本文中，Jim Montague探討了與日俱增的常規(guī)過程控制應(yīng)用如何采用工業(yè)無線技術(shù)，從而達到節(jié)省電纜、保障附加信號并從電線無法到達的點位傳輸回數(shù)據(jù)的目的。
通信暢通即為關(guān)鍵。只要連接穩(wěn)定且數(shù)據(jù)傳輸成功，通信在電纜或空氣中發(fā)生皆可。幸運的是，如今多種技術(shù)都可以保障通信。無線設(shè)備和手段日益成為過程監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、自動化甚至控件，如傳感器、I/0點、硬接線、PLCs和DCSs等的常用方法。工程師、操作員和其他工人使用它們就像每天都使要用牙刷、干凈襪子和車鑰匙一樣頻繁。
然而，許多潛在用戶對于無線發(fā)射器、天線、現(xiàn)場勘測和無線協(xié)議仍然陌生。因此，下文列舉的如何采用無線技術(shù)解決稀松平常卻使操作頭痛不斷的問題對此極有幫助。
解決常見問題
譬如：倫敦附近Thames Power Services 1,000-MW Barking電站最近安裝了35個艾默生過程管理公司提供的Rosemount 708聲波發(fā)射器，用于找出更多故障疏水閥、泄漏或異常的閥門、造成嚴(yán)重?fù)p失的鍋爐管泄漏，并減少蒸汽流失、送水成本和停機時間。
若疏水閥故障或出現(xiàn)泄漏，發(fā)射器中的聲波設(shè)備將報告聲音與溫度的改變，根據(jù)配置將警示操作員出現(xiàn)了潛在問題。Barking電站高級控制系統(tǒng)工程師Ian MacDonald匯報說，發(fā)射器通過識別高壓過熱疏水閥的泄露及時發(fā)揮了作用，避免它每日停工造成的1400英鎊損失。
“提升過程性能意味著了解整個廠區(qū)內(nèi)發(fā)生的任何問題且能迅速自如應(yīng)對，”MacDonald解釋道：“無線技術(shù)讓我們能夠在任何位置快速且經(jīng)濟的加入更多測量點，從而搜集更多信息，識別潛在的故障。”
隨后，Barking電站又在其它存在問題的區(qū)域安裝了15個聲波發(fā)射器進行監(jiān)測，這些問題包括啟動階段可能卡止的排氣閥，位置錯誤的卸壓閥等。以前采用人工監(jiān)測，拋開耗時不論，還無法指出何時或為何出現(xiàn)泄漏，增大了安全、監(jiān)管和環(huán)境事故的風(fēng)險。新的無線設(shè)備能夠進行精確檢測，即使閥門僅開啟短短一秒鐘也能向操作員報警。
然后數(shù)據(jù)傳輸至Barking電站已有的艾默生Ovation控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將噪聲級按趨勢劃分，用于識別逐步的變化。從而便可在普通非高峰時段安排維修，保持廠區(qū)最大可用性，避免強制停機。
相比一一有線接入，利用現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)能在成本更低的情況下加入更多設(shè)備。于是便有機會監(jiān)測廠區(qū)內(nèi)曾經(jīng)由于費用不足無法監(jiān)測的區(qū)域，如識別文氏噴管堵塞時，通常利用進口/出口壓力差產(chǎn)生吸力并迅速混合注入物。
圖注：為減少蒸汽流失、送水成本和停機時間，倫敦附近的Barking電站采用無線聲波發(fā)射器來定位故障的疏水閥、泄漏閥門和鍋爐管泄漏。
“已安裝了艾默生 Smart Wireless Thum適配器，以便訪問現(xiàn)場裝置的滯留Hart診斷數(shù)據(jù)，我們很熟悉Smart Wireless，” MacDonald補充道：“電池供電的無線裝置具備機動靈活性，不但可以試運行，且無需臨時電纜也能將更多的裝置移動到不同區(qū)域中去。從而早期辨識出問題，增強對故障設(shè)備的響應(yīng)，完善規(guī)劃并充分利用維護資源。”
圖注：Barking電站無線設(shè)置中的數(shù)據(jù)傳輸至艾默生 Ovation控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)將噪聲級按趨勢劃分，用于識別逐步的變化。
尋求最符合方案
或許探求無線技術(shù)道路上最可貴的品質(zhì)要數(shù)研發(fā)、設(shè)計和實踐最有效方案時付出的耐心和彈性。
譬如，加州威明頓Valero Energy煉油廠的工程師數(shù)年前引入了第三方點對點無線系統(tǒng)，擴展了過程檢測性能。
然而據(jù)該公司過程控制系統(tǒng)副協(xié)調(diào)員Rick Felix所言，這一系統(tǒng)過于繁瑣，傳輸數(shù)據(jù)耗時過長，他們在尋求性能增強的無線工具時，于2009年采用了霍尼韋爾過程解決方案的OneWireless全站系統(tǒng)，至此不斷通過自定義來改變該系統(tǒng)，用以配合自身應(yīng)用，不斷提升性能。
