大多数用户和供应商的认可。WirelessHART标准具有以下特点：

    (1) 自组织、自适应网状结构。它不要求用户具有无线技术方面的专门知识，设备在网中会自动查找最佳的通讯路径；网络具有连续监视通讯路径的功能，当某个节点通讯性能下降时，它能自行修复；网络具有自适应功能，无需人员干预就可以可靠运行，网络的扩展和重组能力强；同时支持星形和网状拓扑结构。

    (2) 符合工业标准，带信道跳频。它符合IEEE 802.15.4无线标准；采用2.4 GHz 通用频率，可细分成16信道；信道间可以连续跳频，避免干扰和提高可靠性；增加了扩展跳频﹝FHSS﹞技术，具有极高的可靠性。

    (3) 具有自修复功能。如果网状网络出现障碍，设备将自动寻找其它最佳替换通讯路径，创建新的通讯路径以保证信息继续畅通。

    (4) 与现有主机系统可以实现无缝连接。网关和主机控制系统的集成是透明和无缝的；主机控制系统无需升级和特别软件；网关的接入采用标准的接口协议。

    表1列出WirelessHART网络主要特点。表2列出WirelessHART主要技术指标。

                            表1   WirelessHART网络主要特点 
                                  
可靠性
·数据可靠性>99%
·信道跳频，避免干扰
·冗余路径，自修复网络
安全性
·结构坚固，多层式，始终保证安全
·设备鉴定和密码
·工业认证的数据加密技术
易用性
·HART网络及设备易于设置
·无缝接入现有主机系统
·自组织、自适应网络

                           表2   WirelessHART主要技术指标

属性
描述
无线标准
IEEE802.15.4 – 2006 @ 250 kbps
频率
2.4 GHz
频率管理
每1个信息包跳频1次
电源
电池供电：1–10 年﹝取决于工作情况﹞
拓扑结构
网状、星形、网状和星形组合
设备数量
未规定极限。设备数量取决于应用要求和网关能力
基于工业标准
HART – IEC 61158
EDDL – IEC 61804-3
Radio & MAC – IEEE
802.15.5 (TM) 2006
发送频率
可调速率：8 s – 1 h

    在推出HART 7﹝最新的HART协议﹞后，HART基金会将这项已经成熟的技术带入无线通讯的崭新世界。

    HART技术已经在全球得到广泛的应用，全球超过2400万台HART设备已经安装使用，WirelessHART可以进一步拓展其使用性能。WirelessHART是向后兼容的经济型、通用型的无线通讯技术，它支持工业用无线通讯技术普遍要求的下列特性：实用性、可靠性和安全性。WirelessHART并不能完全取代HART 有线技术；有线HART技术在控制方面具有得天独厚的优势，WirelessHART带来新的监视和控制技术，是对有线HART的补充和扩展。 

    WirelessHART标准是在 HART通讯基金会﹝HCF﹞的指导下，通过HCF成员公司、主要无线设备制造商和主要工业用户的共同努力和合作开发而形成的。

    WirelessHART进一步简化了现场设备的安装和调试步骤。表３是有线和无需设备在安装和调试方面的比较。无线设备的安装比有线设备的安装要容易得多，它不需要特别的工具，不需要特别的知识，只是没有了接线的麻烦。

                      表3   无线和有线现场设备的安装和调试步骤比较

4-20 mA
WirelessHART
↓
↓
电缆敷设和接线盒安装前期准备
定位无线设备
↓
↓
安装I/O模块
安装网关
↓
↓
敷设电缆，两端接线
在网络上增加设备
↓
↓
调试设备
调试设备