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WirelessHART
作業(yè)擴(kuò)展
摘要：任何工廠的擴(kuò)建都會需要增加I/O端口數(shù)量。這似乎順理成章，但在實(shí)際操作中會面臨各種難題。I/O機(jī)柜的空間有限，最重要的是I/O端口很貴。工廠工程師有多個(gè)選擇：繼續(xù)為現(xiàn)有系統(tǒng)增加I/O端口，直到空間用盡；或者增添額外的I/O機(jī)柜；亦或者通過增加WirelessHART功能來擴(kuò)展容量。通過本文您將會發(fā)現(xiàn)第三種選擇是增加工廠I/O端口數(shù)量的最快速且最經(jīng)濟(jì)的方法。無線I/O系統(tǒng)相比于有線I/O有兩大主要優(yōu)勢：節(jié)省資金和時(shí)間。選擇WirelessHART I/O必須先考慮下面幾個(gè)問題。
要求什么樣的基礎(chǔ)設(shè)施？
一套無線系統(tǒng)包含多臺無線變送器，無線變送器之間通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)互相通訊，網(wǎng)路配有網(wǎng)關(guān)與控制系統(tǒng)相連，如圖1所示。很多網(wǎng)關(guān)都提供多種協(xié)議以供選擇，便于和系統(tǒng)接口整合，包括HART-IP、以太網(wǎng)或者基于RTU的通信協(xié)議。目前常見的協(xié)議是Modbus和OPC。有的生產(chǎn)廠商還提供Ethernet/IP協(xié)議，無需使用Modbus-to-Ethernet /IP轉(zhuǎn)換器，可以將設(shè)備信息集成到控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和資產(chǎn)管理系統(tǒng)中。
圖1 一種無線系統(tǒng)通常包括一組無線變送器，它們之間或者與網(wǎng)關(guān)之間可以互相通訊，并連接到控制系統(tǒng)。圖片來源：艾默生過程管理。
除了主變量（PV），WirelessHART提供的信息還包括一些額外的測量變量、設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備診斷，某些情況下還能夠提供過程診斷信息。
WirelessHART變送器可以使用電池供電、電纜供電或者回路供電，根據(jù)設(shè)備的配置方式和不同的更新率，電池壽命從幾個(gè)月到幾年不等。每分鐘幾次的中等更新率可以維持幾年的電池壽命。增加一臺與傳統(tǒng)有線設(shè)備具有相同功能的變送器包括安裝和啟動。除了常見的設(shè)備配置，還需要做兩項(xiàng)額外配置——連接關(guān)鍵字和網(wǎng)絡(luò)ID。由于并不存在現(xiàn)場布線，所以這個(gè)任務(wù)可以迅速完成。
有線HART設(shè)備可以通過在設(shè)備上或者設(shè)備附近增加WirelessHART適配器來使其變成無線設(shè)備。這些適配器可以使用電池供電，在某些情況下也可以使用電纜/回路供電，為變送器提供能源。如果采用多站HART配置，適配器可以與最少一臺設(shè)備、最多八臺設(shè)備通訊，并交換設(shè)備信息。使用適配器就可以不再使用電池，而且現(xiàn)有工廠設(shè)備都可以繼續(xù)使用。
圖2 當(dāng)信號達(dá)到了一個(gè)接入點(diǎn)，有很多網(wǎng)絡(luò)選擇可以移動無線設(shè)備中的數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡(luò)管理和安全技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是簡單和可靠的。
對于無線技術(shù)來說，為一臺智能閥門定位器增加WirelessHART適配器是一項(xiàng)重要的應(yīng)用。由于大多數(shù)工廠的基礎(chǔ)設(shè)施都受到限制或者沒有多余的布線，所以智能定位器所能提供的智能信息已經(jīng)被證明能夠在工廠運(yùn)行、維護(hù)和更新期間節(jié)省資金和時(shí)間。由于其具有監(jiān)控和識別潛在閥門問題的能力，所以能夠避免發(fā)生意外關(guān)斷和不必要的閥門維護(hù)。
成本如何？
使用電池供電的WirelessHART變送器通常比同等功能的有線變送器成本要高，但是一旦考慮了布線和安裝成本，這一價(jià)格查立即就被抹平，更不用提項(xiàng)目耗時(shí)也能夠極大地減少。使用傳統(tǒng)的變送器，需要使用合適的4-20mA電纜，通常布置在導(dǎo)管內(nèi)，成本為每英尺20美金，已經(jīng)超過了大部分的變送器自身的價(jià)格。
無線系統(tǒng)節(jié)省的其他成本包括額外的I/O卡和用來標(biāo)示如何走線和連接的額外的圖紙。
