艾默生

1  何谓无线技术？

    当今大多数人每天都在利用无线技术——不管是听收音机，打无线电话，还是用遥控器来更换电视频道。世界各地的人们甚至可以在利用Wi-Fi服务访问“热点”的时候登录互联网。

    无线技术对于某些过程工业而言也算不上什么新鲜的东西。例如，那些石油天然气公司，也经常会利用无线系统对油田和油气管道进行远程监控。

    当然了，迄今为止无线技术仍未在工厂内部广泛采用。人们担心无线系统的可靠性、安全性以及其部件使用电池的寿命，这就大大降低了无线技术的应用，即使在传统的有线技术方案成本高昂、操作困难的情况下亦是如此。

    随着无线技术在人们担心的这些方面得到逐步加强，这种局面也随之改变。在许多领域的操作中，人们正在将目光投向无线技术，将它作为重要的武器来迎接自动控制方面的挑战。

无线技术

    无线通信技术种类繁多：蓝牙、CDMA、GSM/GPRS、900MHz Zigbee、Wi-Fi、Wi-Max、卫星通信等等，这还仅仅是其中您可能会听说过的一部分。为什么有这么多的无线技术呢？ 理由很简单，没有一种技术可以很理想地适用于任何行业的任何用途。

    例如，不同的技术会更加适合在不同距离上进行传输。

    蜂窝技术，利用现有的电信网络，可以进行跨国或跨洲通信。

    另一方面，蓝牙技术以其有效而成本低廉的方式，用于键盘和电脑之间或者耳机和电话之间的连接——是由于它的范围非常狭窄，这就意味着对于海上油田的通信而言，它实在不是一个正确的选择。
 

    虽然没有一种单一的无线方案适用于所有的过程工业要求，还是有某些技术可以很好地应用于一些共同的用途。

    GSM/GPRS广泛地应用于蜂窝网络，可以很好地用于远距离数据采集，例如储存罐库存监视等。
 

    900-MHz 和2.4-GHz 无线电波在油气田的监控和SCADA应用方面也证明了它的实用性。

    自组网络在工厂内应用具有很高的可靠性——应用先进的电源管理技术时其成本效益尤其可观。

    Wi-Fi技术设计完善，稳定可靠，价格低廉，是一种基于开放式标准建立的系统。同自组织无线现场网络结合使用时，可以提供优良的网络主干作为数据集中和网络组建之用。Wi-Fi的网络存取点还可以为移动状态的工作人员提供无线过程控制网络上的信息。 

    卫星通信可以将在非常遥远的地区进行的操作连接到中央控制室。例如，一些海上油田就利用此技术提供数据链连接到陆基设施。

工业应用

    无论一项技术如何令人兴奋，您都不可能对它进行投资——除非它对您的业务具有实际用途——可以解决您的问题或者带来新的收益。

    但是无线技术及其成熟的方案在今天已经具有了广阔的应用范围。大多数过程工业的操作都很容易找到可以应用无线技术的地方，而且回报丰厚。
 

    远程应用。假如您需要获取数据的地方跟您使用他们的地方有数公里之遥，硬线连接显然不太现实。这样的例子包括如远程监控储存罐库存，从远程记录仪收集数据，以及获取来自于远处的油气田设备的诊断信息等等。
 

    无线技术可以提供实际可行的操作方案。例如，由于蜂窝技术的应用，数据可以从相当遥远的地方通过已有的通信网络进行传送而价格低廉。而您再也不需要等到下一次有人要访问一个位于远处的操作设施的时候才得知那里到底在发生着什么。

    工厂近距离应用。即使所需要的信息就在不远之处，有许多障碍，公路、铁道或者河流都仍然会使得硬线连接很难变成现实。 像无人管理或者难以抵达的工厂周边区域，例如罐区或者水处理设施等等均属于这种情况。

    然而应用无线技术，例如Wi-Fi，却可以轻易的将那些地方连接到控制室或者工厂内的其他某个地点，采用这种连接您就可以及时知道那儿的工作状况以便采取适当的措施。

    工厂内应用。虽然工厂内部的通信距离较短，但是传统的硬线连接有时候成本之高甚至会超过由所获取的附加信息带来的利润。

    无线技术譬如自组织网络可以达成于您有利的平衡。这些易于安装的，方便扩展的无线现场网络以一种令人瞩目的方式降低成本，添加新的测量点，或者访问有关的诊断数据均变得简单易行，而这些通过传统的控制网络和系统都是难以实施的。
 

