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基于802.15.4射频装置的无线传感网络打造无线工厂

作者:Todd Hanson,霍尼韦尔传感与控制部2013.06.04阅读 3343

  如今,越来越多的人将无线技术视为一种取代电缆进行数据传输的可靠、稳健型替代方案。仓库、航运码头、机场、制造工厂、工业园区甚至货车停车场也都因为迅速发展的无线技术而发生着重大变化。
  由有线技术向无线技术的转变是基于IEEE 802.15.4这一成熟的标准化技术进行的,顺应了市场降低成本的需求,具体包括减少安装和调试时间、延长正常运行时间、节约能源以及提高工作场所的安全性等。
  无线网络逐渐流行主要是因为其投资回报率高。如果是多年以前,用户首先会问它是如何工作的,是否安全、可靠。但是现在,由于工业市场对无线网络已经非常熟悉和认同,所以用户关注的主要问题已经变为无线网络的安装成本是多少,能够节约多少成本,以及无线网络能够在多快的时间内完成调试并运行。

 
 由电池供电的无线传感器可用来指示机库小门的开闭状态。
电缆和电线会因为机库大门的运动而迅速被缠绕和损坏。

  在许多情况下,当采用电缆连接传统型开关或传感器的方案在经济或技术上不可行时,如需要安装在移动的门或设备上时,无线技术将是最佳的解决方案。电缆的持续移动和挠曲将会严重缩短这些接线的寿命,而使用无线传感器将门的开闭状态输送至监控系统就简单很多。具体实例包括机场的机库大门(见上图)或拥有许多访问面板、窗口以及通风口的设施。一个打开的通风口会分别在夏天和冬天造成冷气和暖气流失。使用无线技术来监控这些进出口的状态已经越来越普遍。每个通风口或窗户处的传感器都能够将状态数据传输至监控站或通过网络传送至用户开发的智能手机APP上。
  无线技术的另一个重要优势就是它的故障排除和安装比有线网络简单很多。在许多情况下,安装过程可简化至只有这么几个步骤:连接无线开关,安装接收器并上电,以及将其与任何适用的网络或控制器相连接。一个非技术人员都能够在数小时内完成安装并使系统运行。
  无线技术正逐渐成为网络技术在大量应用中的首选方案。当电缆走线不易实现时,无线技术通常都能够非常有效地解决问题。例如,工业设施中的储存罐通常都是使用无线限位开关来监测罐内油或其它液体的液面高度的。 


  限位开关网络的另一个应用是防止储存罐内液体溢出。当储存罐装满液体后,液面高度会改变限位开关的位置,此时无线限位开关会向泵控制器发送一个信号,使其将液体从存储罐中抽出,从而降低液面高度。当液面高度下降以后,无线限位开关会向控制器发送另一个信号来关闭泵。新型的霍尼韦尔Limitless WDRR无线接收器能够控制多达14个存储罐和14台独立的泵。


  工厂中的无线应用
  无线技术能够大大降低网络安装和维护费用。由于802.15.4无线技术能够穿透墙壁和地板而在整个工厂内传输数据,所以它没有布线成本CONTROL ENGINEERING China版权所有,也不存在布线问题,同时对设备定位和放置的限制也更小。
  安装迅速是工厂采用无线技术的另一个重要因素,尤其是对需要快速高效地重置制造线和装配线以确保最小停机时间的工厂车间来说。每小时的停机时间都会造成制造商数万美元的经济损失。
  当通过无线技术来重置或改变装配线的布局时,工厂经理只需简单地将设备和无线传感发射器移动到新的位置并开启无线网络即可,不必重新布线或安装电缆。 


  大型、繁忙的制造工厂(如汽车制造厂)经常需要重置装配线,
此时无线网络架构的灵活性以及突出的投资回报率使得无线技术非常具有吸引力。

  维护和维修成本对工厂经理来说也是一个挑战控制工程网版权所有,而通过使用无线技术代替有线技术就能够有效地减少这一成本。
  开关在工业和输送控制、位置监控以及门、臂架及阀门状态监控等方面扮演着重要角色。然而,有线开关和传感器的安装和维护却是个很大的挑战,特别是在恶劣的环境中或经常需要弯曲线缆的应用场合中。此外,传统的线缆还有导致工人跌倒的危险,并可能在设备正常使用过程中被损坏,造成昂贵的停机时间。
  无线开关能够减少维护成本,因为设备连接的复杂性降低了。通过消除传感器和开关的电缆,工厂经理能够简化故障排除过程。在一些情况下,使用电池供电的开关或传感器能够彻底去除使用电缆的必要。通过消除电缆或接线引成的连续性问题,无线网络也增加了系统的可靠性。
  此外,无线设备的重新放置或配置也非常简单,例如不需要切断和重新连接电缆,从而消除了错误连线的风险。在许多情况下,安装一个新的无线网络要比更换现有损坏的电缆成本更低,速度更快,因为更换现有损坏电缆常常要花费很多时间去排除故障和更换电缆,造成了较长的停机时间。

