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工业数字化转型系列之---WirelessHART 无线网络

关键词:   发布时间:2019-10-15 06:15:01


近几年,随着过程行业的数字化转型不断发展,设备级无线网络逐渐成为一个热门话题。过程行业拥有大量采用模拟和数字现场总线通讯方式的现场仪表和执行机构。这些设备尚未采用Wi-Fi,且没有迹象表明将改为使用Wi-Fi。


现在,设备级无线通讯网络主要采用WirelessHART协议。自2007年WirelessHART首次发布以来,硬件的可用性和部署数量一直稳步增长。2010年,经批准WirelessHART作为IEC 62591全球通讯标准。


艾默生自动化解决方案使用全球公认的 WirelessHART标准,只要经过国际现场通讯技术基金会(FieldComm)认证的设备,无论供应商是谁,都可以相互通讯。


部署WirelessHART 网络可以避免昂贵布线,进而降低仪表的安装成本。

炼油厂新增一个有线仪表的安装成本在5,000美元到50,000美元之间。避免这些成本本应乐而为之。然而,即使可以降低75%的成本,但是重型炼油和石化行业都不会一时兴起去采用新技术。鉴于与复杂事物(诸如IIoT甚至WirelessHART)相关的错误决策会存在潜在不良后果,因此在使用前必须提前进行广泛审查。

图1 该网络架构支持现场仪器和执行机构通过网状网络进行通讯,并支持可靠的数据传输。每个设备都作为一个数据源和潜在中继点。


内部团队试着思考新技术的风险和利弊。他们考虑哪些地方应该或者可以使用合适的应用,同时哪些地方应该避免采用这些应用。


早期,需要说服许多公司相信WirelessHART像宣传的一样,可靠且易于使用;因此,要证实这一点,通常在工厂中不重要的地方小规模地部署WirelessHART。如今,很少有用户会像以往那样,但是有些用户还是需要被说服。


艾默生与最终用户公司合作开展WirelessHART技术评审。评审中出现的一些问题可能只针对某个公司或某一现场,还有一些问题可能是普遍性的考虑因素。为了帮助那些考虑采用WirelessHART和技术具有更大概念的IIoT技术的人更好地了解这些内容,下面对其中一些要点进行了概述。


什么是 WirelessHART?



IEC 62591 WirelessHART(图1)由HART通讯基金会(现为FieldComm集团的一部分)开发。该无线协议基于传统的4-20 mA有线HART协议。利用现有仪表架构部署并维护仪表,但是无需部署信号线和辅助设施(包括接线盒、电缆桥架、布线柜等)的传统安装成本。


图2 从左上角开始,可以评估不同类型的仪表应用,以确定它们是否适合采用WirelessHART设备。


WirelessHART网络使用2.4 GHz频谱,最多可以支持15个信道同时运行且相互兼容。它还能与在相同频谱下运行的802.11 Wi-Fi系统兼容。所有网络传输都加密,网关还具有额外的安全功能,用于安全地将数据集成至主机系统。


网关是搭建WirelessHART网络的主要基础设施要求,它可以管理无线网络。它还可以通过Modbus RTU、Modbus TCP、OPC、HART IP或以太网IP接口以及其它供应商特定协议等硬连线方式将过程数据和诊断数据集成至主机系统。


应 用 选 择



图3 变送器可以决定更新速度对电池寿命的影响程度。


WirelessHART的主要目的是减少有线基础设施及相关成本和安装时间。在哪些地方可以有效地使用无线仪表呢?


流程选择图(图2)从左上角开始。人们一致认为应该避免在安全应用中采用无线仪表。与WirelessHART一样,安全仪表系统(SIS)或仪表保护功能(IPF)应采用有线方式。除此之外,使用界限便没有那么清楚了。


如果该应用是控制环路怎么办?如果是这样,传统观点认为应采用有线连接,但许多人都很快忽视了这种可能性。不是所有的控制回路都很关键,并且总会引起关键报警;因此,许多工厂愿意在这种情况下考虑采用无线技术。对于“电池寿命超过X年”的决策块,电池的具体使用年限“X”取决于变送器规格和工厂对于更换电池的年限要求。决定是否继续采用无线技术还要根据例外的批准程序,否则视为临界情况。


如果应用位于上图中的第二级,则问题与机械相关。如果设备更新速率为每五秒一次或更短,则功耗过高,电源模块寿命太短(图3)。通常经验表明,无线变送器的最快更新率应为8秒。通常要求恒定更新率的应用一般被认为应使用有线仪表。现场经验表明,采用WirelessHART技术的用户所需的更新率较长,通常为60秒,以便更大限度地降低功耗。按照这个更新速率,内部电源模块可以轻松使用10年。


另一个问题是确定是否有适用的无线变送器。这可以定义为采用内部电源供电的独立无线变送器。显而易见,这就需要仪表供应商将传感器与变送器组合成一个低耗电装置。自WirelessHART推出以来,可供选择的无线仪表已经大大增加。仪表供应商在改善功耗特性方面取得了很大进展。


