1 何謂無線技術(shù)?
當今大多數(shù)人每天都在利用無線技術(shù)——不管是聽收音機,打無線電話,還是用遙控器來更換電視頻道。世界各地的人們甚至可以在利用Wi-Fi服務(wù)訪問“熱點”的時候登錄互聯(lián)網(wǎng)。
無線技術(shù)對于某些過程工業(yè)而言也算不上什么新鮮的東西。例如,那些石油天然氣公司,也經(jīng)常會利用無線系統(tǒng)對油田和油氣管道進行遠程監(jiān)控。
當然了,迄今為止無線技術(shù)仍未在工廠內(nèi)部廣泛采用。人們擔心無線系統(tǒng)的可靠性、安全性以及其部件使用電池的壽命,這就大大降低了無線技術(shù)的應(yīng)用,即使在傳統(tǒng)的有線技術(shù)方案成本高昂、操作困難的情況下亦是如此。
隨著無線技術(shù)在人們擔心的這些方面得到逐步加強,這種局面也隨之改變。在許多領(lǐng)域的操作中,人們正在將目光投向無線技術(shù),將它作為重要的武器來迎接自動控制方面的挑戰(zhàn)。
無線技術(shù)
無線通信技術(shù)種類繁多:藍牙、CDMA、GSM/GPRS、900MHz Zigbee、Wi-Fi、Wi-Max、衛(wèi)星通信等等,這還僅僅是其中您可能會聽說過的一部分。為什么有這么多的無線技術(shù)呢? 理由很簡單,沒有一種技術(shù)可以很理想地適用于任何行業(yè)的任何用途。
例如,不同的技術(shù)會更加適合在不同距離上進行傳輸。
蜂窩技術(shù),利用現(xiàn)有的電信網(wǎng)絡(luò),可以進行跨國或跨洲通信。
另一方面,藍牙技術(shù)以其有效而成本低廉的方式,用于鍵盤和電腦之間或者耳機和電話之間的連接——是由于它的范圍非常狹窄,這就意味著對于海上油田的通信而言,它實在不是一個正確的選擇。
雖然沒有一種單一的無線方案適用于所有的過程工業(yè)要求,還是有某些技術(shù)可以很好地應(yīng)用于一些共同的用途。
GSM/GPRS廣泛地應(yīng)用于蜂窩網(wǎng)絡(luò),可以很好地用于遠距離數(shù)據(jù)采集,例如儲存罐庫存監(jiān)視等。
900-MHz 和2.4-GHz 無線電波在油氣田的監(jiān)控和SCADA應(yīng)用方面也證明了它的實用性。
自組網(wǎng)絡(luò)在工廠內(nèi)應(yīng)用具有很高的可靠性——應(yīng)用先進的電源管理技術(shù)時其成本效益尤其可觀。
Wi-Fi技術(shù)設(shè)計完善,穩(wěn)定可靠,價格低廉,是一種基于開放式標準建立的系統(tǒng)。同自組織無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用時,可以提供優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)主干作為數(shù)據(jù)集中和網(wǎng)絡(luò)組建之用。Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)存取點還可以為移動狀態(tài)的工作人員提供無線過程控制網(wǎng)絡(luò)上的信息。
衛(wèi)星通信可以將在非常遙遠的地區(qū)進行的操作連接到中央控制室。例如,一些海上油田就利用此技術(shù)提供數(shù)據(jù)鏈連接到陸基設(shè)施。
工業(yè)應(yīng)用
無論一項技術(shù)如何令人興奮,您都不可能對它進行投資——除非它對您的業(yè)務(wù)具有實際用途——可以解決您的問題或者帶來新的收益。
但是無線技術(shù)及其成熟的方案在今天已經(jīng)具有了廣闊的應(yīng)用范圍。大多數(shù)過程工業(yè)的操作都很容易找到可以應(yīng)用無線技術(shù)的地方,而且回報豐厚。
遠程應(yīng)用。假如您需要獲取數(shù)據(jù)的地方跟您使用他們的地方有數(shù)公里之遙,硬線連接顯然不太現(xiàn)實。這樣的例子包括如遠程監(jiān)控儲存罐庫存,從遠程記錄儀收集數(shù)據(jù),以及獲取來自于遠處的油氣田設(shè)備的診斷信息等等。
無線技術(shù)可以提供實際可行的操作方案。例如,由于蜂窩技術(shù)的應(yīng)用,數(shù)據(jù)可以從相當遙遠的地方通過已有的通信網(wǎng)絡(luò)進行傳送而價格低廉。而您再也不需要等到下一次有人要訪問一個位于遠處的操作設(shè)施的時候才得知那里到底在發(fā)生著什么。
