工业无线解决方案正大量涌现，好几种标准都在努力为控制和自动化应用找到最有效的解决方法。本文介绍了在工厂底层和现场的用户怎样运用无线技术减少麻烦、获得较好效果的经验。
每个人都这样做，你也可以。首先，请不要在意目前围绕“无线”概念的各种大肆宣传，诸如可预知未来或其他含糊其词甚至完全胡扯的谬论。并且请完全忘记诸如蜂窝移动电话、笔记本电脑、黑莓技术和其他基于便利性的传统的“无线”应用。
现在，请试着把无线设备纯粹当作传统硬接线和连接器的替代品。这种无线应用确实存在，而且正在迅速增加。然而如同任何其他控制和自动化项目一样，第一个关键是找到合适的解决方案，对于无线应用尤其如此。无线应用通常要进行彻底的现场调查，以便搞清用户在各种应用中的不同需求和遇到的问题。
“当你在过程控制应用中处理任何潜在的危险品时，必须确定你能够控制它。许多事情都有可能发生，但是如果导线断了，那么操作就必须停止，”HART通讯基金会的技术规程总监Ed Ladd说。“正在考虑无线应用的许多用户担心
为了改变人们的某些观念，必须让他们看到正在使用的无线设备和网络。“我们在实验室和实际的工厂中建立了演示系统，向人们展示无线网络是怎样处理温度和压力读数的。当亲眼看到信号强度信息，亲眼看到数据传输进来时，无线传输的概念就会逐渐在人们的观念中变得真实起来了，”Accutech公司的销售和市场副总裁Cliff Lewis说。“大约100年前，当人们建立电的概念时也遇到过同样的麻烦。”
Omnex还提到他的跳频、扩频（FHSS）无线设备已经被集成到了Schwing America公司混凝土泵车上的混凝土输送管的无线控制系统中。这些混凝土输送管包括4个部分，长度可以达到198英尺。这些管子必须受到精确的控制。Omnex公司的Len Dueckman称他们的无线解决方案使操作人员可以比以前更加接近需要浇注混凝土的地点，这样不仅可以大大提高工作效率，还让操作人员从与混凝土泵车的直接导线连接中解脱出来，因此安全性也有所提高。
图1：操作人员正在使用集成了Omnex 控制系统
公司的跳频、扩频（F H S S ）无线系统的
Schwing America 公司的混凝土定位设备控制
混凝土输送管。
简单的频谱扩展
Omnex控制系统公司的销售和市场副总裁Randy Klassen补充说：“乍一看，实现一个无线的工业解决方案似乎很复杂，但是从最简单的形式来看，许多工业无线解决方案就是用无线连接取代铜导线来传输离散信号和模拟信号。无线并不是指在空气中移动的网络，它其实也常常表现为在空气中传输包含有工业过程监视和控制信息的二进制位和字节，例如液位、压力、温度、流量、开/关状态和报警信息等。”
图2：预计在接下来的12 个月内，所有的无
线网络应用都会增长。
图3：网状无线网络采用发送者/ 接收者的模式。每个设备都连接到自己的
传感器，都能够转送他们接收到的信号。信号不断跳变，直到达到所需要的
目的地。B&B 电子公司说他们的IEEE 802.15.4网络节点的使用范围在室内
可以达到300英尺，在室外可以达到750 英尺。
跳频、扩频（FHSS）技术用迅速改变频率来克服干扰和多路通讯的问题（这些问题在只应用一个频率时会非常严重），不会影响到其他临近的频率。这些方法使Omnex公司的无线设备（这些设备也通过Phoenix Contact公司进行分销）可以应用在很多苛刻的环境中，可以可靠的传输要求刷新率优于50ms的过程信号。“跳频、扩频（FHSS）技术运行时，用户不会受到任何干扰，也不需要任何频率管制和协调，” Dueckman补充到。“这使得无线设备在使用时就像有线连接设备一样简单、可靠，同时却没有有线连接设备的固有缺陷。
实现监视功能变得更为简单
虽然有人采用无线技术进行控制和执行操作，但大多数人采用无线技术是为了实现监视功能，只是把无线技术当作有线系统的一个补充。这是因为监视回路的重要程度比较低，即使有干扰现象发生也不可能造成灾难性的后果。
“许多人已经安装了一些WiFi网络系统的基础设备，因此在机器上安装一个无线网络节点并不是惊世骇俗的事情，费用也并不太高，”DPAC Technologies公司无线产品部的副总裁Mike Zachan说。“很快，这种对无线应用的最初认可就会进一
“在某些控制应用中，人们要求运用确定性的网络系统。802.11 协议的本质定义决定了它不是一个确定性的技术。在IEEE 802.11范畴里，我们不像有些点对点无线技术那样具有确定性，但是我们的技术具有更强的可互操作性，而且更加便宜。”
