這些年來，無線儀表在石油管線和石化生產(chǎn)中的使用獲得了成功，這些正面消息也使得工業(yè)控制和自動(dòng)化的同仁，增長(zhǎng)了信心，獲得了新的動(dòng)力。隨著測(cè)量費(fèi)用的降低，對(duì)可視化操作的需求的驅(qū)動(dòng)，無線儀表消除了昂貴的挖溝和鋪纜費(fèi)用。儀表采用自給自足、電池供電的工作方式，使得以前人們感覺難以到達(dá)的地區(qū)，現(xiàn)在可以通過無線技術(shù)輕松實(shí)現(xiàn)了訪問。然而，SCADA工程師和操作員也面臨著集成無線儀表網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)，因?yàn)榛A(chǔ)架構(gòu)要在現(xiàn)場(chǎng)層面實(shí)現(xiàn)有效的無線通信。管理和調(diào)試分布式的無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了新的復(fù)雜性，盡管可以節(jié)省大量費(fèi)用，現(xiàn)場(chǎng)操作員卻不希望采用無線儀表。
本文將通過分析，證明操作員可以用SCADA系統(tǒng)緊密集成無線儀表，享受這種集成方案為用戶所帶來的相關(guān)收益。
無線技術(shù)的進(jìn)化
自從吉列爾莫?馬可尼（Guglielmo Marconi）發(fā)出第一條電報(bào)信號(hào)，跨越了大西洋之后，無線技術(shù)已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧６?，最近的十年來，我們看到了無線領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變化，不僅在無線電技術(shù)，而且更重要的是，在使用這項(xiàng)技術(shù)而源源不斷出現(xiàn)的產(chǎn)品，如在商業(yè)市場(chǎng)，不光計(jì)算機(jī)可以無線上網(wǎng)，而且PDA、手機(jī)也可以通過Wi-Fi或者2.5、3G上網(wǎng)；在工業(yè)市場(chǎng)，石油與天然氣的客戶和管線公司，已經(jīng)依靠無線技術(shù)傳送和發(fā)布關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)（KPI）有很多年了。使用長(zhǎng)距離、廣范圍的技術(shù)，包括有：衛(wèi)星、甚高頻（VHF）、超高頻（UHF）和無需許可證的擴(kuò)頻技術(shù)。我們的很多客戶購(gòu)買了具有最新技術(shù)的智能電話，已經(jīng)帶有內(nèi)置的Wi-Fi、藍(lán)牙和寬帶技術(shù)。而且過去的幾年中，無線模塊的價(jià)格直線下降。這也使得工業(yè)產(chǎn)品供應(yīng)商集成無線模塊更加容易，可以非常容易地把它們加到設(shè)備和傳感器的列表中。做為結(jié)果，石油與天然氣工業(yè)已經(jīng)看到無線儀表的數(shù)量在不斷地增長(zhǎng)，用戶也廣泛認(rèn)知了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)品也可以通過主要的過程控制和SCADA廠商提供。無線技術(shù)已經(jīng)被專家和學(xué)者吹捧成工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域中的圣杯。經(jīng)預(yù)測(cè)，這個(gè)領(lǐng)域每年將有兩位數(shù)的增長(zhǎng)，到2012年將有12億美元的市場(chǎng)。
部署無線儀表的商業(yè)案例是引人注目的。因?yàn)橄瞬季€和挖溝，你可以大大減少部署的成本，多達(dá)70%。因?yàn)闊o線儀表使用電池供電，比起傳統(tǒng)方式的安裝，它們很容易在現(xiàn)場(chǎng)部署。有線系統(tǒng)要花費(fèi)數(shù)天或者數(shù)個(gè)星期才能完成適當(dāng)?shù)陌惭b。無線儀表僅需要到過程現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器，節(jié)約了數(shù)小時(shí)或者數(shù)天的時(shí)間，以及很多有價(jià)值的資源，如：電纜、線槽、支架等。并且，隨著需要，相關(guān)的儀表可以隨時(shí)添加。
遵從安全、環(huán)保和節(jié)能要求是使用無線技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)因素。在石化生產(chǎn)過程中，在原流的返回周期，需要接近易揮發(fā)的有毒井讀取壓力表、報(bào)告生產(chǎn)就緒的情況，對(duì)操作人員而言，使用無線壓力傳感器可以減少風(fēng)險(xiǎn)。在回流周期，在有了無線解決方案之后，無線壓力傳感器可以安裝在分析人員能夠檢測(cè)得到的井中，并可以實(shí)施遠(yuǎn)程的采集和分析。許多地方的環(huán)保署（EPA）法規(guī)要求使用一種蒸氣回收裝置（VRU），經(jīng)過分離器和冷凝罐后，再燒掉剩余的燃?xì)?。這時(shí)很容易安裝一臺(tái)無線溫度傳感器，用于監(jiān)視VRU，如果有火焰冒出，就要發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，通知操作員。
無線儀表是一場(chǎng)不同的游戲