工廠近距離應(yīng)用。即使所需要的信息就在不遠之處,有許多障礙,公路、鐵道或者河流都仍然會使得硬線連接很難變成現(xiàn)實。 像無人管理或者難以抵達的工廠周邊區(qū)域,例如罐區(qū)或者水處理設(shè)施等等均屬于這種情況。
然而應(yīng)用無線技術(shù),例如Wi-Fi,卻可以輕易的將那些地方連接到控制室或者工廠內(nèi)的其他某個地點,采用這種連接您就可以及時知道那兒的工作狀況以便采取適當?shù)拇胧?SPAN lang=EN-US>
工廠內(nèi)應(yīng)用。雖然工廠內(nèi)部的通信距離較短,但是傳統(tǒng)的硬線連接有時候成本之高甚至會超過由所獲取的附加信息帶來的利潤。
無線技術(shù)譬如自組織網(wǎng)絡(luò)可以達成于您有利的平衡。這些易于安裝的,方便擴展的無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)以一種令人矚目的方式降低成本,添加新的測量點,或者訪問有關(guān)的診斷數(shù)據(jù)均變得簡單易行,而這些通過傳統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)都是難以實施的。
無線技術(shù)還可以提高操作人員和維護人員的生產(chǎn)效率。在大多數(shù)生產(chǎn)加工應(yīng)用中,處于移動狀態(tài)的工作人員都可以訪問控制以及維護的數(shù)據(jù)——無論他們身在何處。
現(xiàn)場總線、HART, 還是無線技術(shù)?
無線技術(shù)如何適合其他的通信技術(shù),以便為過程自動化,例如HART和基金會現(xiàn)場總線提供服務(wù)?他們可以共存嗎? 還是其中一個優(yōu)于另外一個?
答案是:各有優(yōu)勢。為某項操作尋求最大生產(chǎn)力和最大的收益率,需要這些技術(shù)相互之間的配合。
HART 和基金會現(xiàn)場總線通信是傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用的理想之選。
對于工廠的生產(chǎn)和安全來說,控制應(yīng)用是一種基本的手段。它對更新率的要求常常是每秒或小于一秒的速度。
傳統(tǒng)的監(jiān)測應(yīng)用對工廠的生產(chǎn)安全也非常重要,但是通常它對更新率的要求沒有控制應(yīng)用那么頻繁。
今天的無線技術(shù)適合于許多控制應(yīng)用的場合,但是對于監(jiān)測那些以前無論從經(jīng)濟上來說還是從物理上來說均難以著手的資產(chǎn),如敷設(shè)電纜的成本要高過所帶來的利益的地方無疑更是理想的選擇。
這些增量監(jiān)測裝置所提供的額外的數(shù)據(jù),常常對工廠的業(yè)務(wù)優(yōu)化,同關(guān)鍵的安全應(yīng)用或基本生產(chǎn)上的應(yīng)用相比顯得更加重要。他們要求的更新速度常常是從每幾秒一次到每天數(shù)次不等,不但經(jīng)常用于控制系統(tǒng),也經(jīng)常與歷史數(shù)據(jù)庫或資產(chǎn)管理軟件結(jié)合使用。
工作穩(wěn)健的無線技術(shù)還可以用于某些類型的控制應(yīng)用中。具體說來,就是所選擇的方案能夠在執(zhí)行時間和更新速度方面滿足要求。有代表性的應(yīng)用包括開環(huán)控制和允許較長刷新時間的非關(guān)鍵控制等等。
無線技術(shù)適用于增量監(jiān)測和非關(guān)鍵控制應(yīng)用。
如圖1所示, 無線技術(shù)在現(xiàn)有設(shè)施的增量監(jiān)測應(yīng)用中尤顯經(jīng)濟。在這些應(yīng)用中要敷設(shè)新的電纜是一項復(fù)雜的工作而且成本高昂。
對于新設(shè)施來說,無線應(yīng)用的優(yōu)點沒有那么突出。因為這些新設(shè)施可以在一開始的時候,即基礎(chǔ)設(shè)施和其他的障礙還沒有對增量監(jiān)測裝置的安裝形成障礙的時候,已經(jīng)將有線通信的額外容量考慮在內(nèi)了。 當現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用使得敷線成本和復(fù)雜性進一步減少的時候,這種優(yōu)勢差別就更小了。
在有些情況下,您會發(fā)現(xiàn)將現(xiàn)場總線,HART和無線技術(shù)結(jié)合使用會得到最好的效果。 您可以在無人管理的工廠附近設(shè)施內(nèi)利用基金會現(xiàn)場總線的現(xiàn)場控制功能,同時利用無線方式將他們連接到中央控制室去。
為什么現(xiàn)在流行無線技術(shù)?
