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无线应用:更低成本、更高产出及合规性

作者:Mark T. Hoske2011.12.18阅读 3127

        工业无线网络在Western Refining公司和Toyota Motor Manufacturing 肯塔基公司的近期应用显示其能带来高达90%的成本节省,同时在产出、安全、安保和对法规合规性等方面的优势能够带来更快的投资回报(ROI)。
        • 具有无线功能的工业产品的全球销售量,据估计将会由2009年的120万台增加到2015年的超过300万台,年均复合增长率(CAGR)达到18%。来自IMS Research的一份报告显示:很多用户认为安装无线网络很有价值;
        • 很多在一年内看到了投资回报;
        • 无线技术的新应用将会推动未来增长;
        • 在最终用户投资搭建起无线体系架构之后,向更多应用领域的扩展就变得十分有吸引力;
        • 对于具有长期回报的的未来应用项目,缺少标准的问题将会愈加凸显;
        • 最终用户必须能够确定在很长时间内都可以找到备件,否则对这些项目的投资就毫无吸引力。
        基于以上原因,安装工业无线网络不仅仅是能够带来投资回报,它更解释了你为什么现在还没有获得这些好处。

通过无线现场勘测确定了盖洛普精炼厂的网络覆盖区域、无线主干网络架构,
以及无线电环境状况。资料来源:Honeywell Process Solutions

        更少的布线成本,更优的性能
        位于美国新墨西哥州盖洛普的Western Refining精炼厂的过程装置和储罐区在升级改造时,使用了先进的无线网状网络(wireless mesh network)。根据Western Refining公司的经验,在采用传统有线方式(铜线)时,如果导致安装成本过高、维护费用增加明显,以及不能确保稳定性的应用场合,无线技术总是最好的选择。采用无线技术之后,项目基础设施投资得到了降低,投资回报率(ROI)相当可观。曾经如同鸡肋的项目现在变得颇有价值。

          通过无线现场勘测确定了盖洛普精炼厂的网络覆盖区域、无线主干网络架构,
以及无线电环境状况。资料来源:Honeywell Process Solutions

        艰巨的工程
        该项目位于海拔7000英尺的丘陵地带,生产设备和存储罐区分部区域很大,所以花费在精炼厂远程单元监控设备上的投资极为昂贵。
        通过现场勘测,确定了项目的范围和挑战,并考虑了工厂预期覆盖区域、现场供电分布情况和网络基础设备,以及执行目标(近期和长期)。它还考虑了目前在用和周围环境中的数据集成接口和无线设备使用频率,明确了潜在安全问题。盖洛普精炼厂使用Honeywell TDC 3000 DCS系统。管理层期望扩展对远程罐区的数据采集和监视能力。如果还是采用传统的有线方式,那么每个储罐的布线和桥架成本估计在1.5万到2.2万美元。
        高达90%的安装成本都来自于传统测量技术的电缆桥架和相关的安装费用。使用无线现场设备,有线的基础设施就不需要了。使用工业无线解决方案减少了过程监控成本,即使在物理上或者出于经济方面很难实现的测点也可以通过无线方式轻松连接,仅仅花费一台无线变送器的成本就可以轻松扩展无线网络,以覆盖更多额外的测点。无线架构具有工业等级的安全措施,可以有效管理设备的电源管理控制工程网版权所有,支持多种速度的数据采集,支持在不增加额外成本的情况下提供Wi-Fi覆盖,以支持WiFi设备的无线通讯。
        无线的好处
        工业无线技术:
        • 使过程测量技术发生了变革;
        • 更好的优化工厂性能、可靠性和安全水平,同时还降低了安装成本;
        • 通过增加无线变送器,可以为控制、监视和报警等应用提供经济和准确的替代方案;
        • 适合工业环境的应用,同时带来无线电技术和通讯协议最新的成果;
        • 在工业环境中实现自自组织无线网状网络,而不仅仅是传统过程自动化现场设备的简单无线版本。
        2008年,盖洛普精炼厂开始安装无线解决方案,采用无线主干网络,同时支持多种通讯协议,支持多种无线应用,如Wi-Fi设备以及工业无线变送器设备。他们还使用了冗余网关,将无线网络接入DCS控制系统的过程控制网络(PCN)中。
        无线“主干网络”体系架构将现场和工厂级应用合二为一,形成统一的架构。此网络由分布于整个网络覆盖区域的、外部供电的多功能节点相互无线通讯来构建的。这些设备支持工业无线标准,可用于过程控制,并在所有层级提供无线变送器冗余的通讯路径。
        多功能节点之间互相通讯,为现场数据无线传输到网关提供了主干、冗余路径,通过网关,无线仪表的数据就可以集成到上位控制系统的控制网络PCN中。无线主干网络搭建于多功能节点之间,而不是仪表之间。为了安全起见,每一台无线仪表都可以同至少两个多功能节点无线通讯,以便确保冗余的通讯路径。
        网关,38台设备
        安装于盖洛普精炼厂的多功能无线主干网络,支持在一个网络中支持多种无线应用。无线技术最初被用于储罐测量,现在被用于过程装置的数据采集上。无线网络所采集的数据集成到精炼厂现有的DCS和先进应用平台中。
        用于阀位调整和过程变量显示的户外气动设备被无线变送器所取代。具有DSSS无线电跳频的优化无线主干架构能够确保无线数据采集的最优性能。无线仪表将测量数据发送至与工厂控制系统相连的多功能节点上。
        Western Refining公司目前的设备包括1台无线系统网关和4台支持38台无线仪表的冗余多功能节点。无线现场设备将数据发送至一系列多功能节点,形成网状结构,优化数据传输,确保数据安全。


