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    霍尼韋爾公司過程控制部 Jeff Becker，Jerry Stanek

    Jeff Becker，霍尼韋爾公司過程控制部無線業(yè)務部主管，曾擔任過工程、銷售、市場和管理職務，并擁有圣地亞哥加利福尼亞大學電氣工程學士學位。Jerry Stanek，霍尼韋爾公司石油和天然氣部門業(yè)務經(jīng)理，在石油和天然氣領(lǐng)域有著30多年的經(jīng)驗，參與過上游生產(chǎn)設(shè)備的工程設(shè)計和采購等，擁有西雅圖城市大學電信學士學位。

    石油管道和煉油廠的地理位置給運營商帶來了挑戰(zhàn)：如何保持系統(tǒng)的高效運營和有效維護。在美國，大部分的煉油廠都位于墨西哥灣沿岸，設(shè)備需要承受高溫、高濕度、暴風雨和颶風。在這些環(huán)境條件下，煉油廠的設(shè)備和輸油管道除了正常工作條件外，還要承受很大的壓力。對于負責保證設(shè)備正常運行的技術(shù)人員來說，能夠獲取準確的實時性能數(shù)據(jù)非常寶貴。

    技術(shù)人員從車間獲得的信息越多越詳細，就可以越準確地作出預防性維護的決策。例如，如果技術(shù)人員能夠?qū)崟r監(jiān)測到鍋爐的日常運行時間、壓力水平和排汽溫度，那么就可以在設(shè)備發(fā)生故障之前立即確定問題并加以修復。如果能夠獲得歷史運行數(shù)據(jù)，那么技術(shù)人員就可以知道自從上一次維護檢查后單元運行的周期次數(shù)，從而確定是否需要立即維修還是要等到下一次計劃停工檢修期再說。

    工業(yè)無線技術(shù)帶來的優(yōu)勢

    對于所有的加工制造業(yè)來說，保證正常工作時間對于企業(yè)的成功都是至關(guān)重要的，石油和天然氣及烴加工廠也是如此。煉廠中可以采用以下三種方式來監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備和輸送管道：使用無線變送器、使用有線網(wǎng)絡或者采用人工檢查的方式。

    然而，由于很多管道處于嚴酷的環(huán)境條件和地理地帶，并且覆蓋了廣大的地域，因此采用人工或有線網(wǎng)絡的方式來監(jiān)控這些基礎(chǔ)設(shè)施既不太可能，也成本昂貴。精煉廠也是這種情況。即使煉廠的地理位置有利于制造工業(yè)，但是其工作環(huán)境也會為有線和人工監(jiān)控帶來困難。

    這正是工業(yè)無線技術(shù)的用武之地，因為其靈活性和移動性可用來遠程監(jiān)控整個工廠中的設(shè)備。對于輸油管道也是如此。工業(yè)無線技術(shù)可以在整個管道范圍內(nèi)使用，也可以只在某個特定的部分使用。

    工業(yè)無線技術(shù)還可以用于有爆炸性危險的環(huán)境中以提高安全性。因為傳統(tǒng)的有線方案需要持續(xù)供電才能工作，因此會有產(chǎn)生火花的危險，而工業(yè)無線技術(shù)使用的則是電池或太陽能。與有線方案相比，無線網(wǎng)絡避免了購買和安裝有線架構(gòu)的成本，因此更加經(jīng)濟。無線網(wǎng)絡還提供了即插即用的配置，與數(shù)英里的布線方式相比，極大地簡化了安裝過程。

    選擇工業(yè)無線網(wǎng)絡

    對于所有工業(yè)應用來說，安裝無線網(wǎng)絡的架構(gòu)和策略都是一樣的。所不同的地方可能在于無線網(wǎng)絡的規(guī)模。無線方案的架構(gòu)可以是一個網(wǎng)絡也可以是多個網(wǎng)絡，可以是小型網(wǎng)絡也可以是多點的大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡。具體采用何種網(wǎng)絡配置應當取決于應用的場合。工業(yè)無線技術(shù)的總體用途可以分為三大類：安全性、可靠性和效率，對于石油和天然氣及乙烯加工煉廠來說，這些因素是很關(guān)鍵的。

