測(cè)量與采集新的過(guò)程數(shù)據(jù)

“我們做出戰(zhàn)略性的抉擇，從客戶可以快捷方便地獲得回報(bào)的地方開始，”在談到幾年前開發(fā)的儀表級(jí)無(wú)線自組織解決方案時(shí)，艾默生過(guò)程管理無(wú)線技術(shù)副總裁BobKarschnia 這樣說(shuō)道：“這是由于現(xiàn)場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)非常容易安裝，可以給企業(yè)帶來(lái)可觀的價(jià)值，而且無(wú)需考慮工廠層面的儀表基礎(chǔ)設(shè)施。”

然而，無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并不只是不同類型的變送器，而是在技術(shù)上真正有所突破、并且切實(shí)可行的產(chǎn)品。正如艾默生過(guò)程管理首席戰(zhàn)略官Peter Zornio 指出：“無(wú)線技術(shù)的大面積推廣有賴于它能真正意義上讓用戶毫無(wú)障礙地拓展信息渠道并有效地管理這些信息流。無(wú)線技術(shù)的新功能得到充分使用后，可以完善工廠的工作流程和操作實(shí)踐。這是新技術(shù)的生命力所在。”

確實(shí)，長(zhǎng)期以來(lái)，過(guò)程控制戰(zhàn)略受到以下儀表成本的約束而進(jìn)展緩慢：變送器本身、安裝成本和時(shí)間、以及中央控制室和分散型控制系統(tǒng)(DCS)輸入/輸出(I/O)硬件的連接電線電纜等。近年來(lái)，隨著I/O成本的不斷下降，投入變送器的費(fèi)用已逐步減少，但是從設(shè)備到控制系統(tǒng)的接線仍然是一種限制因素。

“無(wú)線設(shè)備安裝時(shí)間一般只需要2 小時(shí)，而有線設(shè)備則需要2 天。” —— Geir Le on Vadheim(StatoiHydro 公司)

這是一個(gè)多么驚人的限制性因素!由于巨大的電線電纜成本所限制，過(guò)去我們只得放棄對(duì)許多輔助過(guò)程變量的測(cè)量。今天，無(wú)線技術(shù)解決方案可以使用戶只需少量投資，便可以訪問以前迫于經(jīng)濟(jì)條件而無(wú)法測(cè)量的變量和過(guò)程參數(shù)。按使用有線技術(shù)測(cè)量來(lái)計(jì)算，無(wú)線技術(shù)解決方案的安裝成本估計(jì)可以節(jié)省近90%。

快捷方便地增加新的測(cè)量點(diǎn)

在 SatoiHydro 公司的Grane 號(hào)海上鉆井平臺(tái)上(上圖)，一大批無(wú)線變送器通過(guò)快捷方便的安裝，在嚴(yán)酷的工作環(huán)境中正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)對(duì)客戶的短期培訓(xùn)，我們的儀表工程師非常自信地表示：可以按客戶要求，在現(xiàn)有條件下再安裝更多的無(wú)線設(shè)備。“無(wú)線設(shè)備安裝時(shí)間一般只需要2 小時(shí)，而傳統(tǒng)的有線設(shè)備則需要2 天。”StatoiHydro 公司儀表負(fù)責(zé)人Geir LeonVadheim 這樣表示。

無(wú)線技術(shù)可以大幅度降低測(cè)量成本

無(wú)線技術(shù)總的安裝成本可以降低近90%，大幅度地改變?cè)黾訙y(cè)量點(diǎn)的成本和獲益的性價(jià)比。如要了解節(jié)省多少費(fèi)用，請(qǐng)?jiān)L問ww.EmersonProcess.com/SmartWirelss 使用艾默生無(wú)線方案節(jié)省計(jì)算器。

先行者已開始起跑

較早使用無(wú)線設(shè)備的用戶已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)許多這樣的測(cè)量，而且這些測(cè)量信息并不完全都是傳統(tǒng)意義上的模擬過(guò)程變量。例如有一位用戶將無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)了解泄壓閥的打開和關(guān)閉時(shí)間，這將有效降低因意外排污而受到環(huán)保部門罰款的可能性。

另外一位較早使用無(wú)線方案的用戶是將無(wú)線設(shè)備用于向中央控制室的操作人員指示緊急停車按鈕、壓力和溫度開關(guān)以及其它報(bào)警器的激活情況。