事实上，DPAC说他们的Airborne无线网络节点本质上是一种能抵抗恶劣使用环境的、内嵌的802.11b模块，这种模块构成了低成本的无线脉冲光电血氧计的核心。这种无线脉冲光电血氧计是DPAC和加利福尼亚电信与信息技术研究所(CAL-(IT)2)共同开发的，它被用来帮助紧急医疗反应小组同时监视和评估许多病人的身体状况，特别是同时有多位病人被送到急救室的情况。这些无线脉冲光电血氧计通过一种标准的手指夹被固定到病人身上，它测量血液里的氧含量水平，然后通过移动的802.11b接入点和Internet把数据传输到中央服务器。这样可以允许医生对病人进行远程监视，现场只需要留下护理人员就可以了。美国加利福尼亚大学SanDiego分校的工程系学生和教员利用DPAC公司的Airbo
现在我们来继续谈论工厂里的情况。美国Adaptive Instruments公司的Accutech部门介绍说，一家酿造企业最近采用了他们的无线模块来提高对大范围、多批量的就地清洗（CIP）操作的监视能力，这种就地清洗（CIP）操作将会每周7天、每天24小时进行。这个酿造商说他们以前的非直接CIP监视无法对系统中的多头旋转喷嘴提供完全的pH值、压力和流量诊断。如果这些喷嘴不能正确旋转，储罐就无法得到彻底清洗，这将会污染下一批的产品，而且只有到了处理过程的后期，物料的数量增加了以后才能探测出这种情况。CIP过程失败所造成的损失包括产品损失和处理费用。因为被污染的产品必须作为危险材料进行处理，用许多罐车运走。
采用Accutech模块的声监听系统可以有效的探测喷嘴的旋转。包括声学传感器接线在内的安装费用是大约每个储罐6000美元。Accutech无线组件的安装费用是每个储罐不到1000美元。这个酿造商表示他们的CIP监视系统现在100％有效。
据Elpro介绍，ExxonMobil Chemicals公司在拉丁美洲Baton Rouge的工厂最近有机会每月节省100000美元，如果他们能够找到办法控制由Entergy公司运营的电厂中的一个蒸汽控制阀，电厂距离Baton Rouge工厂有1.5英里之遥。ExxonMobil Chemicals公司的工程师面对的问题是采用硬接线来实现这个控制非常困难，因为这样化工厂现有的基础设施和电缆就必须穿越好几个其他公司的界区范围。ExxonMobil Chemicals公司的Clint Rabalais和Max Hohenberger都这样认为。
节约并且超越
无线的主要好处是可以节约大量的电缆和劳动力成本。但是无线的倡导者强调说无线的好处远远超过上面提到的这些初级收益。他们说无线使得用户可以在以前无法到达的地方安装网络和获得监视能力以及执行测量操作。如果采用硬接线方式进行，其费用高得惊人。无线还可以很容易的根据应用的改变对工厂底层的网络进行快速重新配置。
图4 ：WestlakeChemical 公司的一个技术人员正在
使用symbol 公司的8146 手持设备收集无D C S 连接
的现场数据，这个无线数据终端利用了Honeywell 工业
测量和控制的智能方案和技术。
为了采用无线方式来实现这个方案，Exxon-Mobil Chemicals公司的工程师采用了一对Elpro公司的905U-1扩频无线设备。据Elpro公司介绍，这些模块采用非常可靠的、用于加密通讯甚至外部干扰环境的传输协议。另外，由于905U模块带有无线收发器，因此他们可以相互通讯来管理数据流。
那些工程师还补充道：ExxonMobil Chemicals公司很欣赏这种模式，这样可以允许多个系统在无线范围内操作或是在同一个多站支路上操作而不会带来串线干扰或故障。最后这个解决方案采用了一个简单的、由2个单元组成的网络系统，其中一个单元用作信号输入单元，另一个用作信号输出单元。Elpro公司的模块到目前为止已经安装运行了大约1年，它们的性能、可靠性、灵活性和可升级性很受用户的欢迎，由于现在可以通过该系统控制电厂的蒸汽阀门了，这使ExxonMobil Chemicals工厂可以节省大量的运行费用。
新标准出现了
为了跟上技术和解决方案的发展脚步以及为用户独特的应用找到最佳解决方案，几个标准组织正在起草新的建议或标准。
虽然无线标准也会像以前为现场总线制定标准时一样发生许多争执，但是一些观察员
IEEE 802.11委员会和工作组现在正在开发802.11i协议，用来加强无线传输的安全性。它采用256-bit加密技术。他们也正在研究802.11n协议，用于实现快速相移信号的多输入/多输出（MIMO）。
