林永春

男，1983－1990年于清華大學自動化系學習，先后獲得工程學士和工程碩士的學位。曾供職于Honeywell、ABB等國際自動化公司，2000年至今在艾默生過程控制有限公司工作，現任市場部總監。主要研究方向是過程控制自動化系統和儀表，參與過多個國內外大型項目的設計和執行工作。對現場總線等技術具有豐富的經驗，是中國基金會現場總線專業委員會副主任。

摘要：本文重點論述了無線技術解決方案，簡要說明了其在工廠中的應用領域，對智能無線技術的結構體系以及工業標準WirelessHART 進行了簡要的介紹。

關鍵詞：無線；WirelessHART；無線儀表

1 工廠管控網（PlantWeb ）技術

    智能儀表問世后，工廠管控網（PlantWeb）的概念得到越來越普遍的應用。工廠管控網的精髓，就是工廠的自動化結構中的每一部分都是數字化、智能化的，包括DCS、SIS、現場儀表等。整個自動化結構以現場智能設備為基礎，充分利用現場設備的智能信息，將以往被動的維護方式轉變為前瞻性的主動維護方式，提高工廠的運行性能，從而獲得更大收益。艾默生公司首先推出數字化工廠結構的理念和產品，其PlantWeb的結構如圖1所示。

                               圖1   PlantWeb結構圖

    PlantWeb所定義的數字化工廠結構，將過程自動化的水平提高到一個新的高度。PlantWeb不但能降低項目風險，也能提高工廠的運行性能。

    對于工廠中常用的智能設備，包括儀表、閥門，以及旋轉設備和工藝設備等，它們都有豐富的診斷信息，這是傳統設備不具備的。傳統的自動化方案不能很好地利用這些診斷信息，而PlantWeb可以解決這個問題，它可以讓這些設備診斷信息得到充分利用。

    在無線技術應用在過程工業之前，任何自動化結構都是通過布線的方式來實現的。有些場合布線困難，或者布線成本高，導致測量困難，更不用說用智能儀表。智能無線技術就是將PlantWeb的的功能延伸到過去無法到達的領域，其應用包括對生產過程和設備的監測、人員工作效率和工廠環境的管理。智能無線技術具有廣闊的應用前景和優勢。

    無論是通過有線還是無線方式，智能設備和PlantWeb自動化結構都改變了工廠的運作模式，維護的方式從被動轉為主動。主動維護方式是一種的預測性維護方式，當操作或維護人員收到設備發出的預警信息時，主動去檢查該設備的狀況，在設備故障擴大之前就把它修復好，避免故障進一步惡化而影響生產。主動式的維護方式使維護工作不再盲目，避免事故后排查故障的被動局面，維護人員依靠這些設備的預警信息，可以對設備運行和健康狀態了如指掌，這樣不但降低工廠維護成本，同時也保障工藝的連續穩定運行，可以提高產品產量、質量和生產效率。有大量的數據可以證明PlantWeb可以提高工廠運行效益，如圖2所示。

                            圖2   PlantWeb對工廠運行效益的影響

2 智能無線方案介紹

    采用智能無線方案，PlantWeb的智能預測功能擴展到實際條件或經濟等原因無法到達的領域。無線技術以全新視角拓展對工廠各個方面的監測，進一步加強PlantWeb的優勢。

    智能無線方案所使用的現場設備同樣具備預測智能，與有線技術相比，無線方案的安裝成本可以節省90%以上，它可以不用布線、橋架、接線端子等等。無線技術能解決很多工廠中的測控“盲點”難題。距離偏遠、物理障礙、高昂的工程費用和復雜的技術集成等問題，將不再是工廠獲得信息的絆腳石。圖3所示為無線方案和有線方案的安裝成本比較。

