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WirelessHART 扩展你的作业范围

供稿:工控网 2016/9/19 10:08:09

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  • 关键词: WirelessHART 作业扩展
  • 摘要:任何工厂的扩建都会需要增加I/O端口数量。这似乎顺理成章,但在实际操作中会面临各种难题。I/O机柜的空间有限,最重要的是I/O端口很贵。工厂工程师有多个选择:继续为现有系统增加I/O端口,直到空间用尽;或者增添额外的I/O机柜;亦或者通过增加WirelessHART功能来扩展容量。通过本文您将会发现第三种选择是增加工厂I/O端口数量的最快速且最经济的方法。无线I/O系统相比于有线I/O有两大主要优势:节省资金和时间。选择WirelessHART I/O必须先考虑下面几个问题。

  要求什么样的基础设施?

  一套无线系统包含多台无线变送器,无线变送器之间通过网状网络互相通讯,网路配有网关与控制系统相连,如图1所示。很多网关都提供多种协议以供选择,便于和系统接口整合,包括HART-IP、以太网或者基于RTU的通信协议。目前常见的协议是Modbus和OPC。有的生产厂商还提供Ethernet/IP协议,无需使用Modbus-to-Ethernet /IP转换器,可以将设备信息集成到控制系统、监控系统和资产管理系统中。


  图1 一种无线系统通常包括一组无线变送器,它们之间或者与网关之间可以互相通讯,并连接到控制系统。图片来源:艾默生过程管理。

  除了主变量(PV),WirelessHART提供的信息还包括一些额外的测量变量、设备状态信息、设备诊断,某些情况下还能够提供过程诊断信息。

  WirelessHART变送器可以使用电池供电、电缆供电或者回路供电,根据设备的配置方式和不同的更新率,电池寿命从几个月到几年不等。每分钟几次的中等更新率可以维持几年的电池寿命。增加一台与传统有线设备具有相同功能的变送器包括安装和启动。除了常见的设备配置,还需要做两项额外配置——连接关键字和网络ID。由于并不存在现场布线,所以这个任务可以迅速完成。

  有线HART设备可以通过在设备上或者设备附近增加WirelessHART适配器来使其变成无线设备。这些适配器可以使用电池供电,在某些情况下也可以使用电缆/回路供电,为变送器提供能源。如果采用多站HART配置,适配器可以与最少一台设备、最多八台设备通讯,并交换设备信息。使用适配器就可以不再使用电池,而且现有工厂设备都可以继续使用。


  图2 当信号达到了一个接入点,有很多网络选择可以移动无线设备中的数据,因此网络管理和安全技术的设计应该是简单和可靠的。

  对于无线技术来说,为一台智能阀门定位器增加WirelessHART适配器是一项重要的应用。由于大多数工厂的基础设施都受到限制或者没有多余的布线,所以智能定位器所能提供的智能信息已经被证明能够在工厂运行、维护和更新期间节省资金和时间。由于其具有监控和识别潜在阀门问题的能力,所以能够避免发生意外关断和不必要的阀门维护。

  成本如何?

  使用电池供电的WirelessHART变送器通常比同等功能的有线变送器成本要高,但是一旦考虑了布线和安装成本,这一价格查立即就被抹平,更不用提项目耗时也能够极大地减少。使用传统的变送器,需要使用合适的4-20mA电缆,通常布置在导管内,成本为每英尺20美金,已经超过了大部分的变送器自身的价格。

  无线系统节省的其他成本包括额外的I/O卡和用来标示如何走线和连接的额外的图纸。

  经验表明,无线技术能够提供一种性价比较高的解决方案,用户能够节省50%或者更多的布线安装成本。而且,一旦某一站点安装了无线网络,那么其他支持无线网络的设备就可以极为快速地完成安装,提供连续监控,或者临时用来进行故障排查,亦或者用来识别特定问题。你的成本和节省数额根据空余布线的数量、距离和其他因素的差异而有所不同。



  图3 使用有线HART 设备时采用的工具和技术人员的方法也同样适用于WirelessHART。当加入有线的工作环境时,这种特性能带来更多用户友好的体验。

  一台WirelessHART网关的价格相当于几台变送器的价格,一台网关可以控制100到250台变送器。

  可靠性如何?

  对于无线安装的一项主要担心就是可靠性。信号依靠无线电传播,如果工厂具有很多储罐或者其他罐体还有很大数量的金属制品构成管道和支撑结构,信号的传播是否会受影响?无线电型号如何在这迷宫一样的环境中传播而不受影响?