    无线技术还可以提高操作人员和维护人员的生产效率。在大多数生产加工应用中，处于移动状态的工作人员都可以访问控制以及维护的数据——无论他们身在何处。

现场总线、HART， 还是无线技术？

    无线技术如何适合其他的通信技术，以便为过程自动化，例如HART和基金会现场总线提供服务？他们可以共存吗? 还是其中一个优于另外一个？
 

    答案是：各有优势。为某项操作寻求最大生产力和最大的收益率，需要这些技术相互之间的配合。
 

    HART 和基金会现场总线通信是传统监控应用的理想之选。

    对于工厂的生产和安全来说，控制应用是一种基本的手段。它对更新率的要求常常是每秒或小于一秒的速度。
 

    传统的监测应用对工厂的生产安全也非常重要，但是通常它对更新率的要求没有控制应用那么频繁。

    今天的无线技术适合于许多控制应用的场合，但是对于监测那些以前无论从经济上来说还是从物理上来说均难以着手的资产，如敷设电缆的成本要高过所带来的利益的地方无疑更是理想的选择。 

    这些增量监测装置所提供的额外的数据，常常对工厂的业务优化，同关键的安全应用或基本生产上的应用相比显得更加重要。他们要求的更新速度常常是从每几秒一次到每天数次不等，不但经常用于控制系统，也经常与历史数据库或资产管理软件结合使用。

    工作稳健的无线技术还可以用于某些类型的控制应用中。具体说来，就是所选择的方案能够在执行时间和更新速度方面满足要求。有代表性的应用包括开环控制和允许较长刷新时间的非关键控制等等。
  

    无线技术适用于增量监测和非关键控制应用。

    如图1所示， 无线技术在现有设施的增量监测应用中尤显经济。在这些应用中要敷设新的电缆是一项复杂的工作而且成本高昂。
 

    对于新设施来说，无线应用的优点没有那么突出。因为这些新设施可以在一开始的时候，即基础设施和其他的障碍还没有对增量监测装置的安装形成障碍的时候，已经将有线通信的额外容量考虑在内了。 当现场总线的广泛应用使得敷线成本和复杂性进一步减少的时候，这种优势差别就更小了。
 

    在有些情况下，您会发现将现场总线，HART和无线技术结合使用会得到最好的效果。 您可以在无人管理的工厂附近设施内利用基金会现场总线的现场控制功能，同时利用无线方式将他们连接到中央控制室去。

为什么现在流行无线技术？

    无线不是什么新鲜出炉的事物了。但是为什么现在流行无线技术呢？

    想一想移动电话都发生了些什么。蜂窝技术在大规模应用之前早已存在了至少十年之久，但是早期的移动电话体型较大，电池寿命较短，对于大多数人而言只是可望而不可及的东西。 随着这些问题一旦解决，它的应用就呈指数形式向上窜升了。 

    在过程自动化方面也是类似的情况。虽然无线通信可带来的潜在利益显而易见，但是用户仍然不愿意将它应用到工厂中去， 他们会考虑到安全问题、电池寿命问题、标准问题以及通信可靠性的问题，直到这些问题得以解决。

    近几年来，有数家自动化和无线技术供应商集中精力解决此类及其他存在的问题。最终的结果是，“可用于过程工业”的无线解决方案日益完备。

    内置式加密、权限验证、核实、密码管理、抗干扰以及其他的安全措施可以保证正确使用的无线网络同许多传统的有线网络一样甚至更加安全。

    先进的电源管理技术、低功率电子部件和能源净化技术可以在能耗最小化方面发挥助力，无线装置可以工作数年而不用更换电池。

    自组网络为无线现场网络提供了前所未有的高可靠性。即使在工厂环境变化对现有传输路径带来干扰的情况下亦能可靠工作。

    逐渐形成的行业标准，如由ISA和HART通信基金会开发的标准，在探讨关于无线现场网络的整合和长期兼容的问题。

    与此同时，用户们都在孜孜以求从他们的操作中力争更大的生产率（和更小的成本）。无线技术为他们提供了具有良好成本效益的方法——从附加过程测量到设备诊断到库存水平等等——来获取信息，为达成这些目标提供帮助。

2为何采用无线技术?

    对于工厂的生产过程、实物资产和整体的操作，如果您的了解越全面，生意会越安全，获得的利润也就会越多。

    正如任何工厂的经理、工程师、操作人员或者维修工人都会告诉您的，更多(更好)的信息意味着更多的机会，来降低操作成本，提高产品质量，提升生产能力以及可用性。

    不仅如此，时至今日，当许许多多的设施建立起来之后，都会有新的环境以至安全方面的要求随之建立。与此同时，工厂总是尽力争取获得测量和诊断信息，以便更容易符合要求。
 

    那么，为什么还是有些工厂不“达标”呢?