    評估無線網(wǎng)絡時，要考慮的關(guān)鍵因素有：

    無線網(wǎng)絡是否工作在一個復雜的無線頻率環(huán)境中？

    無線網(wǎng)絡能否具備支持多種刷新速度進行無線傳輸?shù)哪芰Γ?br />
    無線變送器的電池壽命是否滿足長時間供電的要求？

    是否需要在整個無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)安全性？

    是否具有擴展性，以滿足未來使用需要及支持多種無線應用來擴展無線網(wǎng)絡的規(guī)劃？

    應當在審核階段一開始就考慮這些問題，從而保證選擇適當?shù)臒o線技術(shù)，以滿足當前和未來應用的需求。
                      
    霍尼韋爾過程解決方案的OneWireless網(wǎng)絡架構(gòu)應當謹記，無線技術(shù)不僅僅限于過程數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控，尤其是當你評估網(wǎng)絡的未來應用時，在決定無線網(wǎng)絡應當如何隨著業(yè)務而擴展，并支持多種應用時，這是一個需要考慮的關(guān)鍵因素。

    例如，如果在一開始沒有對無線網(wǎng)絡啟用高質(zhì)量的服務，那么擴展更多的無線應用，如應對緊急事故時，就可能造成網(wǎng)絡的超負荷。由于網(wǎng)絡的可用帶寬不足以支持來自過程數(shù)據(jù)采集無線設(shè)備（無線變送器）和緊急事件監(jiān)測無線設(shè)備的通訊傳輸，因此就會發(fā)生上述情況。所以考慮在什么地方安裝無線網(wǎng)絡是很重要的。

    如果網(wǎng)絡將要運行在復雜的無線頻率環(huán)境下，那么就應當確定合適的無線架構(gòu)以降低風險。如果需要在以后添加新的無線應用，那么網(wǎng)絡能夠支持各種多快刷新速度的傳輸而不會犧牲電池電量就非常關(guān)鍵。例如，如果網(wǎng)絡僅支持高速傳輸，那么以較快的數(shù)據(jù)刷新速度就會縮短無線變送器的電池壽命并占用無線網(wǎng)絡的帶寬。反過來，較低速度的網(wǎng)絡可能無法為更關(guān)鍵的應用提供滿足實時性要求的數(shù)據(jù)。

    整個工廠中可能會遍布數(shù)百個數(shù)據(jù)監(jiān)測點，因此具有足夠的帶寬將可以保證無線網(wǎng)絡的工作效率，此外還能保證無線變送器最大限度地利用電池能量。由于可能需要更換遍布整個工廠的數(shù)百個測點中的電池，因此無線變送器電池的壽命是制造商普遍關(guān)注的問題。

    不管怎樣，相比較減少布線帶來的成本節(jié)約，更換電池的費用并不高昂。評估無線解決方案時，很多廠商提供的都是極低刷新速度下的電池壽命。了解到這一點后，您就應當選擇自己所需的刷新速度并詢問在該刷新速度下的電池壽命。業(yè)內(nèi)的標準刷新速度通常為3至5秒。

    下一步是要保證無線網(wǎng)絡的安全。為了防止惡意侵犯并保護員工、知識產(chǎn)權(quán)和市場占有率，安全性是必不可少的。無線網(wǎng)絡中的安全防護措施應當易于部署、維護簡便、并且能夠提供多層保護。采用分層的安全措施可以防止多種風險，例如：? 位于工廠之外的被動式監(jiān)聽器可以讀取和訪問數(shù)據(jù)。為了降低這種危險，網(wǎng)絡中應當采用機密性和加密的消息傳輸。

    主動式監(jiān)聽器可以截獲一個正確的消息然后再發(fā)送一個錯誤的消息、更改真實的消息或者重放過去的消息。為了避免這種情況，網(wǎng)絡應當采用消息完整性和重放保護機制，包括時間標簽、循環(huán)碼校驗和其他消息標記。

    帶病毒的設(shè)備可能會取代合法的無線變送器并不斷地向系統(tǒng)發(fā)送錯誤消息。為了降低這種風險，網(wǎng)絡應當采取來源認證措施。

    采用拒絕服務式攻擊（DoS）的攻擊者將用大量的錯誤消息轟炸系統(tǒng)，使正確的消息無法通過網(wǎng)絡，從而在事實上中斷所有通過無線訪問點的無線通訊。安全的網(wǎng)絡應當采用認證、網(wǎng)狀網(wǎng)絡、冗余路徑等組合方式來抵抗拒絕服務式攻擊，并通過高性能的網(wǎng)狀網(wǎng)絡架構(gòu)來減輕這種效應。