還有將無(wú)線設(shè)備應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)視水溫和壓力以及安全噴淋器工作的。在人員定位系統(tǒng)的配合下，操作員甚至可以確定哪一個(gè)人啟動(dòng)了安全噴淋器，以便更快更有效地派人到現(xiàn)場(chǎng)提供必要的幫助。

“無(wú)論油罐車在現(xiàn)場(chǎng)哪個(gè)地方，傳輸質(zhì)量都不受影響，而且信號(hào)可以無(wú)縫地連接至我們的控制系統(tǒng)。”-Denny Fetters(Croda 公司)

有些用戶也將無(wú)線設(shè)備用于監(jiān)視其它過(guò)程變量，優(yōu)化過(guò)程運(yùn)行條件。如果要求用電線電纜將溫度、壓力和流量測(cè)量的指示信號(hào)連接至操作員機(jī)柜，巨大的投資費(fèi)用將使人望而興嘆，只得放棄。現(xiàn)在無(wú)線技術(shù)可以使之成為現(xiàn)實(shí)。

在 StatoiHydro 公司的Grane 號(hào)海上鉆井平臺(tái)上，無(wú)線變送器安裝在狹窄的嚴(yán)酷工況中，成功地用于監(jiān)視井口和熱交換器壓力，達(dá)到百分之百的可靠性和穩(wěn)定性。“我們對(duì)艾默生智能無(wú)線設(shè)備在如此具有挑戰(zhàn)的環(huán)境條件下的使用性能深感滿意，”該公司的儀表負(fù)責(zé)人Geir LeonVadheim 如此評(píng)價(jià)。“經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)，我們的儀表工程師非常自信地表示，可以按要求在現(xiàn)有條件下再安裝更多的無(wú)線設(shè)備。無(wú)線設(shè)備安裝時(shí)間一般只需要約2 小時(shí)，而傳統(tǒng)的有線設(shè)備則需要2 天。”

無(wú)線適配器擬釋放HART 診斷信息

無(wú)線適配器被稱為“THUM”，部分原因是其外形類似于拇指(譯注：thum 的意思是拇指)。這一其貌不揚(yáng)的小部件用于現(xiàn)存的HART 設(shè)備，從4-20 mA 信號(hào)中分流儀表診斷信息和其它信息，然后通過(guò)WirelessHART 輸入主機(jī)系統(tǒng)。

獲得標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)

估計(jì)全球約有 2600 萬(wàn)臺(tái)有線HART 設(shè)備已安裝并投入運(yùn)行。但不到25%的HART 設(shè)備能將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包括診斷信息等傳送到控制系統(tǒng)或設(shè)備管理系統(tǒng)中。多年來(lái)，要將數(shù)字信息流傳送到為接受模擬數(shù)據(jù)流而設(shè)計(jì)的控制器或系統(tǒng)中一直是非常困難的。

但是，如果有了 WirelessHART 適配器，如艾默生不久將發(fā)布的Smart Wireless THUMTM 適配器，所有這一切都將發(fā)生根本性的改變。THUM.適配器屬于4-20 mA DC 回路設(shè)備，通常固定在不使用的變送器線槽端口。它從回路中獲得電源，并且從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲得HART 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過(guò)WirelessHART 協(xié)議與網(wǎng)關(guān)通訊，并將信息傳送到主機(jī)系統(tǒng)。

測(cè)量以前不能實(shí)現(xiàn)的測(cè)量

Croda 公司是一家國(guó)際性的專業(yè)化學(xué)品制造商，使用安裝在化學(xué)品槽車上的艾默生無(wú)線溫度變送器，實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)輸入主機(jī)系統(tǒng)，極大地提高了過(guò)程性能和總體安全性。

由于槽車經(jīng)常處于流動(dòng)狀態(tài)，用硬導(dǎo)線連接溫度傳感器幾乎是不可能的。以前，操作員須每天爬到每一輛槽車的頂部，檢測(cè)溫度和記錄讀數(shù)，這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，在潮濕或冰雪天氣時(shí)，還存在操作員滑倒或墜落的事故隱患。無(wú)線溫度變送器會(huì)實(shí)時(shí)地提醒操作員注意槽車的任何異常溫升現(xiàn)象，如此每年可以節(jié)省維修保養(yǎng)費(fèi)用約15,000 美元。