跟蓝牙技术有关的利益集团（Interest Group）也在准备发布Bluetooth 2协议，它可以把蓝牙的功率从小于100mW提升到1W，从而将其应用范围从30英尺扩大到100米，使蓝牙技术可以在更多应用场合使用。
虽然其他标准还在不断发展，有消息称 WiFi和 ZigBee将会成为这些未来标准的基础协议。
“在无线技术发展当中的关键问题是操作多个设备，克服高噪
为了进一步帮助制定现场层的无线控制和自动化的实施程序，ISA（仪表、自动化和系统协会）最近在它的标准部门中组建了ISA-SP 100委员会。这个委员会将制定标准、推荐实例和技术报告，委员会计划在2005年中举行首次发布会。
早先，几个公司为响应美国国防部的指令而组建了无线工业网络联盟（WINA），它可以为用户提供无线应用培训。他们正在起草一个用户导则，并计划于2005年晚些时候发布。无线工业网络联盟（WINA）很有可能同ISA-SP 100协调工作。WINA也希望向用户推荐ZigBee。
无线网络的安全
Mike Zachan, DPAC Technolo-gies 公司Airborne 产品部副总裁，他认为大多数无线网络的安全问题都可以通过结合运用下列技术进行解决：
◆ 加密编码：这项技术在大多数无线设备中已经包含了128 bit 或194 bit的加密编码，并且建立了一个管理密匙的过程，可以用来加密或解密无线网络上运行的数据。这些密匙与内部算法相关联，采用最新的“动态变化“技术，可以防止未经许可的数据获取。
◆ 数据鉴别。就像采用密码口令来鉴别用户一样，数据鉴别可以判别一个无线数据接入点的真伪。这项技术通过提交和接收关键字和其他预先编制的只有主机和客户设备知道的信息来实现。这类方法包括WiFi 接入保护（WPA) 和Cisco 公司的轻量可扩展鉴定协议(LEAP)。
同样地，HCF报告说他们新近发布的无线HART标准将会确保在无线环境中与HART设备实现无缝的、可互操作的连接。基金会的无线HART工作组计划于2005年晚些时候或2006年初提出快速追踪草案的规范。这个工作组将会和诸如ISA-SP 100等其他工业无线组织协作，使不同标准机构可以长期的向同一个方向努力。
“这个工作组的任务是定义一个规范，用无线调制解调器的物理层来替代现有的HART频移键控调制解调器（FSK）的物理层。工作组正在评估当前所有的工业无线协议技术（Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等）。HART的关键是在普通耗电水平的二线制HART设备上平衡可靠性、应用范围和速度之间的关系。“Ladd补充说。
另外，IEEE P1451.5传感器和变送器标准的研发者正在找寻一种途径，试图用发展中的无线技术来整合变送器电子数据表格技术(TEDS)。
ProSoft Technology称他们已经开始给无线设备增加OPC标记，并且为无线设备配置了OPC服务器。这些标记和服务器可以显示无线网络的信号强度，当信号强度低于设定值时，可以通过现有的HMI软件产生一个提示。按照ProSoft 公司全球无线技术销售部的Kevin Zamzow的说法，“如果你有一个链接指示和信号强度指示，那么你就可以知道数据通道在正常工作。我们只是利用OPC使它们在HMI上可视化。”
最后，无线网络很可能会向两个层面发展。一方面带有ZigBee芯片和小型长寿命电池的传感器向空中辐射信号，然后第二个网络 根据需要接力传送这些信号。Elpro的总裁Graham Moss这样认为，第二个网络将会克服ZigBee的50～100英尺的工业应用距离限制。“Elpro处于第二个层面，不过我们看到一些在第一层面处于领导地位的公司（例如Emerson Process Management、Foxboro和 E+H公司）正在向他们的传感器和现场设备中内嵌ZigBee芯片，”Moss说，“这意味着ZigBee 已经证明了自己的优越性。”■
相关更多信息，请访问下列网站：
www.savewithaccutech.com
www.bb-elec.com (B&B Electronics)
www.dpactech.com
www.ember.com
www.hartcomm.org
www.honeywell.com
www.ieee.org
www.isa.org
www.omnexcontrols.com
www.phoenixcon.com
www.prosoft-technologies.com
文章编号：050702
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