過去由于物理上和經濟上的障礙，使得很多化工廠的信息很難或根本不可能獲取，如今，可靠的無線通訊系統將這些障礙一掃而光。事實上，無線自動化技術致力于眾多管理層所關注的問題，如連續過程改進、安全和環保等，無線技術使用方便、收益顯著，它正在改變著整個工業的工作慣例。前所未有的過程和設備信息傳輸技術現在已經能夠投入使用，無論工廠的控制系統有多老，都不成問題。

　　無線網絡

　　無線技術將現場網絡和工廠網絡整合到一個完整的無線工廠結構中。（圖1）

    無線現場網絡是一組能夠測量一個或多個過程參數并將這些信息通過無線方式傳遞到網關或接收器的設備。各種無線現場儀表可用于溫度、壓力、流量、液位、pH值、振動、離散開關量、閥門位置的測量。

    一般情況下，網關把來自于現場無線儀表的數據通過本地接口、Modbus、或類似的連接方式傳遞到控制系統，在這里無線、有線模擬量、基金會現場總線數據全部整合在一起。無線現場網絡的2個重要特征是低功率無線電傳輸以及符合過程工業對時間性、可靠性、安全性和準確性的要求。低功率的特點適用于非充電電池運行的設備。

　　無線工廠網絡采用符合IEEE802.11標準的Wi-Fi或更高帶寬的網絡技術與移動工作人員通訊，進行人員或移動設備的跟蹤，以及完成移動視頻。這些應用的實現皆歸功于高帶寬、無線設備的可充電功能以及數據傳輸的清晰度和安全性。

    通常工廠網絡采用工業級mesh IEEE802.11接入點，一種集中型網絡和安全管理，包括對一系列無線局域網（WLAN）控制器的監督，這保證了無線功能的實現。這種共享網絡提供了一個工廠內跨地域和功能分區的無線通信平臺，能支持多種應用程序。

    化工企業利用無線技術可從工廠級開始向下到現場級，也可以從現場級向上到工廠級。我們發現從現場級開始使用無線技術將獲得更快的回報。本文著重講述的就是現場級的應用。

    無線現場網絡的標準

    信息技術委員會已對現行工廠網絡標準和慣例進行了完善，但是范圍更為廣泛的無線委員會還不能提供一個嚴格的、經過測試的工業標準來應用于無線現場傳感器網絡。這一標準必須具有堅固的工業可靠性，而且現場設備和控制應用程序耗電要低，其通訊可靠性與有線方案相當。

    WirelessHART就為用戶提供了這種可信賴的無線現場網絡儀表。這些儀表來自涉及廣泛工業領域的HART通訊基金會成員公司，HART基金會于2007年9月通過了WirelessHART標準，而WirelessHART產品也已于2008下半年開始發貨并在各化工廠安裝使用。

　　無線現場網絡嶄露頭角

    由于無線儀表采用射頻天線，無需接線，因此它具有低功率、可自帶無線電收發器等特點，而且網絡通訊能力安全可靠，電池使用壽命長。（圖2）

    無線設備與有線設備在工藝流程圖（P&IDs）上的表示是一樣的，對于操作人員來說數據的顯示也是一樣的，而無線系統的工程安裝和調試則更簡單。而且，接線圖、線槽、接線柜、鎧裝電纜、橋架等全部都可以省掉，同時安裝工作也可以降到最低。

    建立無線網絡所需規劃工作更少，而且安裝和啟動更快。經濟上的優勢和簡單的操作，是無線技術區別于傳統自動化方案的獨到之處，它讓工程師擁有更為廣闊的想像空間去完成過去無法完成的任務。　  

  圖1、無線工廠結構集成了現場和工廠的應用網絡。過程和設備通過現場網絡中的WirelessHART設備進行監測；移動操作、人員和設備跟蹤、實時影像則通過Wi-Fi由工廠級網絡行使。