  WirelessHART技术提供了这种解决方案。由于系统被配置成网状网络:每一个变送器都与相连的变送器保持连续通讯。如果某一台变送器不能够直接将信息发送至网关,网状网络就会将信息从一个变送器发送给另一个变送器,直到信息到达网关。网关内的这种网状网络是自配置式的。如果新增了一台变送器,系统自动计算如何以最高效的方式从这台设备发送信息到网关。如果有任何改变发生——变送器被拆除维护或者增加了物理阻隔——网关就能够连续并且自动地重新配置网状网络维持连续通讯,包括主通讯路径和辅助通讯路径。因此,WirelessHART技术的点到点可靠性通常高于99.9%。

  网关和设备将会以最可靠的拓扑结构进行通讯。设备可以采用点到点、网状拓扑结构或者二者组合的方式与网关通讯。。对于变化快速的过程应用(例如1秒更新),通常使用点到点通讯来减少延迟。

  安全性如何?

  针对无线网络技术应用经常会考虑的一个问题就是安全性。有没有方法能够阻止某些人窥视变送器的信号,甚至某些人给变送器引入错误数据?这样的安全入侵会导致经济损失,甚至导致一次灾难性事故。WirelessHART通讯的设计人员预测到了这种情况,引入了多层安全机制,包括使用高阶加密标准(NIST标准 FIPS-197)的端到端128位加密法。网关还提供鉴定、确认、设备密钥管理、用户登录和行为日志功能。

  现场设备第一次上电时,网关会发送给这台设备一个加入网络的邀请,包括获得设备特定编码,此编码基于网关和设备的不同特性。确保网关和现场设备具有匹配的密码(连接关键字)和网络身份识别信息。后续的双向通讯由网关实施严密监控。


  图4 无线设备可以使用与有线设备相同的传感器控制工程网版权所有,所以在使用它们时你可以期待相同的性能和可靠性。

  如果现场设备准备好向网关发送一个数据包,它先将数据包加密,将其分层,通过WirelessHART链接将其向网关发布。网关能够识别出发送设备,解密数据包,公布设备,在受保护的层级给数据打包(如果你需要,给数据增加一个保密外封装),然后将其发送给主系统。

  如果现场设备不能与网关直接连接,但是可以通过另一台设备与网关连接,例如中继站,发送设备就会给数据增加外封装,通过中继设备找到网关。中继设备会将自己的数据包封装后,再将其发送给网关,后者对其进行识别和解封www.cechina.cn,显示原始的数据包。

  无线并非是对有线设备的简单替换

  无线现在已经无处不在,带来了巨大的进步,目前在全世界的精炼厂、石油开采现场、海洋平台、化学工程、储罐厂、水和污水处理中心以及其他工业设施中获得了广泛的应用,其低成本和可靠的实时数据能够优化作业、改进工人的健康状况、减少排放和其他环境的冲击。

  无线网络对于人员安全有其先进性:在系统中增加一台新的现场设备意味着有更多的数据将会发送给控制室,最小化了手抄数据的必要,使工人与危险的储罐保持距离。

  增加无线系统对于环境也颇有益处。通过对外溢和泄漏进行有效的监控能够实现环保要求,避免由于整改产生的高昂成本控制工程网版权所有,甚至是“恶性事件”,还可以通过储罐密封来控制排放。

  其他考虑

  已经论述过的内容大多数都是针对无线变送器,但是在某些情况下无线技术也可以应用在控制阀和执行器上。这种类型的安装适用于那些无线系统(更新率可以设置成每秒1次或者每小时1次)的更新率不是很关键的场合。在全世界已经实施的1万例此类应用中,大多数都是有线和无线现场设备的混合应用。低成本和快速安装促进了这种技术的快速采纳,在工厂扩建中这种技术已经成为了一种常见选择,因为其能够降低由于过程中断带来的经济损失。在老式工厂的环境中也颇为普遍CONTROL ENGINEERING  China版权所有,因为增加I/O或者升级系统实现起来并不是很容易。

  如果要对那些新增设备布线成本过高的工厂区域实施监控的话,无线技术还有其他额外的优势。例如,从一台非关键位置电机处获得振动信息能够极大地降低后期维护成本CONTROL ENGINEERING  China版权所有,而如果采用有线方式来实现,成本相比就过高了。而且无线设备可以便捷地从工厂的一个地点移动到另一个地点,对有可能发生故障的区域实施定期检查。这种便携的特性区别于有线设备,可以更高效地利用过程厂商的固定资产。

  WirelessHART设计简单,专门为工厂环境中的操作人员和维护人员所设计。那些已经在传统有线HART应用中有些许经验的人在接纳WirelessHART上不会有任何困难。这是一种简便、快捷和经济的扩展测量和控制能力的方式。

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