具有DSSS跳频和多路径优化的无线基础架构能够确保性能最大化。
资料来源:Honeywell

        在盖洛普精炼厂www.cechina.cn,有些区域内传统有线变送器成本过于昂贵、实施困难或者安装过于耗时www.cechina.cn,而无线变送器打破了在这些区域进行数据采集的障碍。针对那些不具备电源,或者与电源距离过远难以相连,以及要求仪表布局频繁更改及通常采用手动抄表的应用,新型的解决方案出现了。
        有了无线变送器,精炼厂的工程师可以轻松增加测量的次数、频率和种类。而且,他们能够通过采用自动在线数据采集代替手动抄表来提升测量的精确度和稳定度。与控制系统的在线通讯也可以在过程问题排查时确保对信息的精确时间跟踪。
        工程结果
        对于Western Refining公司,无线技术已经证明了它可以理想替换高成本、多维护、低稳定性的传统有线方案。ISA100 DSSS无线变送器能够用于危险区域和远程位置,对过程和设备进行监控,其数据可以被各种系统使用。
        无线跳频扩频技术还增加了安全性,并确保在任何一个频率的噪声干扰不会阻止通信或导致安全问题。一个可扩展的无线网络,可以帮助用户节省大量的成本和费用。
        无线技术的安装快速、经济、方便,那些曾经使用过无线仪表的人是这样描述的。操作人员、工程师和技术员只需学习、操作和维护一个系统。无线技术使工厂人员能够对状态变化做出快速响应,获取优化过程的必备信息。工程的基础设施投资得到了降低,投资回报率相当可观。曾经如同鸡肋的项目现在变得颇有价值。
        到2011年,Western Refining公司计划在盖洛普精炼厂安装超过100台无线变送器,用于各种储罐过程监视和非关键的控制应用。至少还有六个过程装置将要安装无线仪表。第一个控制相关的无线应用将会在厂内实施。无线应用帮助Western Refining公司提高工厂产量和可靠性,提升了安全性和安保,确保了对相关法规的遵从。无线技术的作用不仅仅是免除了布线成本,它的关键价值在于能够将有价值的数据整合到现有控制系统和先进应用中去,同时还能与其他联网的应用共享数据。
        无线监视,确保符合法规
        Banner Engineering公司无线产品分布的技术内容设计师Susan Schnelbach解释了滞留池液位的无线监视是如何帮助Toyota Motor Manufacturing肯塔基公司符合美国联邦法律和相关规章要求的。


Banner公司的 SureCross无线自动解决方案提供了精确的池塘水位监控,
并能够防止未经检测的水的意外释放。资料来源:Banner Engineering

        滞留池通常用于控制雨水的排放,特别是当雨水中含有来自于停车位或者是屋顶的污物的时候。使用无线监视系统之后,就无需人工到每一个滞留池监视水位了。
        1972洁净水法案中规定,环境保护机构对于雨水释放负有责任。此法案的目的是将美国的水质恢复至“能够供鱼类、贝类和野生动物繁殖,并能用于水上和水下娱乐的水平。”
        1987水质法案扩展了水质规章,将工业雨水排放包含在内www.cechina.cn,并要求联邦针对大型制造工厂发布国家污染物排放标准要求。这些工厂对所有直接进入任何美国水系或者市政雨水排污系统的水进行管理。
        Toyota Motor Manufacturing肯塔基公司是一家位于乔治城的大型汽车制造商,拥有4座此类滞留池,每个相距1英里,这些滞留池之间还有几座大型建筑。
        在当月第一场雨之后,必须对滞留池中的池水进行检测,然后滞留池的排水阀门打开,允许将滞留池内的水排入当地河流或者小溪。在月末的时候,滞留池排水阀门关闭,直到下一次降水发生时,然后在排放之前再次对池水进行测试。一旦在池水本月测试之前有降水,Toyota公司的员工必须严密监视滞留池的水位,直到池水通过检测被排放。
        无需视距传输
        由于滞留池之间的距离较远,并且之间存在多座建筑,Toyota公司与一家供应商紧密合作,决定使用无线电通过多跳传输将数据回传至位于几个滞留池中间的基于PC的控制器。无线电的使用免除了对滞留池和控制地之间视距传输的要求。

