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    概述

    PlantWeb 大學關于無線技術應用的其它大多數課程都跟監測和診斷有關。 這是因為無線技術在今天的應用中最大的價值在于它能夠讓我們用一種方便、經濟的方式來獲取附加信息，并以此達到最佳運行狀態。

    但是控制方面呢？是否也應該考慮使用無線技術呢？答案是肯定的。但是用戶有必要對特定的應用考察一下，考慮如何在今天的無線技術應用的優勢和局限性之間做權衡。

    前文已經詳細介紹了無線技術的優點，尤其是利用無線技術采集與操作相關的附加信息的低成本和方便性。今天的無線現場網絡可以提供的經過實踐檢驗的可靠性，比99％的有線網絡要高，而且在安全方面也毫不遜色。

    在本文中將著重講述在評估無線技術的控制用途時需要考慮的一些額外因素，例如應用中要求的更新率以及網絡延遲時間的影響等。還將討論一下無線技術對于不同控制應用的適合性。

    更新率

    要判斷無線技術是否適用于用戶的控制應用，首先應該確定一個良好的過程控制所需要的更新率。 

    要獲得精確的控制，測量數據需要能夠充分地反映有關過程的具體狀況。測量變送器通常要多次對過程變量進行采樣，對讀數進行過濾，然后再將結果通過網絡傳送到控制器。

    通常過程中的有些變量變化很慢，而有些則非常快。假如傳送到主機系統的測量值不夠頻繁，不能很好地表現變量的狀況，那么用于控制的數據也就難以準確地反映過程中發生的情況。

    然而在無線領域，要求很高的更新率常常并不現實。數據的每次更新都需要耗用能量進行處理和傳送，更新率越快，耗能也就越高。除非您愿意每隔數月就更換一次電池，或者干脆為現場設備直接鋪設電纜送電，以犧牲某些無線技術的關鍵優勢為代價。通常無線系統的更新率都要比有線系統來得要低。

    雖然真正無線網絡中的設備通常經過配置之后更新率大約在每分鐘兩次左右，其實它們都可以支持每秒鐘一次的更新率。這個更新率對于有些應用，變量變化較慢的比如液位和溫度回路或者那些通過在線分析儀器的反饋進行控制的回路而言還是合適的。 有些緩慢且非關鍵的流量回路也非常適合利用基于無線技術的控制。

    關鍵是要了解過程的要求，然后再在更新率和電池壽命之間做出正確的權衡。 有些設備供應商可以提供相關圖表以對電池壽命和更新率之間的關系做出描述，從而幫助用戶找到它們之間的正確平衡，之后再來決定無線控制是否適合于某個特定的應用。

    網絡延遲時間

    控制系統的性能部分取決于控制回路對輸入信號變化的響應時間。這個響應時間包括測量信號從傳感器旅行到達控制器的時間，再加上從控制器到達閥門或者其它終端控制元件的時間。

    信息包從其來源到達目的地的過程中所發生的任何耽擱都被稱作延遲時間。

    所有的通信過程都有一定的時間延遲。在絕大多數的有線過程控制網絡中，延遲時間都非常低，甚至可以允許速度非常之快的控制回路。 但是許多用于無線網絡的信息處理技術都會增加網絡的延遲時間，以至于今天的無線技術可能無法適用于要求響應時間以毫秒計的快速控制回路。

    為什么會出現這種狀況呢？

    在無線領域里，隨著從發送器到接收器（網關或主機系統）之間距離的增加，信號強度會迅速降低。信號強度越低，傳輸錯誤的發生率就越高；傳輸錯誤反過來降低了數據吞吐量，增加了信號抵達目的地需要的時間。

    設備供應商有時會安裝一個八木定向天線以增加信號增益，從而獲得更強的無線鏈路。但是這種方法雖然能在某些應用中減少延遲時間，卻成本不菲。

    避免信號強度問題的另外一種方法是，將信號通過其它的無線網絡節點進行傳遞，直到抵達網關或者主機為止。節點之間的距離更短了，通信的可靠性也隨之提高。內置式冗余度，即具有多個可以傳遞信號到目的地的節點也可以達到同樣的效果。
 

    可靠性對過程控制非常重要。然而，從節點到節點之間額外的“跳頻”也同時會增加整個信號傳輸時間。 整個網絡延遲時間可能只有數微秒之短，也可能在極端情況下達到一秒到兩秒之久。在某些地點可能會由于整體延遲時間太長而無法支持快速控制回路。