                           圖3    無線和有線的安裝成本比較

    無線網絡有兩個層面：現場網絡和工廠網絡。現場網絡包括測量儀表和控制設備，工廠網絡則包括移動終端、人員設備跟蹤設備、移動通信工具、視頻監控等等。無線網絡的總體構架如圖4所示。

    在無線工廠網絡中，用戶可以通過無線移動終端來訪問控制和設備管理信息，安保攝像頭也可以用無線的方式接入。使用跟蹤設備還可以對工作人員和設備進行無線定位，工作安全性得以提高，物流管理可以實現自動化。在無線工廠網絡中，一般使用的是工業WiFi技術。

    在無線現場網絡中，一般使用的WirelessHART技術。現場的無線設備（比如儀表和閥門）組成一個自組織網絡，設備之間的通信可以自由選擇路徑，設備的數量可以任意擴展。

                             圖4   無線網絡的總體架構

3 工廠中無線技術的應用領域

    無線技術在工廠中的應用范圍很廣，它可以幫助用戶解決很多實際的問題，比如延長設備的生命周期、優化工藝裝置的效率、減少維護工作量和滿足安全和環保要求等等。針對工廠不同應用領域存在的各種問題，都有相對應的智能無線方案。

3.1 延長設備壽命

    設備故障和相關的維護工作既費時又費錢，同時也影響工廠的產量和效率。小問題如果沒能及時發現，就會演變成大問題，最后導致嚴重的故障，只需簡單維護最后卻變成大修。故障不及時排除還將縮短設備的使用壽命。無線技術可以有效監測這些設備，省去繁瑣的布線工作，有效延長設備壽命。

設備潛在問題	無線解決方案
冬天天氣寒冷，遠程泵站容易損壞。	使用羅斯蒙特648無線溫度變送器可進行遠程溫度監測。
控制閥的性能下降，或者動作有死區，但沒有反饋信號，無法在線監測。	使用智能無線適配器（THUM）可以在線監測閥門的健康狀態，可以收到閥門的故障預警信號。
電機軸承的溫度呈上升趨勢，并即將發生故障。	使用羅斯蒙特648無線溫度變送器可測量軸承溫度，實現預測性維護。

3.2 優化工藝裝置的效率

    很多工藝設備現在都缺乏有效的監測，它們處在帶故障運行中，這會降低生產效率。智能無線方案以非常經濟的方式提供額外的測量數據，對這些設備進行有效的在線監測，以提高生產效率。這些測量點包括以前無法實現的，例如在移動或旋轉設備上的測量點，或是在危險場合的測量點。

設備潛在問題	無線解決方案
礦物質沉淀于冷卻水系統會降低設備運行效率。	使用羅斯蒙特6081無線pH變送器可對水質進行監測，以確保設備達到最優的運行效率。
操作人員沒有注意到手動閥處在錯誤的運行狀態。	使用羅斯蒙特702無線開關量變送器可以給操作員提供位置反饋信號，減少操作的延誤。
泵的運行性能降低，這將導致能耗增加。	使用羅斯蒙特 3051S 無線壓力變送器可通過測量吸力和泄壓力來監測泵的性能。

3.3 減少維護工作量

    工廠設備的維護十分昂貴。大多數工廠仍然依賴被動式的維護方式，就是不管設備有沒有問題都進行頻繁的巡檢。當設備真正有問題的時候卻不能預先發現，只有等到設備故障惡化并影響到生產時才采取措施。智能無線方案可以對設備進行在線監測，用戶只需對有故障預警的設備進行及時的維護，真正實現預測性和前瞻性維護。

設備潛在問題	無線解決方案
一個非常重要的變速箱安裝在難以到達的位置，沒有在線監測功能。	使用CSI 9420無線振動動變送器可以對變速箱進行在線的監測，變速箱的故障預警信號可以送到DCS。
過濾器發生堵塞，進一步會損壞泵。	使用羅斯蒙特 3051Ｓ無線壓力變送器可對過濾器進行差壓測量，發現堵塞時能及時報警。
蒸汽管道中的積水會造成冷點，并引起腐蝕。	使用羅斯蒙特848T無線多點溫度變送器可監測蒸汽管道的溫度，及時發現故障點并進行修復。