經(jīng)驗(yàn)表明，無線技術(shù)能夠提供一種性價(jià)比較高的解決方案，用戶能夠節(jié)省50%或者更多的布線安裝成本。而且，一旦某一站點(diǎn)安裝了無線網(wǎng)絡(luò)，那么其他支持無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備就可以極為快速地完成安裝，提供連續(xù)監(jiān)控，或者臨時(shí)用來進(jìn)行故障排查，亦或者用來識別特定問題。你的成本和節(jié)省數(shù)額根據(jù)空余布線的數(shù)量、距離和其他因素的差異而有所不同。
圖3 使用有線HART 設(shè)備時(shí)采用的工具和技術(shù)人員的方法也同樣適用于WirelessHART。當(dāng)加入有線的工作環(huán)境時(shí)，這種特性能帶來更多用戶友好的體驗(yàn)。
一臺WirelessHART網(wǎng)關(guān)的價(jià)格相當(dāng)于幾臺變送器的價(jià)格，一臺網(wǎng)關(guān)可以控制100到250臺變送器。
可靠性如何？
對于無線安裝的一項(xiàng)主要擔(dān)心就是可靠性。信號依靠無線電傳播，如果工廠具有很多儲罐或者其他罐體還有很大數(shù)量的金屬制品構(gòu)成管道和支撐結(jié)構(gòu)，信號的傳播是否會受影響？無線電型號如何在這迷宮一樣的環(huán)境中傳播而不受影響？
WirelessHART技術(shù)提供了這種解決方案。由于系統(tǒng)被配置成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：每一個(gè)變送器都與相連的變送器保持連續(xù)通訊。如果某一臺變送器不能夠直接將信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)就會將信息從一個(gè)變送器發(fā)送給另一個(gè)變送器，直到信息到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)內(nèi)的這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是自配置式的。如果新增了一臺變送器，系統(tǒng)自動計(jì)算如何以最高效的方式從這臺設(shè)備發(fā)送信息到網(wǎng)關(guān)。如果有任何改變發(fā)生——變送器被拆除維護(hù)或者增加了物理阻隔——網(wǎng)關(guān)就能夠連續(xù)并且自動地重新配置網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)維持連續(xù)通訊，包括主通訊路徑和輔助通訊路徑。因此，WirelessHART技術(shù)的點(diǎn)到點(diǎn)可靠性通常高于99.9%。
網(wǎng)關(guān)和設(shè)備將會以最可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊。設(shè)備可以采用點(diǎn)到點(diǎn)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者二者組合的方式與網(wǎng)關(guān)通訊。。對于變化快速的過程應(yīng)用（例如1秒更新），通常使用點(diǎn)到點(diǎn)通訊來減少延遲。
安全性如何？
針對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)常會考慮的一個(gè)問題就是安全性。有沒有方法能夠阻止某些人窺視變送器的信號，甚至某些人給變送器引入錯誤數(shù)據(jù)？這樣的安全入侵會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致一次災(zāi)難性事故。WirelessHART通訊的設(shè)計(jì)人員預(yù)測到了這種情況，引入了多層安全機(jī)制，包括使用高階加密標(biāo)準(zhǔn)（NIST標(biāo)準(zhǔn) FIPS-197）的端到端128位加密法。網(wǎng)關(guān)還提供鑒定、確認(rèn)、設(shè)備密鑰管理、用戶登錄和行為日志功能。
現(xiàn)場設(shè)備第一次上電時(shí)，網(wǎng)關(guān)會發(fā)送給這臺設(shè)備一個(gè)加入網(wǎng)絡(luò)的邀請，包括獲得設(shè)備特定編碼，此編碼基于網(wǎng)關(guān)和設(shè)備的不同特性。確保網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場設(shè)備具有匹配的密碼（連接關(guān)鍵字）和網(wǎng)絡(luò)身份識別信息。后續(xù)的雙向通訊由網(wǎng)關(guān)實(shí)施嚴(yán)密監(jiān)控。
圖4 無線設(shè)備可以使用與有線設(shè)備相同的傳感器控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，所以在使用它們時(shí)你可以期待相同的性能和可靠性。