    常常看到的是，要增加一处新的测量点，其成本或者难度常比预期的利润还要高。要利用传统的“有线”技术将测量点跟控制系统之间进行连接，由于其距离或复杂性等原因，会使成本大大提高而在实践上难以施行。

    无线技术将传统有线现场技术方案所遭遇的障碍清除殆尽。要获取所需要的数据变得前所未有地轻而易举，而在此之前，无论从经济上或是从技术上这都是难以企及的。

    安装成本的低廉仅仅是好处的一部分。更重要的是利用获得的这些额外的信息可以做些什么。 无线技术让处于移动状态的工作人员从远处就可以获得所需要的信息，使他们可以更加有效地进行工作。

    这就是为什么有越来越多的工厂转向无线方案的原因。

减少障碍

    要选用无线而不是有线现场网络有很多原因，但是最大的原因在于安装成本。假如干脆不用或者大大地减少使用现场接线，则意味着在安装调试的接线和人工投入方面会有可观的节省。

    估计的结果可能会有所差别。但是当您开始对测量点安装的前期成本进行计算的时候，包括设计、采购、安装和启动，以及典型的有线模拟测量点需要的配套基础设施则会发现所有这些成本加起来远远地超过了测量设备本身。  

    假如有线系统的一些基础设施，如缆槽、接线箱、接线板、机房等等，容量不足需要扩展以便容纳更多测量点的时候，成本可能会更高。对于自动化设施，例如I/O 接口板，控制器和软件许可等等，所需成本也是同样的情况。

    与此相比，要增加一个智能的无线测量点所需要的成本仅仅只为有线模式的很小一部分。

    这就极大地降低了经济方面的障碍。过去因成本高昂而不能采集的信息，如今已经唾手可得，使您的操作大大改善。  

    通过降低添加测量点的成本，成本效益提高，有线技术使得改善操作的障碍也降低了。

    利用称作“自组织网络”的无线技术，可以进一步降低障碍。同其他无线技术相比，这些网络在安装和扩展方面甚至更加容易。只要每个新增加的无线设备处于网络中的任何其他设备的范围之内，一旦安装完成，即会自行加入网络。

操作人员的效率

    绝大多数工厂都在从几百个甚至上千个独立安装的测量点处采集数据。所有这些工作均由人工完成，操作人员携带记录簿进行巡视，以每小时、每班、每天或者每周一次的频率检查仪表、观察镜、图表记录仪或者其他各种指示器。

    操作人员花费大量时间来收集这些数据，收集地点经常偏僻而且危险。这项工作非常枯燥，常常产生差错或者漏掉读数。而且，他们用在收集数据上耗费的时间越多，用于分析并应用数据改进操作的时间也就越少。

    现在我们来想象一下用无线技术代替记录薄，将那些数据取回控制室。由于增加无线设备的成本相对低廉，对那些成百上千的测量点中大部分采取无线方案便成为一种可行的方式。

    无线技术可以减少操作人员手动采集数据的需要。

    由于无线设备可以以一定的频率间隔自动采集并发送信息，您可以获得更准确、更及时的对于工厂内正在发生的事件的描述，而您的操作人员则可以更少地暴露在危险环境中，将更多的时间放在更有价值的工作上。 
 

    利用无线过程控制网络，现场操作人员还可以使用便携式无线设备，如笔记本电脑，无需返回控制室即可访问关键过程和控制信息、历史数据以及其他功能信息。
 

    所有这些都会赋予操作人员强大的能力，使他们的工作更加有效。

维护保养的效率

    有些信息您的维修技师只能手动收集，或者您根本不能收集到，但是无线技术可以满足您的要求。

    如今的工程现场有成百万的基于HART的智能设备，具有程度不等的诊断功能。 不幸的是，许多工厂都没有在控制室里接收HART数据的设施。由于这些设备中只有一部分处于数字化监控状态，在现有的工厂中访问“搁浅”的诊断信息潜力十分巨大。

    现有的有线式智能设备可以利用无线适配器进行升级，将诊断信息发送回控制室或者维修车间，由合适的工作人员据此采取恰当的必要措施。过程控制信号继续通过有线连接进行发送，但是诊断数据同时以无线方式进行传送以作为资产管理之用。

    这种额外的信息为维修保养效率的提高提供了方便的途径。

    例如，当操作人员认为某个设备的指示值不正常时，维修人员常常需要亲临现场对设备进行检查。经常发生这样的情况，维修人员白白地跑了一趟却发现没有问题，或者问题发生在另外的环节上。

    我们来计算一下到现场工作所花费的时间，先到设备地点来检查它们的状况，然后返回维修车间，把设备修好。您已经看到这要花多少时间了，而且，如果设备碰巧处于危险区域，维修技师还得穿上防护用具，那么时间可能更长，安全风险也增加了。 