    這就是為什么在將無線技術應用于控制之前，用戶需要首先確定網絡時間延遲是否處于可以接受的限制范圍之內的原因。
 

    使用分級

    以上討論的有關因素，使無線技術更適合于某些應用類型，而對其它的類型則要差一些。 因此，標準委員會開發出相關的工具來幫助用戶對其應用加以全面的考量，并對無線過程控制的案例加以利用。

    例如 ISA SP100 委員會。 這個委員會正在為無線網絡在過程工業當中的應用設立標準，他們定義了六個使用等級，幫助用戶確定無線技術何時可以適用。

          

    當前大多數的工業無線網絡都適合于4級和5級應用，其中包括監測應用。目前無線網絡的典型延遲時間和更新率都處于這些應用的要求范圍之內。

    如果在更新率和延遲時間方面能夠滿足控制響應的要求，那么無線網絡也可以用于2級和3級回路之中。

    例如，無線控制在第3級控制應用中可以工作良好——在這些應用中操作人員必須離開控制室（多半是在剛獲得工作許可之后）進行適當的控制操作，如啟動泵或者打開一只手動切斷閥等。在這些情形下，一分鐘的更新率（如果您希望電池工作可以維持數年之久，這個更新率會符合要求）已經足夠快了。

    假如本地電源不方便，或者用戶愿意更頻繁地更換電池，更新率要求稍快的控制回路也可以用無線方式來操作。

    雖然無線技術目前來說尚不推薦用于0級和1級應用，隨著行業內經驗和信心的增加，將會有越來越多的此類應用選擇無線控制方式。

    無線技術應該用在哪些地方？

    應用無線方式對測量數據進行監測，例如在那些以前在經濟上和實踐上都難以做到（如鋪設電纜的成本超過收益的場合），會給您帶來很大的價值。

    通常這些應用要求的更新率從每分鐘一次到每天數次不等。 這些數據對于業務優化的重要性常常要比關鍵的安全應用或基本的生產應用高得多，除了控制系統之外，也會經常跟歷史數據記錄器或者資產管理軟件結合使用。

    如圖1所示，無線技術用于現有設施的增量監測尤為劃算。在這些設施中，鋪設新線路非常復雜，而且費用高昂。然而除此之外，它還可以用于這些設施中的非關鍵控制回路，特別是那些對更新率要求不高的地方，成本效益很高。

              圖1   無線技術非常適用于增量監測和非關鍵控制用途

    如果無線技術供應商允許將技術用于所有用途，用戶應該確認其無線設備無需電網電源，電池壽命按年計算而非按月計算。 否則，提供電網電源或者頻繁更換電池的費用會將無線技術原來在鋪線和安裝方面帶來的節省逐漸地侵蝕掉。
 
    隨著設備供應商不斷地提高電源效率并改善對無線設備的管理，利用自組織網絡增加測量點和數據傳輸率將使越來越多的無線非安全關鍵應用變得切實可行。 用戶可為設備運作增加成百甚至上千的測量點，從而對過程和業務的性能做出改進。

    實踐指標

    由于無線技術在監測方面的應用可以提供最大經濟效益，選擇無線結構來使成本最小化，使收益最大化可謂順理成章。無線技術的選擇應遵循：

    ·  支持真正的無線結構，無需敷設電纜或者建設其它基礎設施以達供電或通信之目的。
 
    ·  無需費用較高的現場勘查來保證通信的可靠性。

    ·  使用標準的工業傳感器，使安裝和過程連接更容易，數據采集更可靠，培訓要求也更低。

    艾默生公司對此做了深入的研究和相關測試，擁有廣泛的用戶服務經驗，這一切都表明自組織無線網絡可以為這些功能提供一個理想的平衡：用于控制足夠穩健可靠，用于監測則成本足夠低廉。

    總結

    對于無線控制的應用應有獨特的考慮。在將無線技術應用于最困難的過程控制問題之前，理應先在監測和非關鍵控制應用方面，例如開環控制和允許較長刷新時間的非關鍵控制方面取得經驗。

    然而，控制能力僅僅是選擇無線結構時需要考慮的事項之一。 由于無線技術在監測應用方面可以提供很大的價值，選擇一個無線結構，在經過優化之后既可用于控制，又可用于監測將是十分有利的。大多數利用自組織網絡的廠內無線技術方案都足以在提供控制功能的同時提供監測功能。 一個良好的、靈活的網絡設計將會以十分經濟的方式滿足用戶所有的應用需求。

                                                      ——轉自《自動化博覽》