無線不是什么新鮮出爐的事物了。但是為什么現(xiàn)在流行無線技術(shù)呢?
想一想移動電話都發(fā)生了些什么。蜂窩技術(shù)在大規(guī)模應(yīng)用之前早已存在了至少十年之久,但是早期的移動電話體型較大,電池壽命較短,對于大多數(shù)人而言只是可望而不可及的東西。 隨著這些問題一旦解決,它的應(yīng)用就呈指數(shù)形式向上竄升了。
在過程自動化方面也是類似的情況。雖然無線通信可帶來的潛在利益顯而易見,但是用戶仍然不愿意將它應(yīng)用到工廠中去, 他們會考慮到安全問題、電池壽命問題、標準問題以及通信可靠性的問題,直到這些問題得以解決。
近幾年來,有數(shù)家自動化和無線技術(shù)供應(yīng)商集中精力解決此類及其他存在的問題。最終的結(jié)果是,“可用于過程工業(yè)”的無線解決方案日益完備。
內(nèi)置式加密、權(quán)限驗證、核實、密碼管理、抗干擾以及其他的安全措施可以保證正確使用的無線網(wǎng)絡(luò)同許多傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)一樣甚至更加安全。
先進的電源管理技術(shù)、低功率電子部件和能源凈化技術(shù)可以在能耗最小化方面發(fā)揮助力,無線裝置可以工作數(shù)年而不用更換電池。
自組網(wǎng)絡(luò)為無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)提供了前所未有的高可靠性。即使在工廠環(huán)境變化對現(xiàn)有傳輸路徑帶來干擾的情況下亦能可靠工作。
逐漸形成的行業(yè)標準,如由ISA和HART通信基金會開發(fā)的標準,在探討關(guān)于無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的整合和長期兼容的問題。
與此同時,用戶們都在孜孜以求從他們的操作中力爭更大的生產(chǎn)率(和更小的成本)。無線技術(shù)為他們提供了具有良好成本效益的方法——從附加過程測量到設(shè)備診斷到庫存水平等等——來獲取信息,為達成這些目標提供幫助。
2為何采用無線技術(shù)?
對于工廠的生產(chǎn)過程、實物資產(chǎn)和整體的操作,如果您的了解越全面,生意會越安全,獲得的利潤也就會越多。
正如任何工廠的經(jīng)理、工程師、操作人員或者維修工人都會告訴您的,更多(更好)的信息意味著更多的機會,來降低操作成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提升生產(chǎn)能力以及可用性。
不僅如此,時至今日,當許許多多的設(shè)施建立起來之后,都會有新的環(huán)境以至安全方面的要求隨之建立。與此同時,工廠總是盡力爭取獲得測量和診斷信息,以便更容易符合要求。
那么,為什么還是有些工廠不“達標”呢?