“無(wú)線解決方案不僅節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用，而且由于操作員再也不必每天監(jiān)視那些槽車，故提高了整個(gè)公司和人員的安全性，”Croda 公司儀表和電氣設(shè)計(jì)師Denny Fetters如此稱贊無(wú)線設(shè)備。“無(wú)論槽

車在工地的任何一個(gè)地方，信號(hào)傳送質(zhì)量絲毫不受影響，而且可以無(wú)縫接入公司的控制系統(tǒng)。”

變夢(mèng)想為現(xiàn)實(shí)

在 PPG 公司，無(wú)線溫度變送器正在實(shí)時(shí)有效地監(jiān)視蒸汽聯(lián)箱的溫度曲線。按高級(jí)設(shè)計(jì)工程師Tim Gerami 的說(shuō)法，這是以前夢(mèng)寐以求的一個(gè)情景，但當(dāng)時(shí)苦于無(wú)法實(shí)現(xiàn)。PPG公司的工程師還想將無(wú)線設(shè)備用于那些與工廠優(yōu)化和設(shè)備管理攸關(guān)的一些冗余測(cè)量。

PPG 公司組織了一個(gè)無(wú)線設(shè)備小組來(lái)為工廠尋找無(wú)線系統(tǒng)性的解決方案，范圍涉及IT、儀表和過(guò)程控制。無(wú)線設(shè)備小組經(jīng)過(guò)篩選，決定將艾默生的 Smart Wireless 用于其廠內(nèi)測(cè)量，這不僅是因?yàn)樗麄儗?duì)艾默生的羅斯蒙特變送器已相當(dāng)熟悉，而且對(duì)Smart Wireless 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也很有信心。

無(wú)線技術(shù)是許多過(guò)程應(yīng)用的正確選擇

應(yīng)用無(wú)線技術(shù)的用戶和公司正在不斷增加。ISA100 委員會(huì)定義的適用等級(jí)如上表所列?；谠S多成熟的業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)，艾默生建議：現(xiàn)在用戶在考慮控制和監(jiān)視目的的無(wú)線設(shè)備時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在增加以前由于資金問題而未進(jìn)行的測(cè)量方面，實(shí)現(xiàn)提高安全性、可靠性、效率和環(huán)保的目的。

“還有一些其它無(wú)線解決方案，看上去也不錯(cuò)，”TimGerami 認(rèn)為，“但只是屬于點(diǎn)到點(diǎn)的設(shè)備，不能組成網(wǎng)絡(luò)。它們能夠工作，但在指定工廠的應(yīng)用對(duì)設(shè)備數(shù)量有所限制，可能規(guī)定每臺(tái)無(wú)線電為50 臺(tái)設(shè)備，16 個(gè)通道。這對(duì)于一個(gè)需要100 甚至幾百臺(tái)設(shè)備的工廠而言是難以接受的。而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的潛能幾乎是無(wú)限的。”

“無(wú)線解決方案在日后擴(kuò)展時(shí)，只要增加傳感器或變送器，經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)點(diǎn)十分明顯。”-John Pietersz(TAQA)能源公司

Tim Gerami 使無(wú)線技術(shù)帶來(lái)的變革顯得更加清晰：“它實(shí)現(xiàn)了你以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)”。

一項(xiàng)革命性的工廠設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)保健用品數(shù)量日益增加和品種不斷變化的需求，多年來(lái)，全世界的制藥和生命科學(xué)公司正努力調(diào)整其制造能力的靈活性，將過(guò)程信息、實(shí)驗(yàn)室信息和工廠管理系統(tǒng)緊密地融合成一個(gè)有機(jī)的整體。

現(xiàn)在無(wú)線儀表與艾默生的 DeltaVTM 數(shù)字自動(dòng)化系統(tǒng)一起，在一個(gè)一體化的工廠網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的無(wú)線信息系統(tǒng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使幾年前看來(lái)似乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工廠統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成為可能。

有一家主要的生命科學(xué)公司設(shè)計(jì)了多層廠房，鋼筋混凝土樓板和墻壁厚度達(dá)300 毫米。其模塊式過(guò)程設(shè)備可以任意移動(dòng)和重新配置。由于采用無(wú)線儀表進(jìn)行通訊，故重新配置并不涉及儀表系統(tǒng)，安裝在4 樓的一臺(tái)網(wǎng)關(guān)保持與4 樓和廠房頂樓中所有其它現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊關(guān)系。