3.4 滿足安全和環保要求

    智能無線方案以無線的方式監測安全設備，比如安全噴淋裝置等。當問題發生時可以及時采取措施，還可以對危險場所進行無線監測，以減少安全隱患。此外，無線技術還可通過精確記錄環境的變化，并迅速發出報警，最大限度地降低污染排放產生的危險、清理工作和罰款。

設備潛在問題	無線解決方案
堿罐即將溢出，會造成環境污染	使用羅斯蒙特702無線開關量變送器可提醒操作和維護人員堿罐的液位即將超過警界線。
安全閥開啟狀態一般要換班的時候才檢查，沒有在線的連續的開啟狀態記錄，容易招致高額的排污罰款。	使用羅斯蒙特3051Ｓ無線壓力變送器可發現安全閥的泄漏情況，保存連續的開啟狀態記錄，最多限度減少排污罰款。
某個監測站已經投入使用，但是不能及時得到監測信息。	使用羅斯蒙特702無線開關量變送器監測安全設備的使用狀況，可以及時得到信息并作出響應。

4 智能無線技術的結構體系

4.1 智能無線現場網絡與DeltaV和Ovation控制系統的集成

    艾默生公司的DeltaV和Ovation控制系統有無線方案的支持能力。DeltaV版本10.3以后可以將無線網關直接掛在控制網絡上，就好像控制器節點一樣。DeltaV和Ovation都提供標準的接口和網關集成。組態工具也完全支持網關和儀表的組態、設備監視等功能。用戶不需要具備專門的無線或通訊方面的知識。系統還可以自動識別智能無線網關和無線設備，便于方便快捷地安裝和調試。可以說智能無線現場網絡擴展了PlantWeb的功能，進一步給用戶的自動化方案增加了價值。

    DeltaV和Ovation系統與智能無線現場網絡的集成如圖5所示。

                      圖5   DeltaV或Ovation和智能無線現場網絡的集成

4.2 AMS設備管理軟件的使用

    AMS設備管理軟件是在線使用的預測維護軟件，它可以用來靈活地設計可靠、安全的無線網絡，可以根據最佳工程時間建立無線網絡，并投入運行。

4.3 無線網絡的規劃

    智能無線網絡分工廠網絡和現場網絡，用戶可以根據實際需求，分別組建兩級網絡。無論是先搭建無線現場網絡，實現對現場設備和過程信息的監視；還是先搭建工廠網絡，以改善效率和設備管理，智能無線方案均可以分步實施，網絡的擴展是容易、快捷的。

4.4 無線網絡和現有控制系統的集成

    無論工廠中現在使用的是何種DCS或PLC，智能無線網絡都可以和它們實現無縫集成。智能無線網關具有標準的Modbus　Serial、Modbus　TCP或OPC接口，任選其中一種接口都可以直接接入用戶現有的控制系統中，無需事先工程設計、現場調研或專門調試。對于操作和維修人員而言，每一臺智能無線設備的安裝、調試和使用方法與有線設備完全相同。

4.5 舊自動化系統的升級和智能信息的集成

    大部分舊控制系統都無法直接集成HART設備的智能信息，不能將智能信息加以應用以提高工廠的效率，造成用戶投資的浪費。艾默生的智能無線適配器（THUM），可以將現有的有線HART設備升級至WirelessHART設備，以無線的方式獲取以前所不能獲取的設備診斷信息和過程數據數據。詳細集成方案請參見圖6。

            圖６ 智能無線現場網絡與舊控制系統的集成及有線儀表升級為無線儀表

5 工業標準——WirelessHART

    到目前為止，世界上只有WirelessHART是已經正式發布的適合于過程控制行業使用的無線國際標準。艾默生的無線現場網絡完全符合WirelessHART標準。WirelessHART由HART基金會發布，并已經得到國際電工委員會（IEC）的批準，它得到世界上大多數用戶和供應商的認可。WirelessHART標準具有以下特點：