圖2、無線變送器通過射頻天線傳遞信號，而電源線則被具有超長使用壽命的內置電池所代替。

    傳統有線方案的安裝成本一般為每英尺50到100美元，視工程量而定。無線設備可節省至少90%以上的安裝成本，因此以前需要花費昂貴代價才能進行監測的工廠設備，如遠程儲罐、泵、手動閥、安全噴淋裝置等，現在可以通過無線變送器將測量數據傳遞回控制室，以提高過程可靠性和安全性，同時提高資產的管理。

    無線技術方便易用，只需極少的工程量，運行效率卻顯著提高了。那些需要操作人員和維護人員到現場收集數據和進行操作的工作和時間通過無線儀表自動數據采集可以大大減少。

    無線技術的商業優勢將推動其進一步發展。去年位于波士頓的著名調研咨詢機構ARC公司發布了一份名為“用于過程制造業的無線技術”的5年分析預測報告，報告指出用于過程制造業的無線設備市場將以每年32%的速度增長，并于2012年達到11億美元。

　　是否采用無線技術？

    目前無線技術基本應用于以下2種情況，而第3個應用領域還剛剛起步。

    必須在現有工廠內增加新的測量點。為了滿足新發布的環境或安全法規，許多企業認為無線技術是最好最經濟的解決方案。這些必須增加的新測點一般是儲罐、泄壓閥或安全噴淋裝置，在這些地方安裝無線儀表非常方便，而且安裝完畢可以立即投入使用。

    希望在現有工廠內增加測量點。這是適用無線技術的第2種情況：雖然希望獲得數據但采用有線技術成本又太高。這也是目前無線技術應用最多的情況。工廠建成以后，一般不會再額外布線，在之后的工作當中，運行和過程管理人員可能會發現新的測量要求，以提高工廠的性能，但是安裝新的有線測量點往往成本高昂，從經濟角度來說，無線方案是最合適的。

    “我們很希望能夠監測這些設備，但是涉及的費用太高”大多數手動閥（也包括自動閥）目前都無法反饋它們的實際位置，不正確的閥門定位會引起嚴重的安全事故。

    不常用的閥門由于接線成本高昂，一般并不對其進行常規監測，但是無線監測具有很大的吸引力，它的成本只占到有線方案的10%-20%。在化工廠中對閥門進行監測將很有可能成為最大的無線應用領域。

    在新建廠中采用無線方案替代原來的有線方案。無線技術除了可用于監測之外，還可用于閉環回路控制，目前已在蒸汽匯集器和遠程儲罐上有所應用。只要是對數據刷新頻率要求不是太高的情況都適合采用無線儀表。

    無線儀表也能做到高頻率數據刷新，但這樣會很耗電。今后隨著電池性能的不斷提高，以及人們對于無線技術可靠度的信心不斷增長，無線技術應用于控制領域也將逐漸得以普及。

    當不可充電電池的性能提高了，人們在工廠中使用無線技術替代原來的有線設備進行關鍵點的監測就將成為可能。理想的狀態是這樣的：工廠只有少數幾臺與安全有關的儀表是通過有線方式連接的，其它的儀表全部采用無線方式。因此今后無線控制系統最有可能在改造和新建工廠中誕生。

    無線技術的推廣速度很大一部分取決于用戶對無線技術可靠性的信任程度。有些人認為無線技術理所當然沒有有線技術來得可靠，這并不正確。有線技術也有可能是不可靠的，尤其是在接地困難的情況下，這時無線則更為可靠。Canyons鋼廠就是這樣一個典型的例子，最初人們認為，移動物體如卡車或設備都會使無線系統產生問題，但是通過先進的自組織無線電頻率網絡的時間同步技術等，這些障礙都能得以克服。在全球大量的應用中，無線網絡的可靠性達到了99%以上。

　　WirelessHART標準

　　WirelessHART作為應用于過程現場傳感器網絡的無線技術的唯一標準，是具有充分理由的。WirelessHART采用信道跳頻和點到點加密的自組織網狀網絡技術，可實現安全可靠的通訊，適用于低功率的過程應用及控制。

