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现实世界中的无线

在过程自动化中使用无线传感器技术终于走出实验室进入工厂。人们仍然不愿意公开公开使用它。

真的

无线技术在制造业监控方面的吸引力很强。你可以接触到移动或遥远的设备,使硬线路不切实际。你可以集成一些系统,这些系统的物理布局、过度填充的电缆托盘或昂贵的挖沟,意味着有线替代方案加起来比无线电波花费更多。通常,添加设备的速度比使用连接快,至少在您的情况需要新的连接时是这样。

也就是说,目前看来,把名字和具体细节联系起来是很困难的。很少有人愿意在申请中写上自己的名字。公平地说,无线控制和监控提供了以前没有做过的事情的方法,这一事实影响了这种情况,一些人担心说出来可能会失去竞争优势。另外,虽然很多安装都是相对固定的,但至少对于被要求谈论这个问题的公司来说,相当多的安装实际上正在进入新的领域。在点滴的共同经验凝聚成一个或多或少公开的知识体系之前,人们有权对公众的目光感到有点不确定。

但无线技术确实在发挥作用,主要表现在三个方面。第一种是长期以来对点传感器或现场仪器使用无线电监测,广泛分布系统,从电网到各种制造环境中的远程传感器监测。虽然这些都是非常有用的(而且很多已经使用了很长时间),但它们往往是单向的设置(从传感器到控制系统),通常并不复杂。

第二类包括那些将无线电变成虚拟线路的装置,也就是说,在控制器或计算机网络中,无线传输正在取代有线通信。从自动化工程的角度来看,这些更有趣一些。

最后,由于技术所提供的新功能,人们普遍向新类型的应用程序(或者至少是新类型的好处)发展。就像孩子们拥有新玩具一样,工程师们也找到了扩大信封的方法。

不过,即使是最基本的分布式无线电到传感器的设置也有一些有趣的缺陷,主要是因为高度聚焦的芯片越来越多。此外,自组织广播网络或“网状”网络等基础设施元素有助于快速部署。正如位于加州Hayward的无线芯片供应商Dust Networks公司的市场开发总监Robert Shear所说的,“WirelessHart和(即将到来的)ISA100标准涵盖了可靠性和安全性问题,自组织(无线电传输)网络增加了工厂人员所需的灵活性。无线传输总是会有潜在的中断,让每个传感器都有能力寻找和锁定每一条可能的路线,这意味着数据可以不受阻碍地传输。”

艾默生过程管理公司的一个海上石油收割机客户提供了一个例子,说明了自组织网络的优势。艾默生是一家总部位于德克萨斯州奥斯汀的过程控制供应商,其许多无线传感器都采用了Dust Networks技术。在挪威海岸,一个碳氢化合物收集器的石油钻井平台需要监测井口环空压力和热交换器压降。时间压力增加了挑战——当硬连接时,监测的变化需要两天时间才能实现。无线安装需要两个小时或更少的时间进行更改,自组织网络可以立即连接到位于钻机一侧上方的无线网关。安装前的关注点集中在平台密集的管道和迷宫般的金属结构元素上:它们会干扰射频(RF)传输吗?

实际上,没有任何问题,因为传感器很容易将自己路由到接入点。仪器工程师对无线技术的态度从坚定的试探性转变为对将传感器安装在任何需要位置的能力充满信心,钻井平台的无线网络也在继续扩大。

在石油钻井平台上使用的小型、低成本的无线设备的开发中,定制芯片的长远影响很难高估。Dust Networks提供嵌入在艾默生设备中的单个芯片。该芯片结合了完整的低电流射频电路,只需要一个天线连接器,以及自组织网络功能,使其不仅可以作为终端,也可以作为路由器。

通过类似的方法,但关注点略有不同的是,ConnectOne的符合wirelesshart的iChip系列提供了以太网无线保真(Wi-Fi)、串行通信功能,甚至内置Web服务器,这意味着任何现有的具有串行通信功能的设备都可以打给任何浏览器。阿米特•雷什最近刚从位于菲尼克斯的ConnectOne公司的研发部门(R&D)升为业务发展副总裁,他指出:“我们认为,当最后一英里或最后一米都是wi - fi时,现有的互联网协议会让事情变得更容易。”

ConnectOne的芯片已经被嵌入到各种非工业产品中,包括医疗诊断设备,甚至监控西斯廷教堂(Sistine Chapel)湿度和温度的设备。更实际一点的(和过程相关的)是食品加工厂的一个应用程序,它监视洗手设备,以帮助加工厂确保其人员符合危害分析和关键控制点(HACCP)标准。另一个ConnectOne客户即将发布一个卡车车队管理产品。

Resh说:“当您可以将远程机器转换为一个报告10个、20个、30个或更多实时参数的网站时,您就获得了灵活性。”而且,尽管这个概念可能不是在市中心度过一天假期的理想方式,“它可以到达任何地方。如果你愿意,你可以进入任何一个互联网café,并监控和控制到你想要的内容。”