    然而，利用无线方式访问HART数据，维修人员可以无需离开控制室或者维修车间而对设备状况进行快速方便的检查，或进行诊断。 具有先进诊断功能的设备可以让您在潜在的问题发生之前探知它们的存在，并在它们影响运行操作之前采取适当的行动。

    当维修人员离开工厂时，无线过程控制网络可以使他们远距离访问资产管理系统以进行“现场”诊断，获取设备信息，并通过移动效率软件进行即时跟踪，报告有关检查、试验、维护和修理的情况。
 

库存监控

    我们在前面描述了如何通过增加无线测量点来减少手动数据收集，提高生产效率的问题。那么假如测量点位于工厂里很远的一侧或者几百公里之外呢，无线装置可以带来的好处究竟有多大？

    储存罐区和其他偏僻地区的储存设施常常处于这种情况。除非刚刚有操作人员或者运货司机到过那里，否则您常常对每个储存罐中到底还有多少存货不得而知。假如出乎意料之外，在访问间隔之内用量过大，则可能会导致储存货物的液位降低到危险程度甚至断货。另一种变通办法是，在每个罐内另外保持一个“安全储备”，将部分存货常备而不用。

    通过无线方式监控储罐液位可以帮助您避免这两种麻烦。在远程现场自动收集测量数据，然后通过无线方式发送到最近处的移动电话发射塔，然后再通过电信网络发送到您的工厂，或者任何其他需要的地方。

    除了可以对存货液位有一个持续的最新的了解之外，您还可以减少访问次数，与此相关的交通费用也就随之减少了。

符合环境法规

    增加无线监控的测量点不但非常经济，而且有助于保护环境。

    例如，对于管道的流量压力测量可以帮助探测泄漏，而且迅速确定泄漏的位置以便您可以在事故引发之前即可采取适当的措施，从而避免导致难以预料的喷射。

    自动化监控还可以减少环境保护的报告和审计成本。因为通过监控，您对所有的必要信息都已经了如指掌。

    以溢流阀监控为例。这些溢流阀安装的地方，通常安装有线设备时则成本高昂，或根本难以施行，所以操作人员不得不对每一只溢流阀进行定期检查。 当他在检查时发现平常套在阀上的盖子脱落的时候，他会报告说，这只阀已经被启动溢流，或者说，已经发生过喷射事故。 

    问题是您根本无从得知喷射事故发生的确切时间、多长时间或者漏泄量有多大，只知道它发生在上次操作人员巡视之后的某个时间。调查员对事故进行审核，不管发生的时间具体多长，即使仅仅发生在操作人员检查的数分钟之前，他也可能会按照从上次检查以来的整个时期进行罚款。

    要避免这种状况的发生，您可以在溢流阀旁边安装一只无线测量发送器，将信息发送到控制室的历史数据记录器，这样，您就有了一个确切记录的证据，表明喷发事故何时发生，又持续了多长时间。

创造无线技术的应用机会

    我们仅仅讨论了关于无线技术在改进工厂和过程操作方面的几个例子。但是无线技术的应用可能性几乎是无限的。从过程控制、设备监控、环境监控、资产管理、设备诊断、能量监控/管理一直到资产追踪、提高移动工作人员的生产效率以及安全方面的应用等等，无线技术都能大显身手。

    那么现在，其他的无线技术应用者都在创造哪些应用机会呢？

    探测蒸汽管道内冷凝水聚积状况。有一种很常见的现象，冷凝水沿着蒸汽管道在各种不同的位置聚集，产生潜在的“水击”效应，可能对管道或下游设备造成损害。但是，您可以通过在不同的地点沿着管道安置无线温度传感器，观察温度的变化率，并以此判断冷凝水的集结情况，然后在损坏发生之前采取行动。
 

    监控滤器於堵情况。滤器用于收集管道内部的微粒杂质，随着时间的增加可能发生堵塞。 现在操作人员可以不再需要定期手动检查滤器的情况了。安装一个无线传感器，测量滤器两边的压差，然后将信息发送回控制室，操作人员在进行判断之后仅在必要时对滤器进行清洁即可。

    对旋转设备进行监控。对风扇、马达和泵等过程工厂设备的典型维修程序，要求技术人员定期采集振动以及其他方面的机器健康信息。数据收集的时间间隔越长，发生不可预料的变化的危险甚至设备故障失灵的可能性就越大。另一方面，只要利用无线振动和温度传感器，您就可以得到反映不规则变化的即时信息， 帮助防止非计划停车事故。

    任何温度、压力、液位、流量或分析数据的测量都构成应用的可能性。虽然一反传统但是很有价值的应用包括：监控管道腐蚀状况以帮助预测泄漏可能发生的位置，或者马达工作时的电流大小以优化其耗能状况。