Felix說：“煉油廠裝置通常分散于遼闊的區(qū)域之內(nèi)。廠區(qū)一般需要監(jiān)測應(yīng)用中多點的信息，其中包括水平、流量、壓力和氣體探測。這些應(yīng)用測量點安裝費用的九成都用于電纜管道和相關(guān)建設(shè)”
“無線技術(shù)能在不影響常規(guī)運作的情況下，輕易獲取最遙遠和最難接近位置的定點測量信息成為可能。無線系統(tǒng)能在原本被認(rèn)為不切實際的區(qū)域持續(xù)且穩(wěn)定的工作，各I/O使用無線成本更低，證明項目無需有線發(fā)射器。”
再回到有線方面，最先威明頓電站采用的是霍尼韋爾 TDC 2000 DCS，隨后不斷升級又加入了TDC 3000設(shè)備，而傳統(tǒng)美國電站則更新為Experion PKS，帶有新型HMIs，圖標(biāo)站和Experion服務(wù)器。最近煉油廠升級為C300控制器，用于攪拌控制。
該廠1969年試運行，1982年擴大規(guī)模，增添了烴化和流化床催化裂化(FCC)裝置。它的產(chǎn)量占南加利福尼亞州瀝青需求總量的15%之多。同時，威明頓OneWireless R200裝置包括霍尼韋爾的Wireless Device Manager (WDM), Field Device Access Points (FDAPs) 以及 XYR 6000無線發(fā)射器。
由于Valero和威明頓廠區(qū)都是采用無線技術(shù)的先驅(qū)，他們積累了許多寶貴的經(jīng)驗。例如，廠區(qū)初始無線發(fā)射器和多節(jié)點都由霍尼韋爾安裝，隨后移交Valero進行日常維護和擴展。
“我們的員工也遇到了許多問題，比如由于天線包裹不善，無法承受天氣情況或者電纜受到侵蝕導(dǎo)致的信號強度太弱，” Felix解釋：“對多節(jié)點進行編程時也經(jīng)歷了不少挑戰(zhàn)。”
2012年8月，威明頓進行了新一輪的現(xiàn)場勘測，并將OneWireless R120系統(tǒng)升級為OneWireless R200。FDAPs取代了多節(jié)點，而R200和WDM提供了更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和連接性，以及敏銳且以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的用戶界面。它們共同使得用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將無線網(wǎng)絡(luò)和廠區(qū)控制系統(tǒng)整合于一體成為可能。
迄今為止，威明頓活躍的OneWireless網(wǎng)絡(luò)包含30個無線發(fā)射器，11個FDAPs，2個有線連接DCS的FDAPs，以及通過串行Modbus與霍尼韋爾 DCS相連的WDM。“R200調(diào)配更加迅速，使發(fā)射器的故障排查耗時更短，” Felix補充說：“使用R200系統(tǒng)后證明，相對之前的R120而言，它需要的人力更少。”
圖注：在加州威明頓Valero煉油廠，Honeywell OneWireless系統(tǒng)不僅無需有線設(shè)施的高昂成本，還能將寶貴數(shù)據(jù)整合入控制系統(tǒng)和先進應(yīng)用之中。
盡管FDAPs需要電力，但它們能進行信息路由選擇，因此用戶可將無線裝置與控制網(wǎng)絡(luò)相連，并獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。它們還能創(chuàng)造安全、符合ISA100要求的現(xiàn)場儀表無線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中儀表互相通信，并將附近現(xiàn)場裝置的信息按路徑發(fā)送至控制器上。
同理，WDM使得網(wǎng)關(guān)和安全管理器能保障現(xiàn)場和廠區(qū)儀表間通信的安全。支持以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的用戶界面，具備基本IT知識的過程及現(xiàn)場工程師皆能快速設(shè)置無線系統(tǒng)，也減少了無線裝置網(wǎng)絡(luò)試運行、監(jiān)測和故障排查的時間。
“OneWireless幫助我們優(yōu)化了廠區(qū)作業(yè)流程和穩(wěn)定性，提升了安保性能且保證了對監(jiān)管要求的服從，”Rick Felix說：“它的優(yōu)勢不僅是免除了電線帶來的成本，核心在于它將寶貴數(shù)據(jù)集成入控制系統(tǒng)和先進應(yīng)用之中，同時還能與其它聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用共享這些數(shù)據(jù)。現(xiàn)在許多項目都逐漸成為可能，比如采用控制輸入的短程點對點等。”