如果商業(yè)案例不斷增加，投資回報(bào)非常穩(wěn)定，為什么在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署無線儀表仍然有些勉強(qiáng)？有下面三個(gè)主要原因：
1. 可靠性
在工業(yè)應(yīng)用中，可靠性是首先要關(guān)心的問題。無線儀表的可靠性必須和傳統(tǒng)的有線儀表一樣可靠。甚至在比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程監(jiān)視，用戶期望這種儀表具有一定水平的可靠性和網(wǎng)絡(luò)可用性。有線系統(tǒng)非常容易實(shí)施診斷和故障跟蹤，因?yàn)榻橘|(zhì)就是電纜導(dǎo)線，是一種物理存在，除非被挖走了。而無線，從另一個(gè)方面來講，使用了一種不可見的空氣做為介質(zhì)。無線電信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨空間的距離增加而衰減，信號(hào)衰減的程度與傳播距離的平方成正比。無線電信號(hào)還會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)的山石地理、樹木草叢、河流水系、建筑物體反射的影響。此外，來自附近的無線系統(tǒng)的干擾，諸如蜂窩電話基站的加入也帶來更多的挑戰(zhàn)。
針對(duì)以上的多種問題，優(yōu)良的射頻（RF）設(shè)計(jì)非常重要。設(shè)計(jì)高靈敏的無線電接收機(jī)，使用功率更大的發(fā)送機(jī)、增益更強(qiáng)的天線，工程師能夠建立高可靠性的點(diǎn)到多點(diǎn)RF連接。
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2. 適應(yīng)性
無線儀表網(wǎng)絡(luò)需要適應(yīng)現(xiàn)有的環(huán)境。僅僅為了創(chuàng)建一個(gè)可靠的無線連接，而需要移動(dòng)一眼井口、一臺(tái)壓縮機(jī)、一個(gè)儲(chǔ)罐或者一臺(tái)分離機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。在大范圍的SCADA網(wǎng)絡(luò)中，在現(xiàn)場(chǎng)可以非常容易地找到一個(gè)視線可及的10米的高塔。也可以增加塔的高度，擴(kuò)展信號(hào)的范圍，避免障礙物的阻擋。無線儀表網(wǎng)絡(luò)雖沒有那樣的奢侈，但有時(shí)找到一個(gè)接入點(diǎn)或者為無線儀表能提供可靠性通信的無線電基站是不容易的。重新為接入點(diǎn)或者無線電基站定位可以改進(jìn)RF連接，但一個(gè)傳感器的連接效果提高可能會(huì)使同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的其他傳感器連接效果降低。
使用低的頻率波段可以改善適應(yīng)性，諸如無需許可的900 MHz波段，能夠提供很好的覆蓋和距離范圍，好的傳播特性使得信號(hào)能穿透障礙物。另外，高增益外接天線安裝得要盡可能高，使得信號(hào)能夠訪問很難到達(dá)的傳感器，這種傳感器可能位于一個(gè)儲(chǔ)罐底部。提高無線電模塊的接收靈敏度也起著重要的作用，它確保了網(wǎng)絡(luò)在不同工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性。
3. 集成性
多數(shù)的石化生產(chǎn)、過程工廠和管線設(shè)施，在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)具備一些無線能力。大范圍的專有 SCADA網(wǎng)絡(luò)，多采用點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，而本地?zé)o線局域網(wǎng)則使用公共系統(tǒng)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都用于特定的目的，諸如控制數(shù)據(jù)傳送，高帶寬通信和視頻監(jiān)視。工程師和操作員正面對(duì)集成無線儀表網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)其他總線的挑戰(zhàn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作員來說，管理和調(diào)試分布的無線網(wǎng)絡(luò)需要更高的水平，所以他們不愿意采用無線儀表，盡管能大大降低了成本。
無線網(wǎng)絡(luò)集成是一種進(jìn)退兩難的選擇，尤其在SCADA系統(tǒng)中。因?yàn)闊o線儀表網(wǎng)絡(luò)被假設(shè)成捆綁在同一個(gè)SCADA體系架構(gòu)中的，為了把有價(jià)值的操作數(shù)據(jù)傳遞到SCADA主站，把所有相關(guān)網(wǎng)絡(luò)做為一個(gè)整體架構(gòu)來管理是基本的能力要求。
而且，有能力訪問難以到達(dá)的區(qū)域和以前認(rèn)為是不劃算收集信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以給操作員提供過程和工廠運(yùn)行更好的可視化界面。然而，為了監(jiān)視和分析這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須在某些地方結(jié)束。SCADA系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)成：處理一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)或者標(biāo)簽。對(duì)系統(tǒng)增加處理額外的數(shù)據(jù)點(diǎn)、并把它們集成到趨勢(shì)和報(bào)告中，需要更多的花費(fèi)。