    (1) 自組織、自適應網狀結構。它不要求用戶具有無線技術方面的專門知識，設備在網中會自動查找最佳的通訊路徑；網絡具有連續監視通訊路徑的功能，當某個節點通訊性能下降時，它能自行修復；網絡具有自適應功能，無需人員干預就可以可靠運行，網絡的擴展和重組能力強；同時支持星形和網狀拓撲結構。

    (2) 符合工業標準，帶信道跳頻。它符合IEEE 802.15.4無線標準；采用2.4 GHz 通用頻率，可細分成16信道；信道間可以連續跳頻，避免干擾和提高可靠性；增加了擴展跳頻﹝FHSS﹞技術，具有極高的可靠性。

    (3) 具有自修復功能。如果網狀網絡出現障礙，設備將自動尋找其它最佳替換通訊路徑，創建新的通訊路徑以保證信息繼續暢通。

    (4) 與現有主機系統可以實現無縫連接。網關和主機控制系統的集成是透明和無縫的；主機控制系統無需升級和特別軟件；網關的接入采用標準的接口協議。

    表1列出WirelessHART網絡主要特點。表2列出WirelessHART主要技術指標。

                            表1   WirelessHART網絡主要特點 
                                  

可靠性

·數據可靠性>99%

·信道跳頻，避免干擾

·冗余路徑，自修復網絡

安全性

·結構堅固，多層式，始終保證安全

·設備鑒定和密碼

·工業認證的數據加密技術

易用性

·HART網絡及設備易于設置

·無縫接入現有主機系統

·自組織、自適應網絡

                           表2   WirelessHART主要技術指標

屬性	描述
無線標準	IEEE802.15.4 – 2006 @ 250 kbps
頻率	2.4 GHz
頻率管理	每1個信息包跳頻1次
電源	電池供電：1–10 年﹝取決于工作情況﹞
拓撲結構	網狀、星形、網狀和星形組合
設備數量	未規定極限。設備數量取決于應用要求和網關能力
基于工業標準	HART – IEC 61158 EDDL – IEC 61804-3 Radio & MAC – IEEE 802.15.5 (TM) 2006
發送頻率	可調速率：8 s – 1 h

    在推出HART 7﹝最新的HART協議﹞后，HART基金會將這項已經成熟的技術帶入無線通訊的嶄新世界。

    HART技術已經在全球得到廣泛的應用，全球超過2400萬臺HART設備已經安裝使用，WirelessHART可以進一步拓展其使用性能。WirelessHART是向后兼容的經濟型、通用型的無線通訊技術，它支持工業用無線通訊技術普遍要求的下列特性：實用性、可靠性和安全性。WirelessHART并不能完全取代HART 有線技術；有線HART技術在控制方面具有得天獨厚的優勢，WirelessHART帶來新的監視和控制技術，是對有線HART的補充和擴展。 

    WirelessHART標準是在 HART通訊基金會﹝HCF﹞的指導下，通過HCF成員公司、主要無線設備制造商和主要工業用戶的共同努力和合作開發而形成的。

    WirelessHART進一步簡化了現場設備的安裝和調試步驟。表３是有線和無需設備在安裝和調試方面的比較。無線設備的安裝比有線設備的安裝要容易得多，它不需要特別的工具，不需要特別的知識，只是沒有了接線的麻煩。

                      表3   無線和有線現場設備的安裝和調試步驟比較

4-20 mA	WirelessHART
↓	↓
電纜敷設和接線盒安裝前期準備	定位無線設備
↓	↓
安裝I/O模塊	安裝網關
↓	↓
敷設電纜，兩端接線	在網絡上增加設備
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調試設備	調試設備