水處理走向無線
相比基礎(chǔ)過程控制，無線的一個最大特點即是已受到市政應(yīng)用，尤其是用水和污水處理的廣泛采納。
挪威最大城市奧斯陸市公共工程部門目前用connectBlue的藍牙無線維護和操作裝置替換了花費巨大的操作面板，這些面板安裝于數(shù)百個控制整個城市用水和污水處理的泵站中。
這些藍牙裝置為設(shè)施的ABB ITTM AC 800C控制系統(tǒng)提供了以太網(wǎng)界面和網(wǎng)頁服務(wù)器通路，從而處理自定義網(wǎng)頁中的數(shù)據(jù)，本地動態(tài)數(shù)據(jù)記錄和城市廣域網(wǎng)通路。
此外，這里的技術(shù)員還能利用掌上藍牙維修機器，現(xiàn)場對各泵站進行調(diào)整和重編程，且藍牙與整個控制系統(tǒng)相連。將AC 800C連于WAN后，技術(shù)員還能在各泵站自動將軟件變化儲存于WAN服務(wù)器中，去到下一泵站前，他們無需再返回控制室下載程序調(diào)整值。
同樣，地區(qū)水管理協(xié)會Aggerverband最近在水管理承包商HST Hydro-Systemtechnik的幫助下，成功在德國Genkel 200 x 41米的大壩和Gummersbach和 Meinerzhagen 8百萬立方米飲用水水庫安裝了自動化作業(yè)設(shè)施。
用于監(jiān)測取水量、水平面、溫度、蒸發(fā)量、風(fēng)速和隨時查看基底引起的大壩物理變化，Genkel全新過程控制系統(tǒng)需與12個站點相連，其中包括位于水庫中央的“測量筏”以及監(jiān)控數(shù)個大壩的Aggerverband中央控制室。
因此，12個站點中， 11個安裝了Beckhoff Automation BC2000帶PLC功能的總線終端控制器，通過長1.5km的Lightbus環(huán)路和倍福ADS TwinCAT數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行聯(lián)網(wǎng)。訪問測量筏則需通過倍福 KN6551無線終端，這是一個以IEEE 802.15.2為基礎(chǔ)的太陽能無線電線路。
無線的建立與投產(chǎn)
盡管各應(yīng)用有各自不同的需求，無論在任何過程或廠區(qū)中運用無線技術(shù)仍有如下基本步驟：
1. 調(diào)查過程應(yīng)用基本運行和性能的需求，根據(jù)需求找到正確的無線解決方案。
2.共同評估現(xiàn)有有線和無線網(wǎng)絡(luò)，并對整體通信集成計劃進行升級。結(jié)合上述功能需求，幫助選擇適宜的無線設(shè)備。
3.完成全面的無線現(xiàn)場勘測和無線電頻率(RF)評估，從而確定應(yīng)用和廠區(qū)自然環(huán)境以及可能的干擾源，如建筑、鋼墻、地理特征和距離問題等。
4.測試并選擇最適合的天線，并將其置于最穩(wěn)定的覆蓋范圍內(nèi)，傳輸和接收最優(yōu)信號。
5.初期，在小型非關(guān)鍵試點項目中運用無線技術(shù)，檢查獨特的現(xiàn)場特點和問題。確保無線裝置可根據(jù)應(yīng)用需求的變化進行調(diào)整和移動。
6.安裝并鋪設(shè)出能滿足應(yīng)用目前需要的無線元件和網(wǎng)絡(luò)，但也要為后期數(shù)據(jù)擴充和設(shè)備擴大留出空間。
7.教授員工所需的安裝、維護和故障排查技能，才能從全新的無線系統(tǒng)中充分獲益。
“這些終端采用2.5 GHz帶寬，能輕易整合于總線終端系統(tǒng)中，” HST 的IT系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Frank Huetger介紹說：“定向天線能保障無線電線路的穩(wěn)定。”
必要時修正
對許多地區(qū)而言，無線相對來說還是新興技術(shù)。當(dāng)它在發(fā)展中出現(xiàn)缺陷時，守舊的人立刻借機進行責(zé)難甚至罷用。因此無線技術(shù)亟需的是甘愿反思、重新調(diào)整和更新元件、設(shè)計及布局的心態(tài)，只有這樣才能達成穩(wěn)定的通信。
例如，St1 Energy煉油廠地處瑞典哥德堡海灣地區(qū)，采用艾默生Rosemount油罐液位計設(shè)備和有線無線元件混合進行水平及溫度測量。它不具備控制室直接訪問智能無線網(wǎng)關(guān)的能力，智能無線網(wǎng)關(guān)以WirelessHart (IEC 62591)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，從無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中收集數(shù)據(jù)。然而諷刺的是，此前技術(shù)員必須進入現(xiàn)場查看，才能監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和進行配置。