一個(gè)無(wú)線時(shí)代業(yè)已開始

Ruud van Dijk 是TAQA 能源公司的工程經(jīng)理。在談起該公司在荷蘭Alkmaar 天然氣生產(chǎn)工地使用艾默生的Smart Wireless 技術(shù)成功地進(jìn)行各種測(cè)試時(shí)，他說(shuō)道：“展望未來(lái)是我們嘗試使用無(wú)線傳感器的一個(gè)原因。Bergermeer 的工地上基本沒有地方用于布線，連接一個(gè)新的傳感器可能要求布線距離增加數(shù)百米，既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)。”

“當(dāng)然，我們已有多年經(jīng)驗(yàn)，在辦公室環(huán)境中使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳送，”該公司的儀表和控制部經(jīng)理John Pietersz指出：“就處理水平而言，辦公室環(huán)境與生產(chǎn)工地兩者完全不是一回事。這個(gè)世界在引進(jìn)新興技術(shù)時(shí)會(huì)顯得非常遲疑不決。”

TAQA 團(tuán)隊(duì)決定使用靈活方便、堅(jiān)固耐用的SmartWireless 自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。“就Smart Wireless 系統(tǒng)而言，其范圍半徑為200 米。”John Pietersz 這樣說(shuō)，“其間一定有可以利用的地方。這個(gè)解決方案的不同之處在于傳感器是否能夠傳送互相之間的信號(hào)。也就是說(shuō)，傳感器的安裝位置可以突破上述范圍半徑200 米，且不必另外安裝基站。日后若有擴(kuò)展，只要增加變送器，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)點(diǎn)十分明顯。”

John Pietersz 繼續(xù)說(shuō)：“我們已經(jīng)購(gòu)買了艾默生的AMS 設(shè)備管理系統(tǒng)，目前只用于管理無(wú)線傳感器，但未來(lái)我們會(huì)把更多的儀表歸入AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)內(nèi)?？傊?，對(duì)我們說(shuō)來(lái)，一個(gè)無(wú)線時(shí)代已經(jīng)開始，”

自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與點(diǎn)到點(diǎn)設(shè)備比較

艾默生過(guò)程管理的Smart Wireless 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)使用自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Smart Wireless 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)WirelessHART 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試合格，并且構(gòu)成后者的基礎(chǔ)。自組織網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)無(wú)線設(shè)備可以用作附近其它設(shè)備的路由器，將信息傳送至其最終目的地。

這種能力具有冗余通訊路徑作用，其可靠性優(yōu)于每一臺(tái)設(shè)備與其網(wǎng)關(guān)之間要求直接視距通訊的解決方案。如果網(wǎng)絡(luò)或影響通訊的條件有任何變化，則自組織網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和網(wǎng)關(guān)會(huì)互相配合工作，共同尋找和使用對(duì)每一條消息最有效的路徑，該路徑具有最佳的數(shù)據(jù)可靠性和最小的功率消耗。

自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性要求并不十分嚴(yán)格。組成傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)會(huì)遇到許多困難，其中之一是要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，以確定系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均有視距路徑。這種勘查工作費(fèi)用昂貴。而且，由此生成的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可能要求基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)點(diǎn)數(shù)量5 倍于自組織網(wǎng)絡(luò)。

自組織網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其動(dòng)態(tài)性。由于工廠會(huì)不斷遇到新的障礙，如腳手架、新設(shè)備或流動(dòng)性車輛等，網(wǎng)絡(luò)可以圍繞這些設(shè)備重新組織。所有這一切均是自動(dòng)發(fā)生的，用戶不必進(jìn)行任何干預(yù)。

艾 默 生 的 Smart Wireless 和現(xiàn)在所有WirelessHART 自組織網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層均使用IEEE802.15.4 協(xié)議，并帶有跳頻的功能。這些自組織網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到有足夠的抗干擾能力，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，可以和工廠內(nèi)現(xiàn)有的其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共存而不相互干擾。自組織網(wǎng)絡(luò)的范圍可以自己設(shè)定，掃描時(shí)間可設(shè)定為1 秒，可以大大縮短等候時(shí)間。艾默生的無(wú)線設(shè)備即基于此項(xiàng)技術(shù)，使用中證明其數(shù)據(jù)可靠性高于99%。