　　采用WirelessHART對于最終用戶來說沒有什么障礙，因為它可以向后與2600萬臺已安裝使用的HART儀表兼容，同時它又可與現有的工程、資產管理和主機系統（DCC、PLC等）集成。這樣，用戶在組態和操作WirelessHART設備時，所看到的界面與有線儀表就沒有什么差別了，而且由于無線設備能夠傳遞額外的信息，是對有線設備的有效補充和擴展，這點對于人們更快更方便地采訥無線技術來說是非常重要的。

　　WirelessHART是目前唯一獲得正規標準委員會認可的現場網絡技術，它基于全球通用的標準IEEE802.15.4，并且獲得了210家HART通訊基金會成員公司的認可，最近國際電工委員會還批準WirelessHART為公共可用規范（PAS）。美國自動化協會（ISA）也成立了委員會專門研究用于過程工業的無線標準，包括無線規范ISA100.11a和更新的針對過程工業的WirelessHART 規范ISA100.12。

    無線現場網絡應用

    化工行業對于無線儀表的興趣體現在有越來越多的人索取相關的技術資料，而90%的需求都是針對現場網絡的。除了之前提到過的手動閥位置監測應用以外，還有以下成功案例可供參考。

    熱交換器一般都是任其運行，直到結圬停運，當然這就會影響運行效果，而即使是在比較新的工廠里也很少會安裝儀表對其進行監測。無線監測設備能夠提前通知工廠人員熱交換器需要在下次計劃停車時進行清洗。

    歐洲一家知名過程企業制定了一套設備健康狀態系統來改進熱交換器的維護工作。該公司一位工程師指出：“對熱交換器的無線監測使我們能夠確定哪臺設備結圬最嚴重需要清洗，這要比進行常規的計劃清洗更節省成本，從而使維護工作的投入產出率更高。”

     過濾器也一樣時常被使用到結圬為止，事實上，通過對重要的過濾系統進行無線監測，可以大大改進過濾器的性能，同時降低能耗。

    歐洲一家聚乙烯制造商在其位于科隆的工廠中采用無線設備監測過濾器的堵塞，以防止生產中斷（圖3）。生產出來的聚乙烯顆粒通過氣動傳輸系統被送到存儲筒內，進入的空氣需要經過過濾防止產品受到污染。一旦過濾器堵塞，就將完全失去過濾效力，而最終產品的質量也會因此下降。過濾器安裝的位置一般都很難到達，采用無線差壓變送器可以幫助維護人員方便地確定需要清洗或更換的過濾器，從而減少生產的中斷。

    儲罐會面臨較為特殊的測量問題，尤其是一個遠程罐區內有幾十個儲罐需要測量液位、溫度和壓力的情況，由于遠距離敷設地下電纜成本過高，所以很少在罐區內安裝儀表。無線網絡顯然是一個理想的方案。

    在一家磷肥廠中，自組織網狀網絡精確地將來自于250英尺外反應罐上的16臺壓力及溫度測量點的讀數以每分鐘一次的更新頻率傳遞到中控室（圖4）。遠程儲罐高40英尺，內部有4層不同的反應床與不同的過程化學物質進行反應。僅管這并不屬于危險區域，但是儲罐的分布和距離會使布線非常困難而且成本很高。工廠的DCS專家說：“自組織網絡結構在這項應用中起到了決定性的作用， 我們已經計劃增加更多的設備來搭建無線網絡。”

    泵和電機的健康狀況需要經常進行檢測，以免軸承故障導致重要的泵或電機停機，最糟糕的是還可能引起過程停運，這時損失可就大了。無線振動監測變送器可對機械設備進行監測，并將測量數據傳送到分析軟件，預先發現和確定問題所在，以在適當的時候安排維護工作。