常常看到的是,要增加一處新的測量點,其成本或者難度常比預(yù)期的利潤還要高。要利用傳統(tǒng)的“有線”技術(shù)將測量點跟控制系統(tǒng)之間進行連接,由于其距離或復(fù)雜性等原因,會使成本大大提高而在實踐上難以施行。
無線技術(shù)將傳統(tǒng)有線現(xiàn)場技術(shù)方案所遭遇的障礙清除殆盡。要獲取所需要的數(shù)據(jù)變得前所未有地輕而易舉,而在此之前,無論從經(jīng)濟上或是從技術(shù)上這都是難以企及的。
安裝成本的低廉僅僅是好處的一部分。更重要的是利用獲得的這些額外的信息可以做些什么。 無線技術(shù)讓處于移動狀態(tài)的工作人員從遠處就可以獲得所需要的信息,使他們可以更加有效地進行工作。
這就是為什么有越來越多的工廠轉(zhuǎn)向無線方案的原因。
減少障礙
要選用無線而不是有線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)有很多原因,但是最大的原因在于安裝成本。假如干脆不用或者大大地減少使用現(xiàn)場接線,則意味著在安裝調(diào)試的接線和人工投入方面會有可觀的節(jié)省。
估計的結(jié)果可能會有所差別。但是當您開始對測量點安裝的前期成本進行計算的時候,包括設(shè)計、采購、安裝和啟動,以及典型的有線模擬測量點需要的配套基礎(chǔ)設(shè)施則會發(fā)現(xiàn)所有這些成本加起來遠遠地超過了測量設(shè)備本身。
假如有線系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)設(shè)施,如纜槽、接線箱、接線板、機房等等,容量不足需要擴展以便容納更多測量點的時候,成本可能會更高。對于自動化設(shè)施,例如I/O 接口板,控制器和軟件許可等等,所需成本也是同樣的情況。
與此相比,要增加一個智能的無線測量點所需要的成本僅僅只為有線模式的很小一部分。
這就極大地降低了經(jīng)濟方面的障礙。過去因成本高昂而不能采集的信息,如今已經(jīng)唾手可得,使您的操作大大改善。
通過降低添加測量點的成本,成本效益提高,有線技術(shù)使得改善操作的障礙也降低了。
利用稱作“自組織網(wǎng)絡(luò)”的無線技術(shù),可以進一步降低障礙。同其他無線技術(shù)相比,這些網(wǎng)絡(luò)在安裝和擴展方面甚至更加容易。只要每個新增加的無線設(shè)備處于網(wǎng)絡(luò)中的任何其他設(shè)備的范圍之內(nèi),一旦安裝完成,即會自行加入網(wǎng)絡(luò)。
操作人員的效率
絕大多數(shù)工廠都在從幾百個甚至上千個獨立安裝的測量點處采集數(shù)據(jù)。所有這些工作均由人工完成,操作人員攜帶記錄簿進行巡視,以每小時、每班、每天或者每周一次的頻率檢查儀表、觀察鏡、圖表記錄儀或者其他各種指示器。
操作人員花費大量時間來收集這些數(shù)據(jù),收集地點經(jīng)常偏僻而且危險。這項工作非常枯燥,常常產(chǎn)生差錯或者漏掉讀數(shù)。而且,他們用在收集數(shù)據(jù)上耗費的時間越多,用于分析并應(yīng)用數(shù)據(jù)改進操作的時間也就越少。
現(xiàn)在我們來想象一下用無線技術(shù)代替記錄薄,將那些數(shù)據(jù)取回控制室。由于增加無線設(shè)備的成本相對低廉,對那些成百上千的測量點中大部分采取無線方案便成為一種可行的方式。