Dust的Shear补充道:“当基本的网络是可靠且容易组织的时候,你就可以释放工厂人员的创造力和专业知识。他们开始问,‘现在我可以连接了,我可以使用哪些新的信息块?最终用户拥有价值时,技术才是最有价值的。”

就像遥感世界不断更新标准和新的嵌入式芯片和技术一样,我们的第二类,无线电作为虚拟线路,继续扩大。“这往往是一个闭环控制不是关键的领域,”Jeff Becker指出,他是过程自动化供应商霍尼韦尔过程解决方案的全球无线总监,位于凤凰城。“显然,无线技术在难以连接电线的地方很好,但它是一项有许多其他用途的技术。我们有一个客户使用无线来记录和监控OSHA(美国职业安全与健康管理局)安全淋浴设备,如果这听起来不算多,结果是他们节省了100万美元的运营和合规成本。”

“无线线路”类型的应用程序允许过程控制网络的快速扩展。“绿地工厂的网络显然可以从任何可行的网络方法中受益,但现有设施的扩展是无线技术的沃土,”贝克尔说。他举了一个炼油厂客户的例子,该客户通过这种方式将其油库直接纳入了自动化网络。“他们已经安装了光纤环与堆芯相连,”他解释说,“但坦克场在设施的边缘,他们对在没有记录的土地上挖沟感到紧张。最初对无线计划起决定性作用的是,挖沟和拉伸光纤的交付时间很长。”安装节省了数十万美元,随之而来的是对调度和库存控制的增加。

炼油厂在先进的混合和移动应用中需要高可用性和可靠性的监督控制。工厂周围的长距离和丘陵地形是潜在的吞吐量问题。在无线网络实现中,霍尼韦尔提出了无线容错以太网(FTE)网络。霍尼韦尔的FTE建立了两条活动路径,在两者之间分担负载,并能在多个故障中存活。

为了确保设备和系统消息(包括警报)的高吞吐量,系统设计者能够减少无线跳数,以避免山丘和高密度金属建筑。霍尼韦尔通过有线以太网连接两个多节点无线网络,允许两个单元一起工作,以消除跳点或桥接点的吞吐量损失。

节省和易于实现只是无线技术的一个要素——一些最有趣的无线应用是终端用户能够做新事情或在操作上做出根本性改变的应用。是的,无线技术使人们能够连接到难以到达的设备,但就其本身而言,更多的数据并不一定是一种进步。另一方面,使用新数据来改进流程绝对是一个加分项。

完成这一任务的并不总是最复杂的机构。艾默生过程管理公司的一个客户,一个钢铁精炼厂,安装了无线控制冷却水喷洒。以前,水的流量是由人工控制的,基于视觉判断;现在,无线水流计可以对冷却过程进行科学控制。一旦对该过程进行了测量,操作管理人员发现,最佳水流与之前假设的有很大不同。结果呢?通过更好的水控制,该工厂大幅减少了线圈报废。

此外,该应用使工厂能够为不同的钢表运行建模过程控制方案,这将允许在需要时对线圈加工冷却水进行精确校准。

在第二个轧机的应用中,无线压力监测确保跳动台上的轴承润滑系统正常工作,防止轴承发作,以免损坏在运行台上移动的钢材。

另一个完全不同的无线应用程序是霍尼韦尔的一个客户,该客户用无线移动控制站取代了剪贴板和对讲机,但通过新功能实现了同样的启用。在使用剪贴板的日子里,当操作人员在工厂里巡视时,需要额外的人员进入控制室,既要看屏幕,又要处理对讲机流量。

有了无线移动电台,操作人员现在可以在工厂的任何地方直接获得控制室的视图。贝克尔说:“他们可以完全控制视野,包括所有的屏幕和警报器。”“我们的客户能够重新部署待命操作员,并顺利开展业务,每年总共节省了超过20万美元。”

在另一个应用中,一家航空航天制造商在将打滑的设备从一个作业转移到另一个作业时,遇到了将设备引入控制网络的延误。该公司能够通过无线网络将滑板接入网络。以前,当滑块放置后连接时,会浪费宝贵的生产时间;现在,一旦滑块被重新安置,生产几乎就开始了。

所以,节省是存在的,技术是有趣的——什么是最好的方法来实现它?
无线技术的实现,即使是最简单的具有自组织无线电网络特性的安装(在另一个世界中,设备相对来说是即插即用的),也得益于战略思维。