    有些場所并不適合工作人員拿著手持儀表采集設備振動數據，于是人們想到了自動數據采集系統。解決方案就是無線振動變送器加一臺智能網關——工程只需幾天，而且可以連續提供精確的振動數據，工作人員現在不必再去危險場所采集數據了。

    監測諸如撬座、泵、壓縮機、手提式試驗或測試設備等移動設備時，是不可能用傳統的有線方案來完成的。無線設備可用于監測各種移動變量，甚至是從一個地方移動到另一個地方。

    一家全球專業的化學品制造公司需要測量鐵路槽車的溫度，這個問題通過無線方案輕易地得以解決，他們在每一節鐵路槽車上安裝一臺無線溫度變送器，無論鐵路槽車開往工廠任何地方，溫度數據都能源源不斷地向中控系統發送，操作人員可以據此查覺任何不正常的升溫。由于操作人員不必再定期爬到槽車頂部測量和記錄內部溫度，該公司因此每年可以節省15000美元。

    根據環境標準要求，從江河里抽上來的水重新排放回去時溫度應不高于原水溫2度，而且法規還經常規定要連續記錄進水口和出水口的溫度。

    歐洲一家醋酸廠采用無線溫度變送器遠程監測水溫（圖5），以節省地下敷設電纜的安裝費用。公司一名發言人說道：“無線技術的安裝和集成都很方便，而且網絡可靠性達到100%”

    旋轉設備和渦輪機的監測通常是由操作人員定期拿著手提式振動數據采集器完成的。無線分析變送器可連續監測渦輪、發電裝置、往復式發動機、壓縮機以及其它電機驅動設備，如發現可疑問題，技術人員就可以在故障發生前解決問題。

    一家特種化學品廠安裝了大量無線壓力、溫度和振動儀表用于監測，以節省成本。該無線網絡包括幾臺用來監測鹽水離心機的無線振動變送器，這是以前所無法實現的。例如，潤滑油不足會引起軸承的嚴重磨損，現在根據振動數據分析，可以發現潤滑油的不足，完全做到防患于未然。

圖5. 醋酸廠通過無線變送器監測排水溫度，以滿足環境法規

    通過有線設備測量旋轉過程設備內部尤其困難。在澳大利亞的一家化工公司中，安裝在旋轉反應器上的有線儀表環滑式密封圈泄漏，使濕氣進入儀表，造成儀表讀數不精確。

    在移動設備上安裝無線壓力和溫度變送器后，測量數據的可靠性提高了，曾經頻繁出現的返應器停車以及因此而引起的停工損失一去不復返了。

    電伴熱用來調整管道和過程容器的內部溫度，但是在長距離的管道上安裝有線監測設備費用相當昂貴。澳大利亞的一家工廠把瀝青從船上通過一根管道卸載下來，為了保證管道內的瀝青能夠通暢地流動，必須使管道的溫度保持在160度。如果有任何一段伴熱器出現故障，管道內就會產生冷點，使瀝青凝固最后堵塞管道，更糟糕的是如果因此而延誤卸貨，使船停靠碼頭超過預期時間，那么每天所需支付的逾期費用將高達3萬美元。為此用戶在3000英尺（900米）長，直徑8英寸（20厘米）的管道上安裝了8臺無線溫度變送器，以每分鐘一次的頻率將測量信息傳送至陸上網關，再由網關將數據傳遞到資產管理軟件，進行儀表組態和性能監測。所收集到的數據同時還通過光纖傳輸到終端控制中心的SCADA系統中，以使操作人員可以隨時了解伴熱管線的狀態。

    無線方案可方便地用于一些臨時測點，這樣在系統開車或檢修時，系統集成商以及最終用戶就可以在過程中任何地點臨時安裝變送器進行一些特定的檢查。

    新加坡的一名焚化經理表示在檢測故障的時候，將無線壓力變送器從一個地方挪到另一個地方，操作相當簡便。“只需5分鐘，我就能查出故障并很快把無線變送器放回原處。無線技術的自組織網絡結構具有很大的靈活性，為檢測和排除故障以及開發新的無線應用領域提供了便利。”