無線技術(shù)可以減少操作人員手動采集數(shù)據(jù)的需要。
由于無線設(shè)備可以以一定的頻率間隔自動采集并發(fā)送信息,您可以獲得更準確、更及時的對于工廠內(nèi)正在發(fā)生的事件的描述,而您的操作人員則可以更少地暴露在危險環(huán)境中,將更多的時間放在更有價值的工作上。
利用無線過程控制網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)場操作人員還可以使用便攜式無線設(shè)備,如筆記本電腦,無需返回控制室即可訪問關(guān)鍵過程和控制信息、歷史數(shù)據(jù)以及其他功能信息。
所有這些都會賦予操作人員強大的能力,使他們的工作更加有效。
維護保養(yǎng)的效率
有些信息您的維修技師只能手動收集,或者您根本不能收集到,但是無線技術(shù)可以滿足您的要求。
如今的工程現(xiàn)場有成百萬的基于HART的智能設(shè)備,具有程度不等的診斷功能。 不幸的是,許多工廠都沒有在控制室里接收HART數(shù)據(jù)的設(shè)施。由于這些設(shè)備中只有一部分處于數(shù)字化監(jiān)控狀態(tài),在現(xiàn)有的工廠中訪問“擱淺”的診斷信息潛力十分巨大。
現(xiàn)有的有線式智能設(shè)備可以利用無線適配器進行升級,將診斷信息發(fā)送回控制室或者維修車間,由合適的工作人員據(jù)此采取恰當?shù)谋匾胧_^程控制信號繼續(xù)通過有線連接進行發(fā)送,但是診斷數(shù)據(jù)同時以無線方式進行傳送以作為資產(chǎn)管理之用。
這種額外的信息為維修保養(yǎng)效率的提高提供了方便的途徑。
例如,當操作人員認為某個設(shè)備的指示值不正常時,維修人員常常需要親臨現(xiàn)場對設(shè)備進行檢查。經(jīng)常發(fā)生這樣的情況,維修人員白白地跑了一趟卻發(fā)現(xiàn)沒有問題,或者問題發(fā)生在另外的環(huán)節(jié)上。
我們來計算一下到現(xiàn)場工作所花費的時間,先到設(shè)備地點來檢查它們的狀況,然后返回維修車間,把設(shè)備修好。您已經(jīng)看到這要花多少時間了,而且,如果設(shè)備碰巧處于危險區(qū)域,維修技師還得穿上防護用具,那么時間可能更長,安全風險也增加了。
然而,利用無線方式訪問HART數(shù)據(jù),維修人員可以無需離開控制室或者維修車間而對設(shè)備狀況進行快速方便的檢查,或進行診斷。 具有先進診斷功能的設(shè)備可以讓您在潛在的問題發(fā)生之前探知它們的存在,并在它們影響運行操作之前采取適當?shù)男袆印?SPAN lang=EN-US>
當維修人員離開工廠時,無線過程控制網(wǎng)絡(luò)可以使他們遠距離訪問資產(chǎn)管理系統(tǒng)以進行“現(xiàn)場”診斷,獲取設(shè)備信息,并通過移動效率軟件進行即時跟蹤,報告有關(guān)檢查、試驗、維護和修理的情況。
庫存監(jiān)控
我們在前面描述了如何通過增加無線測量點來減少手動數(shù)據(jù)收集,提高生產(chǎn)效率的問題。那么假如測量點位于工廠里很遠的一側(cè)或者幾百公里之外呢,無線裝置可以帶來的好處究竟有多大?