从多个供应商那里听到的初步考虑需要集中在工厂整体无线情况的两个方面。最佳实践的初始步骤是执行现场调查,以评估信号可能已经存在的位置。在该地区搜寻现有信号已成为一种必要的做法,因为可能会有来自计算机控制的设备、邻近建筑物和工厂的无线装置、以及无文件和未经授权的实现的射频产生。霍尼韦尔的贝克尔解释说:“频谱分析可能会有很多出人意料的结果。“未经授权的热点正变得越来越普遍,因为任何有电脑的人都可以去盒式商店,挑选非常便宜的无线枢纽或接入点,在没有IT(信息技术)参与的情况下建立自己的私人无线网络。”

第二项初步活动是对明年及以后可能使用无线技术的地方进行最佳猜测。
确定未来的需求是复杂的,因为无线技术有一种流行的方式;可伸缩性很快就会成为一个关键问题。贝克说:“无线技术有一种迅速扩张的方式。”“人们最初安装它是为了解决一些迫切的需求,看看它是如何工作的,然后开始发现如何在这里、那里和任何地方使用它。最好从一开始就考虑广泛的多功能系统,即使现在,你认为你只想读取一个难以触及的传感器。”

特别是,快速扩张可能会造成传输频带和信道过剩,因为正如贝克尔所说,“你可能会在未经计划的突袭中很快耗尽频谱。”最好尽早制定频谱分配的指导方针。”

另一个重要的考虑因素是可用性,它可能与可靠性不同。这项技术已经足够成熟,可以确保——嗯,几乎可以确保——无线电能够正常工作
设计精良的设备将继续播出。问题是,他们(和他们的广播网络)是否总是能够及时传输必要的数据?“在流程应用中,实时或接近实时的可用性是至关重要的,”Becker指出。“是的,通常可以保证数据会到达目的地,但如果它晚了半小时,就会有严重的后果。”

一个相关的问题是理解速度的权衡。快速、高带宽传输(如工业以太网、控制或移动工作应用程序所需的传输)有一组网络需求,不同于较慢、节省电池的传输模式。即使是一台设备也可能有多种速度要求——对正在进行的运行数据有相对较慢的速度要求,对报警和警报有实时速度要求,或者根据需要进行更新。“在一个理想的世界里,你应该设计一个具有多种速度的网络,”贝克尔说。“这样,你就可以灵活地直接匹配应用程序的功耗和速度要求。”

与专有的无线设备相比,基于标准的设备承诺更容易集成多源设备,也更容易实现。Becker断言,任何选择用于工业工厂的系统都应该支持Wi-Fi和有线以太网,并有迁移到ISA100标准的路径。

在硬件方面,基于芯片的嵌入式无线释放了设备的初级电路,使其完全专注于特定的控制策略。ConnectOne的雷什表示:“芯片让设备开发者可以专注于设备功能,腾出设备cpu(中央处理器)来完成手头的任务。”“芯片可以卸载传输元素,包括运行时无线电需求或以太网和互联网连接。”

即使您当前的需求只要求相对不敏感的传感器读数,也要为未来的开环控制需求做好计划。Becker指出:“使用可控制的系统进行监控要比将来被迫升级仅用于监控的系统容易得多。”

对于电池驱动的设备来说,预测电流损耗从而确定维护间隔的方法是至关重要的。为意外更换电池而停机并不是分配生产时间的最佳方式。

“应用程序接口通常由各自的部门驱动,”Becker说。许多用户希望将来自无线设备的信息引入到现有的遗留应用程序和协议中。能够轻松地与遗留应用程序建立网络是理想的,它允许网络为整个操作服务,而不仅仅是单个部门。”

植物会经历环境的变化,而且由于无线可能会受到瞬时视线问题的影响,因此实现需要考虑交通、雨雪等因素。在一个安静的日子里,在阳光明媚的日子里进行安装可能会变得困难,因为一群卡车正在驶入码头,或者下午的雷雨袭来。

网络安全是一方面,也是由任何标准控制的一个因素,但无线电安全是最后一个考虑因素。贝克尔警告说:“如果你住在人口密集的地区,记住任何房屋结构都可能有相当大的消费盒-商店无线网络。”“在这种情况下,你需要在天线设计上有更多的选择性,你需要使用定向技术,尽可能多地向内发送自己的射频。”

最后一句话吗?不会有很长一段时间

无线工业和控制网络已成为现实,但该技术是否已经成熟?没有单一的答案。无线电技术是成熟的,这是毫无疑问的。频谱和网格管理是新旧结合的产物。生产人员一个接一个地亲身体验无线技术,大多数人即使不是彻头彻尾的传播者,也至少是皈依者。如果工业无线遵循IT和消费无线的道路,那么我们就处在爆炸式扩大生产方式的边缘。但是——只是注入一点现实的寒意——制造不是一个小故障或恼人的头痛可以长期忍受的领域。如果无线设备能够避免这些问题,它们将蓬勃发展。请继续关注。

收听加里·明切尔与Dust Networks首席技术官克里斯·皮斯特的播客对话www.automationworld /视图- 3875霍尼韦尔的杰夫·贝克尔www.myenum.com/view - 3697

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