盡管現(xiàn)在在過程控制市場(chǎng)有著豐富的工具，可用于捕捉、處理和分析數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性仍然是一項(xiàng)重要的任務(wù)。做為增加無線儀表網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，一些SCADA系統(tǒng)甚至有一種分開的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，做為選件購(gòu)買，專門處理海量數(shù)據(jù)。
針對(duì)無線和數(shù)據(jù)集成的挑戰(zhàn)
多種先進(jìn)的無線儀表基站或者網(wǎng)關(guān)設(shè)備現(xiàn)在正在市場(chǎng)中涌現(xiàn)，它們是針對(duì)這種需求應(yīng)運(yùn)而生。新一代的網(wǎng)關(guān)，在同一個(gè)設(shè)備上集成了無線儀表基站和長(zhǎng)距離的工業(yè)無線電。無線儀表基站具有一個(gè)Modbus數(shù)據(jù)端口，可以外接一個(gè)Modbus主站，通過對(duì)無線基站的輪詢，可以查看基站的狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)單元的狀態(tài)和過程值信息。它還有一個(gè)診斷口，可以連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理軟件，可對(duì)傳感器進(jìn)行配置和診斷。這兩個(gè)數(shù)據(jù)流通過一個(gè)先進(jìn)的長(zhǎng)距離串行線或者以太網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)被同時(shí)發(fā)送。這就是它實(shí)際的工作原理。
無線儀表基站和所有現(xiàn)場(chǎng)單元必須有RF通道和設(shè)置成一致的波特率。
每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)單元必須有它的RF標(biāo)識(shí)（ID），設(shè)置成獨(dú)一無二的值。這個(gè)值將用于而后的Modbus 數(shù)據(jù)輪詢。
無線基站的Modbus串口波特率必須可以設(shè)置，配合長(zhǎng)距離的無線使用。
無線設(shè)備標(biāo)識(shí)ID必須可以設(shè)置。這個(gè)值會(huì)在以后的Modbus輪詢系統(tǒng)中需要。集成長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程無線基站配置成一個(gè)遠(yuǎn)程接力設(shè)備，把信息傳送到位于主SCADA中心的一個(gè)無線電主站。無線基站上兩個(gè)可用的串口配置到Modbus輪詢的通道和診斷數(shù)據(jù)同時(shí)到無線儀表主站。通過現(xiàn)有的長(zhǎng)距離SCADA體系架構(gòu)，允許操作員管理和診斷無線儀表網(wǎng)絡(luò)。用于所有現(xiàn)場(chǎng)單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息可以在分布的HMI和集成的SCADA主站上顯示。
在數(shù)據(jù)集成前端，現(xiàn)代SCADA主站軟件提供了一個(gè)完整的集成環(huán)境，包括一個(gè)集成的和伸縮的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，專門處理海量數(shù)據(jù)，不需要通過昂貴和經(jīng)常的升級(jí)過程?；谀０宓腟CADA屏幕開發(fā)允許工程師在他們的系統(tǒng)中，容易和快速地加入數(shù)據(jù)點(diǎn)。
結(jié)論
隨著無線儀表網(wǎng)絡(luò)使用的不斷增加，用戶將面臨多個(gè)挑戰(zhàn)，對(duì)他們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，要確?？煽啃浴⑦m應(yīng)性和集成性。新RF和天線設(shè)計(jì)幫助解決可靠性和適應(yīng)性的問題。留下的無線和數(shù)據(jù)的集成，對(duì)現(xiàn)有的SCADA架構(gòu)提出了一個(gè)艱巨的任務(wù)要完成。幸運(yùn)的是，混合網(wǎng)關(guān)，傳感器網(wǎng)絡(luò)基站和長(zhǎng)距離無線電已經(jīng)集成，允許用戶從一個(gè)點(diǎn)監(jiān)視、管理和診斷他們的分散無線系統(tǒng)。同樣的，先進(jìn)的SCADA主站軟件，帶有一個(gè)集成的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和使用模板的快速開發(fā)環(huán)境，可以促進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)增加的新數(shù)據(jù)點(diǎn)的集成。
（轉(zhuǎn)載）