    無線現場網絡的實施

    全數字化的WirelessHART通訊協議可支持任何工業儀表的應用，無論是控制還是監測功能，就和現在的HART產品是完全一樣的。

    網狀網絡結構為信息提供了多種選擇路徑通向網關，自組織網絡則可以根據影響無線電信號傳播的各種外界干擾進行自我調整，比如設備啟動或停止；卡車經過；或其它的無線電干擾以及雷電情況。

    信號可選擇任何一條路徑到達網關，而并不局限于目視距離路徑。因此無需事先對現場進行無線電頻率的調研。

    WirelessHART標準的制定已經考慮到了頻繁的外界變化。因為環境的變化是動態的，技術人員不可能也沒時間和能力對動態的變化一一響應，所以無線網絡必須能夠自動的影響和組織。這與目前通用的HART協議采集和利用信息的方式是相一致的。對于現有的可支持HART設備的控制系統，同樣也可以方便地兼容WirelessHART.

　　網絡設計規范

　　雖然自組織網狀網絡并不要求現場調研，但是必要的規劃可以使網絡運行更有效，更可靠。

　　WirelessHART網絡的設計要領如下：

    首先計劃在一個過程單元或區域采用無線現場網絡，并獲得該地區的比例圖。讓我們先從設備圖開始，根據下例條件在比例圖上標出所需安裝的無線儀表。

    在沒有障礙的情況下，無線設備的最大有效信號傳遞距離是750英尺（230米）。

    在一般建筑物內，無線設備的最大有效信號傳遞距離是250英尺（75米）。

    在厚實的建筑物內，無線設備的最大有效信號傳遞距離是100英尺（30米）。

    當網狀網絡中的無線設備能夠和其它相鄰的3臺設備進行通訊時，網絡的性能是最好的。無線設備之間的距離取決于周圍的環境，但基本都在上述所列范圍內，這樣可以確保在網絡搭建好后至少有2條通訊路徑。如果在設計過程中沒有做到讓1臺無線設備與其它3臺無線儀表通訊，那么就需要增加無線儀表或轉發器來加強通訊。

    在多數情況下對于通訊路徑并不要求有目視距離，但是如果有高大的建筑物擋住了無線儀表的通訊路徑或阻隔了一群無線儀表，那么最好再額外增加一個網關，以連接建筑物兩面的通訊。

    如果無線設備安裝在封閉區域，例如設備室內，就需要在室外再加裝一個天線或轉發器。

    整合無線網絡

    無線現場網絡與工廠網絡的整合可以使商務應用和過程應用更方便，功能更強大，工作人員監測工廠運行和環境的能力也將大大提高。有用數據的傳輸在現場級網絡采用WirelessHART標準，工廠級網絡采用Wi-Fi標準。

    新的基于網絡的以服務為導向的結構使得企業管理層與工廠層的通訊變得前所未有的簡單，這時企業的軟件結構也將得到很大的改進。例如，現場網絡的性能監測信息應用于企業優化軟件；罐區液位監測信息應用于庫存管理軟件；或是關鍵設備的診斷信息直接應用于計算機維護管理系統。

    就像在兩個截然不同的網絡之間進行信息傳遞一樣，將無線技術集成到主機控制系統或信息系統中需要通過網關翻譯信號，例如，從WirelessHART到以太網。

    在把無線網絡加入到現有過程單元中的時候，主機系統的接口要求中會特別指出所需的網關接口。無線網關可與范圍廣泛的主機系統、PLC、過程歷史數據庫以及其它控制系統（圖6）和協議（表1）兼容。還可以在原有過程裝置中的現場儀表上安裝無線適配器，采集以前無法從主控系統獲得的診斷和測量數據。

