本文中，Jim Montague探讨了与日俱增的常规过程控制应用如何采用工业无线技术，从而达到节省电缆、保障附加信号并从电线无法到达的点位传输回数据的目的。

        通信畅通即为关键。只要连接稳定且数据传输成功，通信在电缆或空气中发生皆可。幸运的是，如今多种技术都可以保障通信。无线设备和手段日益成为过程监测、数据采集、自动化甚至控件，如传感器、I/0点、硬接线、PLCs和DCSs等的常用方法。工程师、操作员和其他工人使用它们就像每天都使要用牙刷、干净袜子和车钥匙一样频繁。

        然而，许多潜在用户对于无线发射器、天线、现场勘测和无线协议仍然陌生。因此，下文列举的如何采用无线技术解决稀松平常却使操作头痛不断的问题对此极有帮助。

解决常见问题

        譬如：伦敦附近Thames Power Services 1,000-MW Barking电站最近安装了35个艾默生过程管理公司提供的Rosemount 708声波发射器，用于找出更多故障疏水阀、泄漏或异常的阀门、造成严重损失的锅炉管泄漏，并减少蒸汽流失、送水成本和停机时间。

      若疏水阀故障或出现泄漏，发射器中的声波设备将报告声音与温度的改变，根据配置将警示操作员出现了潜在问题。Barking电站高级控制系统工程师Ian MacDonald汇报说，发射器通过识别高压过热疏水阀的泄露及时发挥了作用，避免它每日停工造成的1400英镑损失。

       “提升过程性能意味着了解整个厂区内发生的任何问题且能迅速自如应对，”MacDonald解释道：“无线技术让我们能够在任何位置快速且经济的加入更多测量点，从而搜集更多信息，识别潜在的故障。”

       随后，Barking电站又在其它存在问题的区域安装了15个声波发射器进行监测，这些问题包括启动阶段可能卡止的排气阀，位置错误的卸压阀等。以前采用人工监测，抛开耗时不论，还无法指出何时或为何出现泄漏，增大了安全、监管和环境事故的风险。新的无线设备能够进行精确检测，即使阀门仅开启短短一秒钟也能向操作员报警。

       然后数据传输至Barking电站已有的艾默生Ovation控制系统，该系统将噪声级按趋势划分，用于识别逐步的变化。从而便可在普通非高峰时段安排维修，保持厂区最大可用性，避免强制停机。

       相比一一有线接入，利用现有无线网络能在成本更低的情况下加入更多设备。于是便有机会监测厂区内曾经由于费用不足无法监测的区域，如识别文氏喷管堵塞时，通常利用进口/出口压力差产生吸力并迅速混合注入物。

     图注：为减少蒸汽流失、送水成本和停机时间，伦敦附近的Barking电站采用无线声波发射器来定位故障的疏水阀、泄漏阀门和锅炉管泄漏。

      “已安装了艾默生 Smart Wireless Thum适配器，以便访问现场装置的滞留Hart诊断数据，我们很熟悉Smart Wireless，” MacDonald补充道：“电池供电的无线装置具备机动灵活性，不但可以试运行，且无需临时电缆也能将更多的装置移动到不同区域中去。从而早期辨识出问题，增强对故障设备的响应，完善规划并充分利用维护资源。”

      图注：Barking电站无线设置中的数据传输至艾默生 Ovation控制系统中，该系统将噪声级按趋势划分，用于识别逐步的变化。

寻求最符合方案

      或许探求无线技术道路上最可贵的品质要数研发、设计和实践最有效方案时付出的耐心和弹性。

      譬如，加州威明顿Valero Energy炼油厂的工程师数年前引入了第三方点对点无线系统，扩展了过程检测性能。

     然而据该公司过程控制系统副协调员Rick Felix所言，这一系统过于繁琐，传输数据耗时过长，他们在寻求性能增强的无线工具时，于2009年采用了霍尼韦尔过程解决方案的OneWireless全站系统，至此不断通过自定义来改变该系统，用以配合自身应用，不断提升性能。

        Felix说：“炼油厂装置通常分散于辽阔的区域之内。厂区一般需要监测应用中多点的信息，其中包括水平、流量、压力和气体探测。这些应用测量点安装费用的九成都用于电缆管道和相关建设”

       “无线技术能在不影响常规运作的情况下，轻易获取最遥远和最难接近位置的定点测量信息成为可能。无线系统能在原本被认为不切实际的区域持续且稳定的工作，各I/O使用无线成本更低，证明项目无需有线发射器。”

     再回到有线方面，最先威明顿电站采用的是霍尼韦尔 TDC 2000 DCS，随后不断升级又加入了TDC 3000设备，而传统美国电站则更新为Experion PKS，带有新型HMIs，图标站和Experion服务器。最近炼油厂升级为C300控制器，用于搅拌控制。