    確定無線網(wǎng)絡的安全措施時，應當考慮到工廠和管道的位置、因安全破壞造成的潛在危害以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)關(guān)鍵程度。對于要求高度安全性的網(wǎng)絡，系統(tǒng)應當提供強大的加密、完整的認證以及分層的保護。系統(tǒng)還應當提供端到端的數(shù)據(jù)加密，這意味著數(shù)據(jù)在到達有線網(wǎng)絡之前始終是加密的。

    正確地選擇無線網(wǎng)絡需要考慮到網(wǎng)絡的工作環(huán)境、可用的網(wǎng)絡帶寬、無線變送器的刷新速度和電池壽命以及安全要求。

    罐區(qū)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控

    Reliance Industries（RIL）是印度能源和材料市場上最大的私營公司。當需要從原油罐區(qū)最遠端獲得可靠的儲油罐液位和溫度讀數(shù)時，該公司遇到了困難。RIL公司現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡位于工廠內(nèi)部，距離很遠，給技術(shù)人員進行系統(tǒng)維護和布線帶來困難。

    針對數(shù)據(jù)遠程采集監(jiān)控的挑戰(zhàn)，RIL認為無線網(wǎng)絡可以帶來最大的優(yōu)勢。該公司選擇了無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，因為這種網(wǎng)絡可以覆蓋更廣的區(qū)域，并且在某個無線節(jié)點故障的情況下可以提供系統(tǒng)的故障切換。

    通過從有線網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換到無線網(wǎng)絡來監(jiān)控遠程原油罐區(qū)，RIL公司節(jié)約了儀表電纜、人工和維護的成本。應用無線網(wǎng)絡后，RIL公司消除了不準確的數(shù)據(jù)采集，避免了不正確的容量使用和潛在的貿(mào)易結(jié)算偏差。

    開放的標準

    大多數(shù)的無線技術(shù)都采用了開放的標準協(xié)議，這保證了網(wǎng)絡可以與各種新、舊應用一起運行。目前存在著多種標準有線開放接口協(xié)議，例如Modbus、OPC、HART、Foundation Fieldbus、Profibus和以太網(wǎng)等。在實踐中，無線網(wǎng)絡使用的協(xié)議對網(wǎng)絡的實現(xiàn)沒有影響。相反，重要的是應當驗證開發(fā)的無線網(wǎng)絡支持開放協(xié)議標準。
   
    基于開放協(xié)議的無線網(wǎng)絡可以允許系統(tǒng)連接到工廠中還在使用的多種固有應用的和新的應用。這樣網(wǎng)絡就可以為整個工廠提供服務，而不僅僅局限于某個部門。可以使無線網(wǎng)絡支持多種應用。了解無線網(wǎng)絡未來可能的多種應用，有助于確定應用所需的無線網(wǎng)絡架構(gòu)和設(shè)備的類型。

    無線技術(shù)的工業(yè)應用

    無線技術(shù)在煉油廠和乙烯加工工業(yè)中的用途非常廣泛，包括壓力、腐蝕、溫度和氣體排放監(jiān)控、儲油罐液位管理、預防性維護計劃、資產(chǎn)管理和員工跟蹤，并且可以實現(xiàn)雙向通訊。通過Repsol YPF公司的例子我們可以了解到無線技術(shù)在監(jiān)控石油管道內(nèi)部壓力方面起到的關(guān)鍵作用。該公司完成了阿根廷科羅拉多河的水下管道交叉，其中包括河下的一條石油管道、兩條天然氣管道和一條585米的溝渠，將Medoza Head和Neuquen Head油田連接起來。

    政府的規(guī)范要求對管道進行正確的監(jiān)控，以避免石油因管道破裂涌入河中。為了確保管道的安全性，避免對環(huán)境造成破壞，Repsol公司決定對管道的壓力進行持續(xù)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)集成到監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)中。

    為了給監(jiān)控系統(tǒng)傳輸實時數(shù)據(jù)，Repsol公司對無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡均作了評估。該公司認為使用無線技術(shù)來連接Medoza Head和Neuquen Head可以更好地節(jié)約成本。Repsol公司在兩個管道接頭處均安裝了無線壓力變送器，并在Neuquen Head采用已有的遠程終端單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到SCADA系統(tǒng)。

    通過安裝無線網(wǎng)絡，Repsol公司不但節(jié)約了成本，而且還消除了接線、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等過程中的數(shù)據(jù)傳輸故障。

