發布日期：2022-04-26 點擊率：75
關鍵詞： WirelessHART 作業擴展
摘要：任何工廠的擴建都會需要增加I/O端口數量。這似乎順理成章，但在實際操作中會面臨各種難題。I/O機柜的空間有限，最重要的是I/O端口很貴。工廠工程師有多個選擇：繼續為現有系統增加I/O端口，直到空間用盡；或者增添額外的I/O機柜；亦或者通過增加WirelessHART功能來擴展容量。通過本文您將會發現第三種選擇是增加工廠I/O端口數量的最快速且最經濟的方法。無線I/O系統相比于有線I/O有兩大主要優勢：節省資金和時間。選擇WirelessHART I/O必須先考慮下面幾個問題。
要求什么樣的基礎設施？
一套無線系統包含多臺無線變送器，無線變送器之間通過網狀網絡互相通訊，網路配有網關與控制系統相連，如圖1所示。很多網關都提供多種協議以供選擇，便于和系統接口整合，包括HART-IP、以太網或者基于RTU的通信協議。目前常見的協議是Modbus和OPC。有的生產廠商還提供Ethernet/IP協議，無需使用Modbus-to-Ethernet /IP轉換器，可以將設備信息集成到控制系統、監控系統和資產管理系統中。
圖1 一種無線系統通常包括一組無線變送器，它們之間或者與網關之間可以互相通訊，并連接到控制系統。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、設備狀態信息、設備診斷，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，根據設備的配置方式和不同的更新率，電池壽命從幾個月到幾年不等。每分鐘幾次的中等更新率可以維持幾年的電池壽命。增加一臺與傳統有線設備具有相同功能的變送器包括安裝和啟動。除了常見的設備配置，還需要做兩項額外配置——連接關鍵字和網絡ID。由于并不存在現場布線，所以這個任務可以迅速完成。
有線HART設備可以通過在設備上或者設備附近增加WirelessHART適配器來使其變成無線設備。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備、最多八臺設備通訊，并交換設備信息。使用適配器就可以不再使用電池，而且現有工廠設備都可以繼續使用。
圖2 當信號達到了一個接入點，有很多網絡選擇可以移動無線設備中的數據，因此網絡管理和安全技術的設計應該是簡單和可靠的。
對于無線技術來說，為一臺智能閥門定位器增加WirelessHART適配器是一項重要的應用。由于大多數工廠的基礎設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被證明能夠在工廠運行、維護和更新期間節省資金和時間。由于其具有監控和識別潛在閥門問題的能力，所以能夠避免發生意外關斷和不必要的閥門維護。
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，這一價格查立即就被抹平，更不用提項目耗時也能夠極大地減少。使用傳統的變送器，需要使用合適的4-20mA電纜，通常布置在導管內，成本為每英尺20美金，已經超過了大部分的變送器自身的價格。
無線系統節省的其他成本包括額外的I/O卡和用來標示如何走線和連接的額外的圖紙。
經驗表明，無線技術能夠提供一種性價比較高的解決方案，用戶能夠節省50%或者更多的布線安裝成本。而且，一旦某一站點安裝了無線網絡，那么其他支持無線網絡的設備就可以極為快速地完成安裝，提供連續監控，或者臨時用來進行故障排查，亦或者用來識別特定問題。你的成本和節省數額根據空余布線的數量、距離和其他因素的差異而有所不同。
圖3 使用有線HART 設備時采用的工具和技術人員的方法也同樣適用于WirelessHART。當加入有線的工作環境時，這種特性能帶來更多用戶友好的體驗。
一臺WirelessHART網關的價格相當于幾臺變送器的價格，一臺網關可以控制100到250臺變送器。
可靠性如何？
對于無線安裝的一項主要擔心就是可靠性。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量的金屬制品構成管道和支撐結構，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境中傳播而不受影響？