MultiHop 工业无线电产品可将数据回传至位于几个滞留池中间的基于PC的控制器,
无须要求滞留池和控制地的视距传输。资料来源:Banner Engineering

        此无线网络由一个主控无线电设备和很多中继器或者从属无线电设备站组成。依据多层级通讯体系结构构成自组和自恢复网络。
        无线网络在第一次形成的时候,主控无线电设备在周边区域内“寻找”中继器或者从属无线电设备。位于主控无线电区域之外的中继器和从无线电会搜索“连接”其他中继器,自动组成最有效率的无线网络,并确保有足够强的无线电信号用于数据传输。
        除了自动形成复杂无线电网络,网络还能够自恢复。一旦无线电于无线网络不再同步,它就会使用不同的重发器无线电于网络重新连接。
        对于此滞留池监视应用,水下压力传感器和具有模拟输入的无线电安装于每一个滞留池上。这两种设备都通过太阳能和备用电池供电。压力传感器设置为每5分钟采样一次。
        滞留池水位数据回传至安装于建筑物屋顶使用10 V到30 V直流电源的主控无线电设备,所有的无线电都使用高增益的全方位天线,确保在所有方向都能形成可靠的远距离通讯网络。
        主控无线电设备与主系统连接,滞留池水位数据被记录在案,并在水位上升时提醒Toyota公司的员工。
        自形成、自愈无线网络
        Toyota公司使用无线网络对4个滞留池成功实现了监视。
        Toyota公司和负责搜集滞留池水位信息的员工不再使用手动作业过程,确保复合环境法规。由于无线网络支持远距离通讯,自组织和自愈合,所以他们很容易安装和维护。在安装无线解决方案之前,对滞留池水位的监视要求派遣员工每天冒雨到现场多次进行作业。使用传感器和无线解决方案之后,无需使用手工作业搜集滞留池水位数据。
        装置能够从每一个滞留池获得更多信息,允许员工更精确的跟踪滞留池水位变化控制工程网版权所有,防止未通过测试的池水的无意排放。

        国内知名的学术专家和企业代表就上述内容结合中国实际发表了各自的观点:
        微观点
  彭瑜  上海工业自动化仪表研究院
   教授级高工
        无线传感器网络的工业应用最近这两年在国内外都获得了较为广泛的认同,尤其是今年。显然,用户已经清晰地了解在一定条件下采用这种方案成本要低于有线的方案,而且使用更灵活。目前的应用基本上都是解决监控的需要,而且采样时间不宜太快,网络规模适当,终端节点不宜超过50至100个。这些就是无线传感器网络最合适的应用场合。今后随着技术的发展或许会有突破。
    袁睿翕  清华大学自动化系
    教授
        无线网络在工业现场的应用有安装简单、易重新配置的优点,值得推广。根据无线通讯的特点,在网络设计及安装的过程中应该特别注意如下三点:1. 无线载波信道可靠性随环境变化大,要事先调节。2. 无线路由的设计要考虑其多跳的覆盖性。 3. 优化节点的无线通讯功率,既节省能量,又减少干扰。   

关新平  
上海交通大学教授
         
 国家杰出青年基金获得者  长江学者特聘教授
        工业无线网络兼具高灵活、易集成和低成本等特性,成为推动工业监控行业的变革。工业无线取代远程监测应用中的电缆带来众多优势,但也必须面对诸如安全性、可靠性等挑战,随着新科技成果的融入和无线技术标准的规范,这些挑战性问题正逐步得到解决,无线监控将进一步展现其广阔的应用前景。
  江天生    霍尼韦尔过程控制部
  无线产品经理
        工业无线仪表系统给过程控制领域和自动化仪表行业带来了革新性的选择,从4-20mA模拟信号传输,到HART,Profibus和FF现场总线,再到现在的工业无线仪表,都体现了技术的飞跃。在国内的工业无线应用已开始尝试大规模的应用,如某乙烯罐区计划采用300台无线变送器和38个无线节点采集储罐压力温度的监测数据,某电厂采用100台无线变送器和4台节点采集4台燃机的过程数据等。
  黄胡清    BANNER无线网络产品
  高级专员
        与有线相比,无线的优势是不言自明。无线方式将更为自由、方便。随着客户应用理念的提升,更具性价比和实用性的无线传感器网络产品将会被越来越多的国内企业所接受。在一个项目或一次应用中,成本总是用户考虑的一个关键因素。无线产品从研发之初就要考虑如何实现降低运行成本。

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