    安裝一個或多個無線網(wǎng)絡

    Repsol公司決定只安裝一個無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，這與該公司需要解決的問題完全吻合。該公司認為目前無線網(wǎng)絡只有一個用途，即監(jiān)測管道的壓力。確定了無線網(wǎng)絡僅用于單一應用后，Repsol公司認為沒有必要安裝多點網(wǎng)絡或者更大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

    單一架構(gòu)、支持多種無線應用的工業(yè)無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)能夠為用戶提供更大的靈活性，既可以支持控制層次的應用，也可以支持設(shè)備層次的應用，能夠與無線變送器和Wi-Fi無線設(shè)備進行無線通訊。這種無線網(wǎng)絡基本上是DCS控制網(wǎng)絡的擴展和延伸。其拓撲結(jié)構(gòu)將依賴W-VLAN技術(shù)來創(chuàng)建一個邏輯網(wǎng)絡，用于人機交互界面過程顯示和移動操作的全面應用。

    單一架構(gòu)、支持多種無線應用的無線網(wǎng)絡在車間層次上更加容易維護和監(jiān)控。它們采用了高速通訊的主干無線網(wǎng)絡來傳輸數(shù)據(jù)，這樣無線設(shè)備就可以無線回傳，從而減少了現(xiàn)場設(shè)備和控制器之間的等待時間，并延長了無線設(shè)備的電池壽命。

    采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡的時機和方式網(wǎng)狀網(wǎng)絡被認為是最全面的工業(yè)無線解決方案，但是不一定適合所有的部署。此外，適當?shù)臒o線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)取決于網(wǎng)絡的用途。

    無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以有效地利用工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）無線通訊頻段來提供傳輸冗余性，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｓ捎谑褂肐SM頻段的通訊設(shè)備必須能夠耐受來自其他ISM設(shè)備的干擾，因此這些頻段通常用于未獲許可的操作。例如，美國的ISM頻段是由聯(lián)邦通訊委員會管理的。

    為了減少有限的ISM頻段中的信號干擾，高效率的網(wǎng)狀網(wǎng)絡將采用跳頻擴譜（FHSS）技術(shù)。這種技術(shù)將數(shù)據(jù)信號與載波信號調(diào)制，并在很寬的頻段內(nèi)周期性地進行頻率跳躍。通過中繼程序后，無線數(shù)據(jù)包會找到通往目的地址的路徑，并通過具有可靠通信連接的中間節(jié)點。

    當發(fā)生因貨車撞到節(jié)點等事故而引起網(wǎng)絡故障時，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡還具有自我恢復的能力。信號的傳輸路徑將被重新安排，繞過受損的節(jié)點而通過其他節(jié)點，從而保證流程數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息的發(fā)送。

    一般來說，有兩種類型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡：傳感器類型和干線類型。傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡采用一系列傳感器，在本地區(qū)域相互通訊。

    干線網(wǎng)狀網(wǎng)絡則帶有供電的節(jié)點，可以在更遠的距離上相互通訊，將工廠的各個部分連接起來。這些節(jié)點使數(shù)千個設(shè)備（從現(xiàn)場儀表、移動員工設(shè)備到語音和視頻通訊）能夠在單一的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施中共存。制造商通常會出于兩個主要原因決定采用多功能的干線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。首先，可以基于需要監(jiān)控的點的數(shù)量以及這些點的地理分布作出決定。工廠車間中需要監(jiān)控的區(qū)域越多，安裝無線干線網(wǎng)狀網(wǎng)絡就越經(jīng)濟。其次，一些公司對可靠的通訊以及可預測的電池壽命及數(shù)據(jù)刷新速度非常看重。干線網(wǎng)狀網(wǎng)絡利用了通過供電節(jié)點的優(yōu)勢，可以使無線變送器節(jié)約電池能量并提供靈活的數(shù)據(jù)刷新速度。

    無線技術(shù)的大規(guī)模應用

    哥倫比亞的Ho c o l公司是一家勘探和生產(chǎn)公司，該公司希望提高自己四個生產(chǎn)油田中三個油田的生產(chǎn)效率。油田位于Magdalena谷，該谷地從Huila的安第斯山脈最下端一直穿過Tatacoa沙漠并通過白雪覆蓋的Nevado del Tolima山，有些地方屬于世界上地理和環(huán)境上最具挑戰(zhàn)性的地點。