WirelessHART技術提供了這種解決方案。由于系統被配置成網狀網絡：每一個變送器都與相連的變送器保持連續通訊。如果某一臺變送器不能夠直接將信息發送至網關，網狀網絡就會將信息從一個變送器發送給另一個變送器，直到信息到達網關。網關內的這種網狀網絡是自配置式的。如果新增了一臺變送器，系統自動計算如何以最高效的方式從這臺設備發送信息到網關。如果有任何改變發生——變送器被拆除維護或者增加了物理阻隔——網關就能夠連續并且自動地重新配置網狀網絡維持連續通訊，包括主通訊路徑和輔助通訊路徑。因此，WirelessHART技術的點到點可靠性通常高于99.9%。
網關和設備將會以最可靠的拓撲結構進行通訊。設備可以采用點到點、網狀拓撲結構或者二者組合的方式與網關通訊。。對于變化快速的過程應用（例如1秒更新），通常使用點到點通訊來減少延遲。
安全性如何？
針對無線網絡技術應用經常會考慮的一個問題就是安全性。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據？這樣的安全入侵會導致經濟損失，甚至導致一次災難性事故。WirelessHART通訊的設計人員預測到了這種情況，引入了多層安全機制，包括使用高階加密標準（NIST標準 FIPS-197）的端到端128位加密法。網關還提供鑒定、確認、設備密鑰管理、用戶登錄和行為日志功能。
現場設備第一次上電時，網關會發送給這臺設備一個加入網絡的邀請，包括獲得設備特定編碼，此編碼基于網關和設備的不同特性。確保網關和現場設備具有匹配的密碼（連接關鍵字）和網絡身份識別信息。后續的雙向通訊由網關實施嚴密監控。
圖4 無線設備可以使用與有線設備相同的傳感器控制工程網版權所有，所以在使用它們時你可以期待相同的性能和可靠性。
如果現場設備準備好向網關發送一個數據包，它先將數據包加密，將其分層，通過WirelessHART鏈接將其向網關發布。網關能夠識別出發送設備，解密數據包，公布設備，在受保護的層級給數據打包（如果你需要，給數據增加一個保密外封裝），然后將其發送給主系統。
如果現場設備不能與網關直接連接，但是可以通過另一臺設備與網關連接，例如中繼站，發送設備就會給數據增加外封裝，通過中繼設備找到網關。中繼設備會將自己的數據包封裝后，再將其發送給網關，后者對其進行識別和解封www.cechina.cn，顯示原始的數據包。
無線并非是對有線設備的簡單替換
無線現在已經無處不在，帶來了巨大的進步，目前在全世界的精煉廠、石油開采現場、海洋平臺、化學工程、儲罐廠、水和污水處理中心以及其他工業設施中獲得了廣泛的應用，其低成本和可靠的實時數據能夠優化作業、改進工人的健康狀況、減少排放和其他環境的沖擊。
無線網絡對于人員安全有其先進性：在系統中增加一臺新的現場設備意味著有更多的數據將會發送給控制室，最小化了手抄數據的必要，使工人與危險的儲罐保持距離。
增加無線系統對于環境也頗有益處。通過對外溢和泄漏進行有效的監控能夠實現環保要求，避免由于整改產生的高昂成本控制工程網版權所有，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
已經論述過的內容大多數都是針對無線變送器，但是在某些情況下無線技術也可以應用在控制閥和執行器上。這種類型的安裝適用于那些無線系統（更新率可以設置成每秒1次或者每小時1次）的更新率不是很關鍵的場合。在全世界已經實施的1萬例此類應用中，大多數都是有線和無線現場設備的混合應用。低成本和快速安裝促進了這種技術的快速采納，在工廠擴建中這種技術已經成為了一種常見選擇，因為其能夠降低由于過程中斷帶來的經濟損失。在老式工廠的環境中也頗為普遍ConTROL ENGINEERING China版權所有，因為增加I/O或者升級系統實現起來并不是很容易。
如果要對那些新增設備布線成本過高的工廠區域實施監控的話，無線技術還有其他額外的優勢。例如，從一臺非關鍵位置電機處獲得振動信息能夠極大地降低后期維護成本ConTROL ENGINEERING China版權所有，而如果采用有線方式來實現，成本相比就過高了。而且無線設備可以便捷地從工廠的一個地點移動到另一個地點，對有可能發生故障的區域實施定期檢查。這種便攜的特性區別于有線設備，可以更高效地利用過程廠商的固定資產。
WirelessHART設計簡單，專門為工廠環境中的操作人員和維護人員所設計。那些已經在傳統有線HART應用中有些許經驗的人在接納WirelessHART上不會有任何困難。這是一種簡便、快捷和經濟的擴展測量和控制能力的方式。
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