儲存罐區(qū)和其他偏僻地區(qū)的儲存設(shè)施常常處于這種情況。除非剛剛有操作人員或者運貨司機到過那里,否則您常常對每個儲存罐中到底還有多少存貨不得而知。假如出乎意料之外,在訪問間隔之內(nèi)用量過大,則可能會導(dǎo)致儲存貨物的液位降低到危險程度甚至斷貨。另一種變通辦法是,在每個罐內(nèi)另外保持一個“安全儲備”,將部分存貨常備而不用。
通過無線方式監(jiān)控儲罐液位可以幫助您避免這兩種麻煩。在遠程現(xiàn)場自動收集測量數(shù)據(jù),然后通過無線方式發(fā)送到最近處的移動電話發(fā)射塔,然后再通過電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到您的工廠,或者任何其他需要的地方。
除了可以對存貨液位有一個持續(xù)的最新的了解之外,您還可以減少訪問次數(shù),與此相關(guān)的交通費用也就隨之減少了。
符合環(huán)境法規(guī)
增加無線監(jiān)控的測量點不但非常經(jīng)濟,而且有助于保護環(huán)境。
例如,對于管道的流量壓力測量可以幫助探測泄漏,而且迅速確定泄漏的位置以便您可以在事故引發(fā)之前即可采取適當?shù)拇胧瑥亩苊鈱?dǎo)致難以預(yù)料的噴射。
自動化監(jiān)控還可以減少環(huán)境保護的報告和審計成本。因為通過監(jiān)控,您對所有的必要信息都已經(jīng)了如指掌。
以溢流閥監(jiān)控為例。這些溢流閥安裝的地方,通常安裝有線設(shè)備時則成本高昂,或根本難以施行,所以操作人員不得不對每一只溢流閥進行定期檢查。 當他在檢查時發(fā)現(xiàn)平常套在閥上的蓋子脫落的時候,他會報告說,這只閥已經(jīng)被啟動溢流,或者說,已經(jīng)發(fā)生過噴射事故。
問題是您根本無從得知噴射事故發(fā)生的確切時間、多長時間或者漏泄量有多大,只知道它發(fā)生在上次操作人員巡視之后的某個時間。調(diào)查員對事故進行審核,不管發(fā)生的時間具體多長,即使僅僅發(fā)生在操作人員檢查的數(shù)分鐘之前,他也可能會按照從上次檢查以來的整個時期進行罰款。
要避免這種狀況的發(fā)生,您可以在溢流閥旁邊安裝一只無線測量發(fā)送器,將信息發(fā)送到控制室的歷史數(shù)據(jù)記錄器,這樣,您就有了一個確切記錄的證據(jù),表明噴發(fā)事故何時發(fā)生,又持續(xù)了多長時間。
創(chuàng)造無線技術(shù)的應(yīng)用機會
我們僅僅討論了關(guān)于無線技術(shù)在改進工廠和過程操作方面的幾個例子。但是無線技術(shù)的應(yīng)用可能性幾乎是無限的。從過程控制、設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、資產(chǎn)管理、設(shè)備診斷、能量監(jiān)控/管理一直到資產(chǎn)追蹤、提高移動工作人員的生產(chǎn)效率以及安全方面的應(yīng)用等等,無線技術(shù)都能大顯身手。
那么現(xiàn)在,其他的無線技術(shù)應(yīng)用者都在創(chuàng)造哪些應(yīng)用機會呢?
探測蒸汽管道內(nèi)冷凝水聚積狀況。有一種很常見的現(xiàn)象,冷凝水沿著蒸汽管道在各種不同的位置聚集,產(chǎn)生潛在的“水擊”效應(yīng),可能對管道或下游設(shè)備造成損害。但是,您可以通過在不同的地點沿著管道安置無線溫度傳感器,觀察溫度的變化率,并以此判斷冷凝水的集結(jié)情況,然后在損壞發(fā)生之前采取行動。
監(jiān)控濾器於堵情況。濾器用于收集管道內(nèi)部的微粒雜質(zhì),隨著時間的增加可能發(fā)生堵塞。 現(xiàn)在操作人員可以不再需要定期手動檢查濾器的情況了。安裝一個無線傳感器,測量濾器兩邊的壓差,然后將信息發(fā)送回控制室,操作人員在進行判斷之后僅在必要時對濾器進行清潔即可。
對旋轉(zhuǎn)設(shè)備進行監(jiān)控。對風扇、馬達和泵等過程工廠設(shè)備的典型維修程序,要求技術(shù)人員定期采集振動以及其他方面的機器健康信息。數(shù)據(jù)收集的時間間隔越長,發(fā)生不可預(yù)料的變化的危險甚至設(shè)備故障失靈的可能性就越大。另一方面,只要利用無線振動和溫度傳感器,您就可以得到反映不規(guī)則變化的即時信息, 幫助防止非計劃停車事故。
任何溫度、壓力、液位、流量或分析數(shù)據(jù)的測量都構(gòu)成應(yīng)用的可能性。雖然一反傳統(tǒng)但是很有價值的應(yīng)用包括:監(jiān)控管道腐蝕狀況以幫助預(yù)測泄漏可能發(fā)生的位置,或者馬達工作時的電流大小以優(yōu)化其耗能狀況。