    為了提高油田的生產(chǎn)率，Hocol公司認識到必須延長設(shè)備的正常工作時間并提高工人的安全保障。公司確定了要實現(xiàn)以上目標，必須通過以下途徑：

    改善生產(chǎn)油井的可監(jiān)控水平，這樣才能及時、有效地作出生產(chǎn)決策，從而改善操作員的效率。

    減少操作人員的日常輪班次數(shù)，從而減少上下班的往返時間。

    消除日常油井監(jiān)控班次，使操作人員可以關(guān)注于能夠提高生產(chǎn)的活動。

    增加遠程監(jiān)控石油和天然氣生產(chǎn)活動的能力。

    要實現(xiàn)這些目標，Hocol公司認為，該公司的36個油井平臺上的110個油井只實現(xiàn)了四分之一的生產(chǎn)能力。為了改善物料向生產(chǎn)設(shè)施的配送，需要以下系統(tǒng)的信息互聯(lián)和共享：

    每個井臺的SCADA。

    ESP/VSD制造商等遠程用戶的SCADA，這樣這些制造商就可以按照性能合同獲得最佳生產(chǎn)配置點。

    主管道泵站的SCADA。

    與生產(chǎn)設(shè)施控制系統(tǒng)的信息交換。

    與工藝水處理廠的SCADA。

    為了使這些不同系統(tǒng)能夠有效地進行通訊，油井應當包含一個可編程邏輯控制器（PLC），采用無線方式與現(xiàn)場無線變送器無線通訊，并且對于單獨的油井采用與變速驅(qū)動器的硬連線接口。

    考慮到該地區(qū)的地形布局和植被不適合長距離的點對點或多點通訊，Hocol公司決定采用衛(wèi)星通訊從PLC獲取井臺信息。

    采用P LC與衛(wèi)星技術(shù)連接的現(xiàn)場變送器進行無線通訊為公司提供了靈活性，可以添加、刪除油井或改變油井的生產(chǎn)方法，以及其他控制優(yōu)勢。在井臺的生產(chǎn)通過一個主機冗余控制器（PLC）進行控制。

    在每個井口，Hocol公司都采用無線現(xiàn)場變送器將過程數(shù)據(jù)采集到PLC。然后這一信息被傳輸?shù)缴a(chǎn)中心，在那里對油井進行遠程監(jiān)控。由于無線解決方案具有遠程監(jiān)控的功能，因此主要生產(chǎn)油井可以實時提升油井的生產(chǎn)水平。此外，為了保證井臺與生產(chǎn)中心的雙向傳輸交換的交互性，Hocol公司還在一些井臺上安裝了Modbus網(wǎng)關(guān)。

    下面以Hocol公司的哥倫比亞油井為例說明該公司采用無線技術(shù)獲得的成功。在實現(xiàn)遠程監(jiān)控之前，油井的產(chǎn)量為每天86桶，其中含有50%的水分，也就是每天大約生產(chǎn)43桶原油。采用遠程監(jiān)控后，通過關(guān)井測試分析，發(fā)現(xiàn)了井壓力下降的原因。采取糾正措施后，哥倫比亞油井的產(chǎn)量提高了1700%，從每天40桶原油達到了每天750桶原油。

    長期的投資

    采用工業(yè)無線技術(shù)是一項長期的投資，帶來的優(yōu)點遠不止是提高工廠效率，并且還面向未來的業(yè)務增長和效率。工業(yè)無線網(wǎng)絡架構(gòu)應當能夠隨著業(yè)務而成長和擴展，因此必須考慮到從安裝到支持未來需要的總體成本。有線網(wǎng)絡之間是很容易共存的，但是無線網(wǎng)絡則共享著一片有限的物理空間。網(wǎng)絡的未來擴展是不可避免的，如果不考慮到這一點，那么以后添加新的無線網(wǎng)絡時就會造成沖突。

    無線技術(shù)帶來的優(yōu)點遠不止是避免布線的成本，還包含對以前難以采集數(shù)據(jù)的地方進行實時訪問以及提高員工效率和安全性等。工廠可以在無線變送器和控制系統(tǒng)之間提供無線連接，以便連接到遠程控制器和I/O設(shè)備。此外工廠還能從可靠性相關(guān)的應用中獲益，例如旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動監(jiān)測、安全設(shè)備、移動操作站、訪問實時數(shù)據(jù)的手持終端和無線視頻等。

摘自《自動化博覽》2010年第七期