 
  一个有趣的工厂新应用是在紧急喷淋装置及洗眼设施上使用无线警报。通过喷淋装置上的无线按钮,
员工能够在喷淋装置启动时激活警报。无论是有意操作还是误操作www.cechina.cn
只要有员工激活了喷淋装置,工厂管理人员都会知道。

  户外应用--仓储堆场和货车停车场
  无线技术不仅适用于工厂内部,也适用于户外(如航运中心、仓库堆场、贮木场、机场、加油站等),尤其是大型开阔的场地,其地下电缆要持续经受恶劣环境引起的风险以及重型车辆的碾压。故障排除或更换车道下损坏的电缆经常要花费数周的时间。相比之下,使用无线网络代替有线网络则只需要几个小时,而且成本也低很多。无线技术能够大大降低故障排除及更换地下电缆所造成的停机时间。

 
  在大型货车停车场,无线开关可用于防止偷盗燃油。有些货车司机会强行打开油泵并解开控制来偷盗燃油。因此可以在油泵门上安装一个无线开关,它会在油泵门被打开时向办公室发出警报。

  关于工业无线网络,开发人员和终端用户需要知道哪些
  IEEE 802.15.4标准网络是一种稳健的个域网 (PAN),具有低功率、低数据传输率等特性,经常用于工业监测和控制。与Wi-Fi技术可支持100M/s的传输速度不同,802.15.4射频装置只需在给定的时间内最多传输几百字节的数据即可。因为数据传输率要求低,所以这类射频装置通常只需很小的传输功率。即使没有交流电源,一个小型电池也能够给一个802.15.4工业射频装置供电许多年而不需更换电池或充电。这种低功率特性给无线技术提供了更多的灵活性,使得无线网络在许多场合中既不需要数据线,也不需要电源线。


  基于802.15.4点对点通信方式,多达14个霍尼韦尔Limitless开关可同时与一个接收模块进行通信,
由一个面板安装或工业DIN导轨安装的接收器来接收无线信号,并将其转化为输出。
输出可以是LED灯、蜂鸣器或者传统控制器所使用的标准电信号。

  在大型室内或室外,即使装置与监控器之间有着相对开阔的空间距离,这些802.15.4射频装置也能够提供可靠连接。35-dB的链路余量能够保证小型障碍物或强降雨不会降低通信质量。在一些安装应用中,信号还能够穿透某些材料建成的墙壁。当有卡车或其它移动设备在传感器与接收器间移动时,无线技术的这种特性也能够有效防止通信暂时中断。
  IEEE 802.15.4射频装置的通信范围达1000多英尺(304米)。在强降水、雨或雪等极端环境下,信号的通信范围会减少约75英尺(23米)。

 霍尼韦尔Limitless WDRR Din导轨安装或面板安装接收器,支持多达14个电池供电的远程无线限位开关。

  无线网络中的监控器/接收器单元通常能够支持一个或多个装置。例如霍尼韦尔Limitless WDRR接收器就能够支持多达14个电池供电的远程无线装置。除连续监测传感器和开关的状态以外,控制器还能够监测网络中每个独立装置的信号强度和电池电量。当电池电量即将耗尽或开关卡死时,操作者就会立刻知道并采取正确的措施。
  如果电池电量变低或网络中出现了传输问题,系统将会向操作者发送警报,从而在问题变严重之前得到有效纠正。
  无干扰
  由于802.15.4是一种PAN标准,所以它能够独立于蓝牙、Wi-Fi及无线电话等其它常用无线局域网技术。尽管它们都在2.4GHz频段工作,但PAN网与LAN网之间并没有信息交换,也不会相互干扰,因此无需IT部门参与工作。
  网络安全
  为确保通信链路安全,802.15.4射频装置可被设置成需在网络监控器上进行注册。您只需执行一次该注册或配对过程就可以建立连接。在装置与其监控器完成配对以后,只要两个装置都还有电,那么它们就可以持续不断地交换信息。
  当配对建立以后,即使监控器断电或开关更换电池,这种配对关系也会保持下去。这就保证了网络具有自愈性,简化了系统维护。监控器能够自动地与任何掉链的已注册开关重新建立链接。但替换或重置装置则需要清除和重新配对。
  节约成本控制工程网版权所有,灵活性更强
  使用基于802.15.4的无线传感器网络而非有线系统具有很多好处。无线技术不仅消除了伴随电缆产生的高昂的维护费用、故障排除费用和维修费用,而且还提供了一种高效、易于重置的网络,不需要大量培训或非常熟练的技术人员就可实现。
  如果您选用低功率802.15.4系统,那么在许多情况下,您将既不需数据线,也不需电源线。
  当工厂经理评估有线网络和无线网络的优缺点时,他们需要考虑成本节约、维护问题、易于安装和配置的性能、正常运行时间和安全等。在许多情况下,与更换一个故障零件或现有的有线网络相比控制工程网版权所有,安装一个新的无线网络在硬件成本和安装时间方面都将花费更少。
  在过去十年里,基于802.15.4的无线网络技术已经在大量工业、仓储以及设施应用中得到验证,具有极高的可靠性、耐用性以及成本效益。
  更多信息请浏览我们的网页www.honeywell.com/limitless,或发送邮件至jackie.dong@honeywell.com

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