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无须等待5G——无线工厂网络的设计和管理

来源:控制工程网2019.07.24阅读 1603

  在10多年前,无线网络就已经成为过程工业的一部分。工厂设施采用无线网络的原因有很多,但通常可以归结为以下两类。
  第一类是被动的:主要用于已经饱和、无法继续增加线缆的有线基础设施,或电缆难以到达的区域。
  第二类是主动的:无线网络是快速扩展仪表和通信功能区域的关键手段,无需较高的成本、较长的安装时间,也并不需要有线仪器所需的停机时间。
  无论是出于哪种原因,最终目标都是提高设施的生产率和员工效率。传统制造企业面临着具有丰富经验的技术人员减少且工人总数减少的趋势,急需提高效率以确保其在行业内的竞争力和持续的盈利能力。
  当今的无线网络协议,已经可以满足制造业对工业通讯提出的苛刻要求:
  ●可靠的通讯;
  ●安全的数据传输;
  ●确定性通讯;
  ●受控的功耗。
  Wi-Fi和其它现场网络
  大多数人在谈到无线网络时,他们首先想到的是将计算机、电话、平板电脑和其它设备连接到办公室、家庭甚至工业网络的无线以太网络(Wi-Fi)。虽然Wi-Fi应用非常广泛,并且适用于各种各样的应用,但其高功率要求和高耗电特性,对于电池需要使用数年的测量设备来说是不切实际的。尽管如此,无处不在的Wi-Fi设备及其提供的高带宽,使其适用于其它用途的无线工厂网络(WPN)(图1)。

图1:无线工厂网络通常包括由无线以太网支持和协调的多种类型的网络。本文图片来源:艾默生自动化解决方案

  Wi-Fi最常见的用途包括移动工作者应用程序,用于安全和安保的远程视频监控系统以及类似的应用程序。在考虑无线工厂网络时,有一点需要注意:典型的过程工厂环境,不如家庭或办公室那样有利于通讯。较高的金属密度、多种电磁噪声源以及工业环境中各种恶劣的条件控制工程网版权所有,通常要求设施或工厂中的接入点密度更高,特别是在噪声源的周围。
  大多数情况下,部署无线工厂网络,不仅仅是信息技术(IT)团队的责任。习惯于在办公室环境中工作的安装人员www.cechina.cn,对过程工厂中可能出现的问题并不是十分的了解。网络运行可能不一致,导致用户丧失对无线工厂网络的信任。在设计无线工厂网络时,最好聘请具有工业自动化经验,并对在工厂设施中安装Wi-Fi的设计要求有透彻了解的供应商。 
  用于无线工厂网络或在地理上分布更广泛的网络(例如市政水或电力系统)的Wi-Fi替代方案,包括长期演进(LTE)和无线互操作微波接入(WiMax)。这些网络标准可提供应对覆盖距离、带宽、移动性和网络支持的不同方法。在某些情况下,部署可能需要商业网络提供商的参与,也可以能自行安装和维护。不过需要注意的是,虽然LTE和WiMax适用于很多应用场景,但并不适用于过程仪表网络。
  可以在工业环境中应用的另一种商业协议是蓝牙(Bluetooth),以及后来的低功耗蓝牙(BLE)。蓝牙的最初设计,旨在替代短距离、点对点电缆连接。在工业中的应用,包括将笔记本电脑连接到可编程逻辑控制器,以便在没有物理电缆的情况下进行配置和维护,以及其它类似的短距离应用。
  主要的无线网络标准
  支持用户接受无线的一个积极因素CONTROL ENGINEERING China版权所有,是无线现场仪表网络标准协议的制定。与无线过程仪表相关的两个主要标准是: ISA 100.11a-用于工业自动化的无线系统:过程控制和相关应用,以及WirelessHART。虽然这些标准的内容大部分相同,但它们的方法存在明显的差异。两者都在供应商和用户中建立了良好的声誉。
  首先进入市场的是WirelessHART,作为一个开放式的可互操作无线通信标准,用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。第一批WirelessHART现场设备于2007年发布。为了克服工业应用中固有的干扰问题,WirelessHART使用网状网络(图2),其中每个设备充当网络的中继器,为信号提供多条路径来接入网络或网关。

图2:使用WirelessHART,网络上的每个设备都可以用作仪表和转发器。

  由于它是由FieldComm 集团专门为工业应用而设计的CONTROL ENGINEERING China版权所有,因此任何制造商生产的经认证的设备都可以相互交互。此外,针对测量和控制应用,对带宽利用和安全因素也进行了优化。由于无线仪器通常由电池供电www.cechina.cn,因此该协议旨在最大限度地降低功耗。根据给定设备向主机提供测量更新频率的不同,电池的使用寿命可长达10年。
  ISA100.11a标准的制定是一个长期项目,直到2009年才完成。其由国际自动化学会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定,于2014年09月获得了国际电工委员会(IEC)的批准,成为正式国际标准IEC 62734。ISA100系列标准涵盖了更广泛的无线应用,ISA100.11a标准是其中的一部分。ISA100.11a专门用于无线仪表。设备采用不同的方法来实现网格化,用户需要确定它们之间的交互方式。这需要比WirelessHART所需的自组织型网络更多的网络管理。
  ISA100.11a设备广泛安装,以便现场设备直接与一个或多个接入点通信,然后接入点与无线网关设备通信,该无线网关设备调度通信并将数据转发到主机系统。当需要提高信号可靠性时,ISA100.11a设备也可以按照在网状网络中运行进行配置,但这会缩短电池寿命。
  在某些应用中,一些低功率广域网已经获得应用,并获得不同程度的成功。 这些协议最初应用于超大区域内超低带宽的通信,例如用于供电和供气公司的智能功率表,这些仪表通常每天只需要发送一次更新数据。尽管它们传输范围极广,但由于只需要这些协议具有极低的带宽和以及较慢的更新时间,因此它们并不适合大多数工业监控应用。
  无线工厂网络
  在无线工厂网络与无线仪表网络协同运行的情况下,工厂人员很快就意识到它们的诸多优势(图3)。例如,利用现场移动工作人员的应用程序,工厂人员可以访问控制系统数据,通过提高运行人员和工程工作流程的效率,回路调试时间最多可以缩短50%。诸如位置监控之类的其它应用,可以显著改善事故期间的整合,而且无线摄像机可以提供显著的安全性和运行收益。

图3:从工厂的任何地方访问无线网络的能力提供了无数的优势。

  从无线仪表市场的现状来看,WirelessHART正逐步进入主导阶段。石油和天然气、石化、电力和其它过程工业市场中的大多数大型工业用户,已经安装了WirelessHART网络。
  扩展无线仪表的应用
  第一代无线仪表全部都与过程变量有关,但用户很快意识到所提供的附加数据可以实现资产状态监测和其它应用。虽然节省布线成本仍然是一个主要优势,但无线仪表和网络的最大价值在于能够促进普及传感系统。
  随着终端设备和网络成本的下降,在很多应用中,工厂运营商收集数据和支持决策的能力将逐步增强。(作者:Shane Hale)

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