       该厂1969年试运行，1982年扩大规模，增添了烃化和流化床催化裂化(FCC)装置。它的产量占南加利福尼亚州沥青需求总量的15%之多。同时，威明顿OneWireless R200装置包括霍尼韦尔的Wireless Device Manager (WDM), Field Device Access Points (FDAPs) 以及 XYR 6000无线发射器。

     由于Valero和威明顿厂区都是采用无线技术的先驱，他们积累了许多宝贵的经验。例如，厂区初始无线发射器和多节点都由霍尼韦尔安装，随后移交Valero进行日常维护和扩展。

       “我们的员工也遇到了许多问题，比如由于天线包裹不善，无法承受天气情况或者电缆受到侵蚀导致的信号强度太弱，” Felix解释：“对多节点进行编程时也经历了不少挑战。”

      2012年8月，威明顿进行了新一轮的现场勘测，并将OneWireless R120系统升级为OneWireless R200。FDAPs取代了多节点，而R200和WDM提供了更好的系统稳定性和连接性，以及敏锐且以网络为基础的用户界面。它们共同使得用工业标准协议将无线网络和厂区控制系统整合于一体成为可能。

      迄今为止，威明顿活跃的OneWireless网络包含30个无线发射器，11个FDAPs，2个有线连接DCS的FDAPs，以及通过串行Modbus与霍尼韦尔 DCS相连的WDM。“R200调配更加迅速，使发射器的故障排查耗时更短，” Felix补充说：“使用R200系统后证明，相对之前的R120而言，它需要的人力更少。” 

       图注：在加州威明顿Valero炼油厂，Honeywell OneWireless系统不仅无需有线设施的高昂成本，还能将宝贵数据整合入控制系统和先进应用之中。

        尽管FDAPs需要电力，但它们能进行信息路由选择，因此用户可将无线装置与控制网络相连，并获取现场数据。它们还能创造安全、符合ISA100要求的现场仪表无线网络，在网络中仪表互相通信，并将附近现场装置的信息按路径发送至控制器上。

        同理，WDM使得网关和安全管理器能保障现场和厂区仪表间通信的安全。支持以网络为基础的用户界面，具备基本IT知识的过程及现场工程师皆能快速设置无线系统，也减少了无线装置网络试运行、监测和故障排查的时间。

       “OneWireless帮助我们优化了厂区作业流程和稳定性，提升了安保性能且保证了对监管要求的服从，”Rick Felix说：“它的优势不仅是免除了电线带来的成本，核心在于它将宝贵数据集成入控制系统和先进应用之中，同时还能与其它联网应用共享这些数据。现在许多项目都逐渐成为可能，比如采用控制输入的短程点对点等。”

水处理走向无线

       相比基础过程控制，无线的一个最大特点即是已受到市政应用，尤其是用水和污水处理的广泛采纳。

       挪威最大城市奥斯陆市公共工程部门目前用connectBlue的蓝牙无线维护和操作装置替换了花费巨大的操作面板，这些面板安装于数百个控制整个城市用水和污水处理的泵站中。

      这些蓝牙装置为设施的ABB ITTM AC 800C控制系统提供了以太网界面和网页服务器通路，从而处理自定义网页中的数据，本地动态数据记录和城市广域网通路。

      此外，这里的技术员还能利用掌上蓝牙维修机器，现场对各泵站进行调整和重编程，且蓝牙与整个控制系统相连。将AC 800C连于WAN后，技术员还能在各泵站自动将软件变化储存于WAN服务器中，去到下一泵站前，他们无需再返回控制室下载程序调整值。

      同样，地区水管理协会Aggerverband最近在水管理承包商HST Hydro-Systemtechnik的帮助下，成功在德国Genkel 200 x 41米的大坝和Gummersbach和 Meinerzhagen 8百万立方米饮用水水库安装了自动化作业设施。

      用于监测取水量、水平面、温度、蒸发量、风速和随时查看基底引起的大坝物理变化，Genkel全新过程控制系统需与12个站点相连，其中包括位于水库中央的“测量筏”以及监控数个大坝的Aggerverband中央控制室。

       因此，12个站点中， 11个安装了Beckhoff Automation BC2000带PLC功能的总线终端控制器，通过长1.5km的Lightbus环路和倍福ADS TwinCAT数据传输协议进行联网。访问测量筏则需通过倍福 KN6551无线终端，这是一个以IEEE 802.15.2为基础的太阳能无线电线路。