    原生化。整合無線方案的最佳狀態是主機系統本身就支持無線設備，如圖1所述。事實上，對于用戶來說，無論是有線儀表還是無線儀表在主機系統上的顯示是一樣的，無需特殊軟件和專門的通訊知識。

    最新版本的系統都帶有無線網關的本地接口，先進的無線網關可以自動進行感應和組態，使網絡的開車和調試又快又方便。此外，來自于HART和 WirelessHART設備的預警信息可通過無線網關直接供預測維護軟件使用，無需再另外搭建網絡。

圖6.現有的過程裝置可采用各種主機通訊協議實現無線技術，或是通過無線適配器將有線設備變為無線設備。

    串口限制。如果網絡中采用串口Modbus ，如圖6所示，主機系統必須具有足夠的連接數量。為了實現對過程變量和設備狀態的遠程監測，每個數據點都需要多個Modbus寄存器。由于協議本身在DCS系統中的局限性，無法對數據進行加密，也不能對訪問權限進行管理，因此在串口系統中，安全措施僅限于物理隔離。

    以太網選項。如果主機應用程序需要通過Modbus TCP、OPC或HTML連接，那么就要用到有線或無線以太網。以太網通訊不像串口系統有那么多的限制條件，但是在安裝時需要獲得企業IT人員的幫助，以確定接入點，讓網關通過以太網的防火墻，并提供網關的遠程訪問。以太網能確保網關的安全管理，就像IT網絡中的其它設備一樣。

    無線以太網能夠為設備診斷信息和測量數據的傳遞提供足夠的帶寬，除了需要電源，網關在安裝方面沒有其它特殊要求，因此它可以安裝在設備范圍和主機網絡內的任何地方，如有需要，網關也可以任意移動。

　　開始實施

　　利用工廠現有的設備和控制系統搭建無線網絡是非常簡單的。許多工廠從包括幾臺儀表和1臺網

　　關的小型無線現場網絡起步。建立第1個無線測點當然會是最貴的，因為即使只使用1臺無線變送器，也同樣需要網關、計算機、軟件等設施，但是一旦這個網絡建立起來以后，每增加一臺變送器所需要的成本也基本只限于儀表本身的成本了，1個網關可支持100臺變送器。當然如果規模更大，也可以增加更多的網關。

　　通過無線的監測功能來測試和評估無線技術幾乎沒有風險，用戶可以從并不昂貴的無線啟動包開始，逐步推廣到工程、運行和維護部門，無線技術可以提高設備可靠性、減少工廠停車時間、改進過程控制，并創造更安全的工作環境。

　　當第1個無線網絡開始發揮作用以后，運行和維護人員還將發現其它采集額外過程數據和監測資產的應用。

　　如前所述，有線和無線網絡可以方便地集成到同一個規模可變的結構中，通過無線網絡，數字工廠結構的范圍擴展到了以前從經濟或實際操作上都無法啟及的領域。由于無線技術完全基于開放的標準，因此系統設計人員可以從范圍廣泛的無線方案中進行設備和技術的挑選，而不必受專有技術和供應商的束縛。

　　表1. 集成無線技術的主要協議

    從有線到有線和無線并存的演變，預示著無線技術繼續發展的強大潛力。企業的技術部門以及IT部門和過程自動化人員都在共同協作研究和實施新的運行技術，以提高產量，同時提高安全性和環境保護能力。除了工廠的升級改造，在新建工廠中也有可能采用無線技術替代有線儀表。

　　通往無線天地的大門向開發無線新產品的廠商以及開發無線新應用的用戶敞開，它能為工業過程帶來更高的價值而無需為它的支撐技術擔憂，就像英特網的誕生，衍生出了許多以前難以想像的創新應用。與此類似，應用于工業過程自動化的無線技術正處于一個變改的全盛時期。

　　自組織WirelessHARTM網狀網絡的高度可靠和高性能，以及它的顯著經濟優勢，讓我們相信WirelessHART技術在未來5年內可以占到新建工廠的20%。