于是St1采用了艾默生以Wi-Fi為基礎(chǔ)的滲透式現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)(PFN)解決方案，用無線將控制室和網(wǎng)關(guān)相連。St1的PFN包括三個ProSoft Technology RadioLinx工業(yè)室內(nèi)熱點裝置，以及它三根與它們相連的遠程室外平板天線。
圖注：St1 Energy煉油廠地處瑞典哥德堡，利用roSoft Technology RadioLinx的工業(yè)熱點裝置，使操作員能從控制室訪問無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。
第一個熱點與網(wǎng)關(guān)相連；第二個發(fā)揮重發(fā)器作用，抵達視距并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；第三個位于St1控制室內(nèi)，形成Wi-Fi區(qū)域。
這種布局使操作員在控制室任意位置皆能通過裝有AMS Wireless Configurator、AMS Wireless Snap-On和/或TankMaster軟件的筆記本電腦訪問煉油廠無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。事實上，Snap-On軟件能為用戶展示油罐區(qū)、網(wǎng)絡(luò)裝置和它們各自狀態(tài)的圖像概觀。
同理，澳洲昆士蘭Sunstate Cement近期斥資8500萬美元將產(chǎn)能擴大至150萬公噸，并在三部卸船機與四個接入點之間安裝了無線局域網(wǎng)(WLAN)。但WLAN出現(xiàn)故障，導(dǎo)致卸船機無法回復(fù)主控制器發(fā)出的通信。
圖注：西門子Sinema E（Simatic網(wǎng)絡(luò)管理器工程）等軟件能實現(xiàn)工業(yè)WLAN應(yīng)用的高效規(guī)劃、模擬和配置。
“起初，Sunstate Cement認(rèn)為問題出在西門子的無線設(shè)備上。即使距WLAN接入點僅數(shù)米，信號強度也十分弱。主控制器和卸船機上的三個RTU PLCs通信出現(xiàn)信號丟失，” 西門子澳洲網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品經(jīng)理Falk Holman介紹說：“而我發(fā)現(xiàn)初始安裝人員未進行任何WLAN信道規(guī)劃，由于四個WLAN接入點間通信量不協(xié)調(diào)，因此存在大量沖突和干擾。”
Holman解釋說采用空分多址(SDMA)或頻分多址(FDMA)過程都能避免訪問沖突。他還補充道，安裝前使用西門子Sinema E等WLAN模擬軟件能提升通信性能。“我們還發(fā)現(xiàn)廠區(qū)人員安裝了5-GHz天線，卻將網(wǎng)絡(luò)配置成2.4-GHz的頻率范圍，” Holman說：“而且接入點天線安裝于構(gòu)架之下，位置過低且緊鄰實心水泥墻。因此網(wǎng)絡(luò)選擇5-GHz后，重新為各接入點和對應(yīng)卸船機分配信道。”Holman表示Sunstate戶外應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信道可用范圍為149至165(5,745 MHz至 5,825 MHz)。然而信道的交疊為2-MHz，故他將信道安排成臨時順序，從而防止干擾。
第二輪測試采用Cisco頻譜分析儀進行，顯示信號強度稍弱(-70 dBm 或 48%)，而信號質(zhì)量大幅上升。
“不幸的是，仍然出現(xiàn)了通信信號丟失，” Holman說：“還有什么地方出錯？為什么強度只有48%？我們發(fā)現(xiàn)安裝員采用了全向天線，增益高而垂直波瓣過小。當(dāng)卸船機停靠時，由于裝配位置高度差太大，天線幾乎無法獲得視距。天線之間也安裝得太近。建議采用20倍波長作為間隙，天線分集才能處于5-GHz無線蜂窩中。而在帶式輸送機下放置兩根接入點天線同樣毫無幫助。”
于是，Sunstate將天線從2米升至5米高，并重新布置了冗余的電纜。“我們發(fā)現(xiàn)5米多余的電纜被塞在1米的信道內(nèi)，這樣可能造成電纜衰減，” Holman又說：“所幸將天線從開銷構(gòu)架中移開并升高時，多余的電纜派上了用場。”
做出上述校正并采用西門子iPCF快速漫游功能后，Sunstate的無線系統(tǒng)終于能按設(shè)計一樣順暢運作了。Holman反饋說該系統(tǒng)已經(jīng)未終斷的運行了12個月以上，期間未進行任何更換或加入硬件。
