摘要: 这些年来，无线仪表在石油管线和石化生产中的使用获得了成功，这些正面消息也使得工业控制和自动化的同仁，增长了信心，获得了新的动力。随着测量费用的降低，对可视化操作的需求的驱动，无线仪表消除了昂贵的挖沟和 ...
这些年来，无线仪表在石油管线和石化生产中的使用获得了成功，这些正面消息也使得工业控制和自动化的同仁，增长了信心，获得了新的动力。随着测量费用的降低，对可视化操作的需求的驱动，无线仪表消除了昂贵的挖沟和铺缆费用。仪表采用自给自足、电池供电的工作方式，使得以前人们感觉难以到达的地区，现在可以通过无线技术轻松实现了访问。然而，SCADA工程师和操作员也面临着集成无线仪表网络的挑战，因为基础架构要在现场层面实现有效的无线通信。管理和调试分布式的无线网络出现了新的复杂性，尽管可以节省大量费用，现场操作员却不希望采用无线仪表。  本文将通过分析，证明操作员可以用SCADA系统紧密集成无线仪表，享受这种集成方案为用户所带来的相关收益。 无线技术的进化 自从吉列尔莫?马可尼（Guglielmo Marconi）发出第一条电报信号，跨越了大西洋之后，无线技术已经成为我们日常生活的一部分。而且，最近的十年来，我们看到了无线领域发生了巨大的变化，不仅在无线电技术，而且更重要的是，在使用这项技术而源源不断出现的产品，如在商业市场，不光计算机可以无线上网，而且PDA、手机也可以通过Wi-Fi或者2.5、3G上网；在工业市场，石油与天然气的客户和管线公司，已经依靠无线技术传送和发布关键运行数据（KPI）有很多年了。使用长距离、广范围的技术，包括有：卫星、甚高频（VHF）、超高频（UHF）和无需许可证的扩频技术。我们的很多客户购买了具有最新技术的智能电话，已经带有内置的Wi-Fi、蓝牙和宽带技术。而且过去的几年中，无线模块的价格直线下降。这也使得工业产品供应商集成无线模块更加容易，可以非常容易地把它们加到设备和传感器的列表中。做为结果，石油与天然气工业已经看到无线仪表的数量在不断地增长，用户也广泛认知了无线传感器网络，产品也可以通过主要的过程控制和SCADA厂商提供。无线技术已经被专家和学者吹捧成工业控制和自动化领域中的圣杯。经预测，这个领域每年将有两位数的增长，到2012年将有12亿美元的市场。  部署无线仪表的商业案例是引人注目的。因为消除了布线和挖沟，你可以大大减少部署的成本，多达70%。因为无线仪表使用电池供电，比起传统方式的安装，它们很容易在现场部署。有线系统要花费数天或者数个星期才能完成适当的安装。无线仪表仅需要到过程现场安装传感器，节约了数小时或者数天的时间，以及很多有价值的资源，如：电缆、线槽、支架等。并且，随着需要，相关的仪表可以随时添加。 遵从安全、环保和节能要求是使用无线技术的主要驱动因素。在石化生产过程中，在原流的返回周期，需要接近易挥发的有毒井读取压力表、报告生产就绪的情况，对操作人员而言，使用无线压力传感器可以减少风险。在回流周期，在有了无线解决方案之后，无线压力传感器可以安装在分析人员能够检测得到的井中，并可以实施远程的采集和分析。许多地方的环保署（EPA）法规要求使用一种蒸气回收装置（VRU），经过分离器和冷凝罐后，再烧掉剩余的燃气。这时很容易安装一台无线温度传感器，用于监视VRU，如果有火焰冒出，就要发出一个报警信号，通知操作员。 无线仪表是一场不同的游戏 如果商业案例不断增加，投资回报非常稳定，为什么在工业现场部署无线仪表仍然有些勉强？有下面三个主要原因： 1. 可靠性 在工业应用中，可靠性是首先要关心的问题。无线仪表的可靠性必须和传统的有线仪表一样可靠。甚至在比较简单的应用，如远程监视，用户期望这种仪表具有一定水平的可靠性和网络可用性。有线系统非常容易实施诊断和故障跟踪，因为介质就是电缆导线，是一种物理存在，除非被挖走了。而无线，从另一个方面来讲，使用了一种不可见的空气做为介质。无线电信号的强度会随空间的距离增加而衰减，信号衰减的程度与传播距离的平方成正比。无线电信号还会受现场的山石地理、树木草丛、河流水系、建筑物体反射的影响。此外，来自附近的无线系统的干扰，诸如蜂窝电话基站的加入也带来更多的挑战。 针对以上的多种问题，优良的射频（RF）设计非常重要。设计高灵敏的无线电接收机，使用功率更大的发送机、增益更强的天线，工程师能够建立高可靠性的点到多点RF连接。  2. 适应性 无线仪表网络需要适应现有的环境。仅仅为了创建一个可靠的无线连接，而需要移动一眼井口、一台压缩机、一个储罐或者一台分离机是不现实的。