无线的建立与投产

       尽管各应用有各自不同的需求，无论在任何过程或厂区中运用无线技术仍有如下基本步骤：

     1. 调查过程应用基本运行和性能的需求，根据需求找到正确的无线解决方案。

      2.共同评估现有有线和无线网络，并对整体通信集成计划进行升级。结合上述功能需求，帮助选择适宜的无线设备。

      3.完成全面的无线现场勘测和无线电频率(RF)评估，从而确定应用和厂区自然环境以及可能的干扰源，如建筑、钢墙、地理特征和距离问题等。

      4.测试并选择最适合的天线，并将其置于最稳定的覆盖范围内，传输和接收最优信号。

      5.初期，在小型非关键试点项目中运用无线技术，检查独特的现场特点和问题。确保无线装置可根据应用需求的变化进行调整和移动。

       6.安装并铺设出能满足应用目前需要的无线元件和网络，但也要为后期数据扩充和设备扩大留出空间。

      7.教授员工所需的安装、维护和故障排查技能，才能从全新的无线系统中充分获益。

      “这些终端采用2.5 GHz带宽，能轻易整合于总线终端系统中，” HST 的IT系统产品经理Frank Huetger介绍说：“定向天线能保障无线电线路的稳定。”

必要时修正

       对许多地区而言，无线相对来说还是新兴技术。当它在发展中出现缺陷时，守旧的人立刻借机进行责难甚至罢用。因此无线技术亟需的是甘愿反思、重新调整和更新元件、设计及布局的心态，只有这样才能达成稳定的通信。

      例如，St1 Energy炼油厂地处瑞典哥德堡海湾地区，采用艾默生Rosemount油罐液位计设备和有线无线元件混合进行水平及温度测量。它不具备控制室直接访问智能无线网关的能力，智能无线网关以WirelessHart (IEC 62591)标准为基础，从无线现场网络中收集数据。然而讽刺的是，此前技术员必须进入现场查看，才能监测无线网络状态和进行配置。

      于是St1采用了艾默生以Wi-Fi为基础的渗透式现场网络(PFN)解决方案，用无线将控制室和网关相连。St1的PFN包括三个ProSoft Technology RadioLinx工业室内热点装置，以及它三根与它们相连的远程室外平板天线。

       图注：St1 Energy炼油厂地处瑞典哥德堡，利用roSoft Technology RadioLinx的工业热点装置，使操作员能从控制室访问无线现场网络。

       第一个热点与网关相连；第二个发挥重发器作用，抵达视距并转发数据；第三个位于St1控制室内，形成Wi-Fi区域。

       这种布局使操作员在控制室任意位置皆能通过装有AMS Wireless Configurator、AMS Wireless Snap-On和/或TankMaster软件的笔记本电脑访问炼油厂无线现场网络。事实上，Snap-On软件能为用户展示油罐区、网络装置和它们各自状态的图像概观。

        同理，澳洲昆士兰Sunstate Cement近期斥资8500万美元将产能扩大至150万公吨，并在三部卸船机与四个接入点之间安装了无线局域网(WLAN)。但WLAN出现故障，导致卸船机无法回复主控制器发出的通信。

        图注：西门子Sinema E（Simatic网络管理器工程）等软件能实现工业WLAN应用的高效规划、模拟和配置。

       “起初，Sunstate Cement认为问题出在西门子的无线设备上。即使距WLAN接入点仅数米，信号强度也十分弱。主控制器和卸船机上的三个RTU PLCs通信出现信号丢失，” 西门子澳洲网络产品经理Falk Holman介绍说：“而我发现初始安装人员未进行任何WLAN信道规划，由于四个WLAN接入点间通信量不协调，因此存在大量冲突和干扰。”

        Holman解释说采用空分多址(SDMA)或频分多址(FDMA)过程都能避免访问冲突。他还补充道，安装前使用西门子Sinema E等WLAN模拟软件能提升通信性能。“我们还发现厂区人员安装了5-GHz天线，却将网络配置成2.4-GHz的频率范围，” Holman说：“而且接入点天线安装于构架之下，位置过低且紧邻实心水泥墙。因此网络选择5-GHz后，重新为各接入点和对应卸船机分配信道。”Holman表示Sunstate户外应用网络信道可用范围为149至165(5,745 MHz至 5,825 MHz)。然而信道的交叠为2-MHz，故他将信道安排成临时顺序，从而防止干扰。

        第二轮测试采用Cisco频谱分析仪进行，显示信号强度稍弱(-70 dBm 或 48%)，而信号质量大幅上升。

       “不幸的是，仍然出现了通信信号丢失，” Holman说：“还有什么地方出错？为什么强度只有48%？我们发现安装员采用了全向天线，增益高而垂直波瓣过小。当卸船机停靠时，由于装配位置高度差太大，天线几乎无法获得视距。天线之间也安装得太近。建议采用20倍波长作为间隙，天线分集才能处于5-GHz无线蜂窝中。而在带式输送机下放置两根接入点天线同样毫无帮助。”

       于是，Sunstate将天线从2米升至5米高，并重新布置了冗余的电缆。“我们发现5米多余的电缆被塞在1米的信道内，这样可能造成电缆衰减，” Holman又说：“所幸将天线从开销构架中移开并升高时，多余的电缆派上了用场。”

       做出上述校正并采用西门子iPCF快速漫游功能后，Sunstate的无线系统终于能按设计一样顺畅运作了。Holman反馈说该系统已经未终断的运行了12个月以上，期间未进行任何更换或加入硬件。