如果現(xiàn)場設(shè)備準(zhǔn)備好向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，它先將數(shù)據(jù)包加密，將其分層，通過WirelessHART鏈接將其向網(wǎng)關(guān)發(fā)布。網(wǎng)關(guān)能夠識別出發(fā)送設(shè)備，解密數(shù)據(jù)包，公布設(shè)備，在受保護(hù)的層級給數(shù)據(jù)打包（如果你需要，給數(shù)據(jù)增加一個(gè)保密外封裝），然后將其發(fā)送給主系統(tǒng)。
如果現(xiàn)場設(shè)備不能與網(wǎng)關(guān)直接連接，但是可以通過另一臺設(shè)備與網(wǎng)關(guān)連接，例如中繼站，發(fā)送設(shè)備就會給數(shù)據(jù)增加外封裝，通過中繼設(shè)備找到網(wǎng)關(guān)。中繼設(shè)備會將自己的數(shù)據(jù)包封裝后，再將其發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，后者對其進(jìn)行識別和解封www.cechina.cn，顯示原始的數(shù)據(jù)包。
無線并非是對有線設(shè)備的簡單替換
無線現(xiàn)在已經(jīng)無處不在，帶來了巨大的進(jìn)步，目前在全世界的精煉廠、石油開采現(xiàn)場、海洋平臺、化學(xué)工程、儲罐廠、水和污水處理中心以及其他工業(yè)設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用，其低成本和可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠優(yōu)化作業(yè)、改進(jìn)工人的健康狀況、減少排放和其他環(huán)境的沖擊。
無線網(wǎng)絡(luò)對于人員安全有其先進(jìn)性：在系統(tǒng)中增加一臺新的現(xiàn)場設(shè)備意味著有更多的數(shù)據(jù)將會發(fā)送給控制室，最小化了手抄數(shù)據(jù)的必要，使工人與危險(xiǎn)的儲罐保持距離。
增加無線系統(tǒng)對于環(huán)境也頗有益處。通過對外溢和泄漏進(jìn)行有效的監(jiān)控能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)保要求，避免由于整改產(chǎn)生的高昂成本控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，甚至是“惡性事件”，還可以通過儲罐密封來控制排放。
其他考慮
已經(jīng)論述過的內(nèi)容大多數(shù)都是針對無線變送器，但是在某些情況下無線技術(shù)也可以應(yīng)用在控制閥和執(zhí)行器上。這種類型的安裝適用于那些無線系統(tǒng)（更新率可以設(shè)置成每秒1次或者每小時(shí)1次）的更新率不是很關(guān)鍵的場合。在全世界已經(jīng)實(shí)施的1萬例此類應(yīng)用中，大多數(shù)都是有線和無線現(xiàn)場設(shè)備的混合應(yīng)用。低成本和快速安裝促進(jìn)了這種技術(shù)的快速采納，在工廠擴(kuò)建中這種技術(shù)已經(jīng)成為了一種常見選擇，因?yàn)槠淠軌蚪档陀捎谶^程中斷帶來的經(jīng)濟(jì)損失。在老式工廠的環(huán)境中也頗為普遍ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，因?yàn)樵黾覫/O或者升級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來并不是很容易。
如果要對那些新增設(shè)備布線成本過高的工廠區(qū)域?qū)嵤┍O(jiān)控的話，無線技術(shù)還有其他額外的優(yōu)勢。例如，從一臺非關(guān)鍵位置電機(jī)處獲得振動信息能夠極大地降低后期維護(hù)成本ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，而如果采用有線方式來實(shí)現(xiàn)，成本相比就過高了。而且無線設(shè)備可以便捷地從工廠的一個(gè)地點(diǎn)移動到另一個(gè)地點(diǎn)，對有可能發(fā)生故障的區(qū)域?qū)嵤┒ㄆ跈z查。這種便攜的特性區(qū)別于有線設(shè)備，可以更高效地利用過程廠商的固定資產(chǎn)。
WirelessHART設(shè)計(jì)簡單，專門為工廠環(huán)境中的操作人員和維護(hù)人員所設(shè)計(jì)。那些已經(jīng)在傳統(tǒng)有線HART應(yīng)用中有些許經(jīng)驗(yàn)的人在接納WirelessHART上不會有任何困難。這是一種簡便、快捷和經(jīng)濟(jì)的擴(kuò)展測量和控制能力的方式。