在大范围的SCADA网络中，在现场可以非常容易地找到一个视线可及的10米的高塔。也可以增加塔的高度，扩展信号的范围，避免障碍物的阻挡。无线仪表网络虽没有那样的奢侈，但有时找到一个接入点或者为无线仪表能提供可靠性通信的无线电基站是不容易的。重新为接入点或者无线电基站定位可以改进RF连接，但一个传感器的连接效果提高可能会使同一个网络的其他传感器连接效果降低。 使用低的频率波段可以改善适应性，诸如无需许可的900 MHz波段，能够提供很好的覆盖和距离范围，好的传播特性使得信号能穿透障碍物。另外，高增益外接天线安装得要尽可能高，使得信号能够访问很难到达的传感器，这种传感器可能位于一个储罐底部。提高无线电模块的接收灵敏度也起着重要的作用，它确保了网络在不同工业环境下的适应性。 3. 集成性 多数的石化生产、过程工厂和管线设施，在现场已经具备一些无线能力。大范围的专有 SCADA网络，多采用点到点网络，而本地无线局域网则使用公共系统。每个网络都用于特定的目的，诸如控制数据传送，高带宽通信和视频监视。工程师和操作员正面对集成无线仪表网络、现场其他总线的挑战。对现场操作员来说，管理和调试分布的无线网络需要更高的水平，所以他们不愿意采用无线仪表，尽管能大大降低了成本。 无线网络集成是一种进退两难的选择，尤其在SCADA系统中。因为无线仪表网络被假设成捆绑在同一个SCADA体系架构中的，为了把有价值的操作数据传递到SCADA主站，把所有相关网络做为一个整体架构来管理是基本的能力要求。 而且，有能力访问难以到达的区域和以前认为是不划算收集信息的数据点，可以给操作员提供过程和工厂运行更好的可视化界面。然而，为了监视和分析这些数据，系统必须在某些地方结束。SCADA系统通常设计成：处理一定数量的数据点或者标签。对系统增加处理额外的数据点、并把它们集成到趋势和报告中，需要更多的花费。 尽管现在在过程控制市场有着丰富的工具，可用于捕捉、处理和分析数据，确保数据的完整性仍然是一项重要的任务。做为增加无线仪表网络的结果，一些SCADA系统甚至有一种分开的历史数据库模块，做为选件购买，专门处理海量数据。 针对无线和数据集成的挑战 多种先进的无线仪表基站或者网关设备现在正在市场中涌现，它们是针对这种需求应运而生。新一代的网关，在同一个设备上集成了无线仪表基站和长距离的工业无线电。无线仪表基站具有一个Modbus数据端口，可以外接一个Modbus主站，通过对无线基站的轮询，可以查看基站的状态、现场单元的状态和过程值信息。它还有一个诊断口，可以连接网络设备管理软件，可对传感器进行配置和诊断。这两个数据流通过一个先进的长距离串行线或者以太网无线网络被同时发送。这就是它实际的工作原理。 无线仪表基站和所有现场单元必须有RF通道和设置成一致的波特率。 每个现场单元必须有它的RF标识（ID），设置成独一无二的值。这个值将用于而后的Modbus 数据轮询。 无线基站的Modbus串口波特率必须可以设置，配合长距离的无线使用。  无线设备标识ID必须可以设置。这个值会在以后的Modbus轮询系统中需要。集成长距离远程无线基站配置成一个远程接力设备，把信息传送到位于主SCADA中心的一个无线电主站。无线基站上两个可用的串口配置到Modbus轮询的通道和诊断数据同时到无线仪表主站。通过现有的长距离SCADA体系架构，允许操作员管理和诊断无线仪表网络。用于所有现场单元的实时数据和状态信息可以在分布的HMI和集成的SCADA主站上显示。 在数据集成前端，现代SCADA主站软件提供了一个完整的集成环境，包括一个集成的和伸缩的历史数据库，专门处理海量数据，不需要通过昂贵和经常的升级过程。基于模板的SCADA屏幕开发允许工程师在他们的系统中，容易和快速地加入数据点。 结论 随着无线仪表网络使用的不断增加，用户将面临多个挑战，对他们现有的网络架构，要确保可靠性、适应性和集成性。新RF和天线设计帮助解决可靠性和适应性的问题。留下的无线和数据的集成，对现有的SCADA架构提出了一个艰巨的任务要完成。幸运的是，混合网关，传感器网络基站和长距离无线电已经集成，允许用户从一个点监视、管理和诊断他们的分散无线系统。同样的，先进的SCADA主站软件，带有一个集成的历史数据库和使用模板的快速开发环境，可以促进无线传感器网络增加的新数据点的集成。 |
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