电池续航时间不相同,引出了另一个问题:电池寿命是否超过“x”年?x的值取决于工厂对维护时间的要求,几乎没有几个维护经理会对5年内无法可靠运行的设备感兴趣。




图4 WirelessHART无线适配器(如艾默生THUM)可以安装到任何HART 5.0或更高版本的设备上。


然而,并不是每种类型的过程仪表都适合电池供电,因此又引出一个问题:可以使用适配器吗?WirelessHART无线适配器(图4)可以安装在任何HART 5.0或更高版本的设备上。无线适配器通过网关将主过程变量和附加数据发送到主机系统。


在某些情况下,将无线适配器安装到已通过4-20 mA连接的有线仪表上,以获取次要变量和诊断数据。在其它情况下,将无线适配器安装到诸如科里奥利流量计之类的仪表上;在这些应用中,通常内部电池功耗较高。无线适配器通常没有内部电源,也不能传输信号,因此在某些情况下可能需要为仪表提供接线并进行无线适配器设置以获取供电。这一点通常不是问题。在大多数过程工厂中,通常设备的附近都有一个合适的仪表级直流电源。


图5 冗余网关可以提升较大型网络的可靠性,并使用各种硬连线接口集成到主机系统。


如果应用合适并且机械问题可以得以解决,则可以使用WirelessHART设备。看起来甄选过程似乎太过严苛,但在实际环境中,实际应用数量往往高于最初预期。


网 关 要 求



基本上来说,网关从WirelessHART仪表接收数据并将其传送到规模更大的工厂网络和主机系统。由于这样会存在仪表与网关的单点通讯故障,因此大多数工厂采用冗余系统(图5)。由于网关可以通过不同的方式集成到工厂网络中,因此对于这一点需要评估审查。


用于设备状态监测的WirelessHART设备(图6)不断增加,例如可以考虑在关键旋转设备上部署振动和轴承状态监测传感器。由于这些数据不会对过程控制产生影响;因此,通常不需要将这些传感器数据输送至主要自动化主机系统。各种用于监测和过程控制的设备数据(监测和处理)全部通过一个网关进行传输,工厂可能会将一些数据传送至控制室,而将其它数据传送至维护部门平台,例如用于资产管理。

图6 设备状态监测传感器适用于从电机到疏水阀的各种工厂设备。


随着WirelessHART网络不断扩展并覆盖更多区域,大多数工厂采用多个网络并行运行的方式。确保相似的设备相互关联,可以更轻松地将数据发送至正确的目的地。必须进行合理分段,以确保每个网络上有适当数量的设备,以便构建有效的网状架构,并为每个变送器提供足够的冗余路径,以便彼此通信。


距离和网络密度



WirelessHART采用自组织网状网络。各个无线设备之间自动通讯并自动调整通讯路径,如果给定设备无法直接与网关直接通讯,则他们相互使用对方作为数据中继点进行通讯。因此,相互通讯的设备越多,通讯就越可靠。IEC 62591 WirelessHART系统工程指南是一本非常不错的参考手册,其中深入讨论了网络机制。还好设计有效网络并不复杂。根据一些基本的最佳实践,大多数工厂可以实现无线通讯可靠性超过99%。

图7 网络诊断工具可用于查看和改善网络性能、可靠性和电池寿命。


其中一些取决于是否临近安装和预期传输距离。使用网关制造商提供的网络诊断工具可以获得更可靠的网络性能数据。由于网关可以管理网络,因此它应包括显示网络如何自组的工具。复杂的工具(图7)可以显示通讯路径的形成方式以及可靠性。如果网络中能够构建网状结构的机会太少,则可以增加一台变送器充当中继器,同时该变送器自身不会生成数据。


WirelessHART无线电传输可靠且覆盖距离较长,虽然功耗低,但也受到其他条件约束。炼油厂和化工厂中常见的大型钢结构必须加以考虑,并且在这些情况下很难预测出信号被反射或吸收的限制条件。经过现场调研来规划合适的传输路径可能会有所帮助,但是最好采用网络性能分析工具。无线规划工具可以帮助您进行设施评估并根据行业最佳实践来部署网络。


一家炼油厂基于设备密度的可视传输距离的经验,如下:


  • 严重阻碍:100英尺 - 典型的高密度工厂环境,太拥挤,无法驾驶卡车穿过该区域。

  • 中度阻碍:250英尺 – 低密度过程区域,设备和基础设施之间的空间较大。

  • 视线阻碍:500英尺 - 典型的罐区应用,有很大的障碍物但两者之间空间很大。

  • 视线清晰:750英尺 - 当在障碍物上方安装天线且地形变化角度小于5度时,又可能实现最大传输距离。使用专用天线有助于实现更长的传输距离。


以上是指导方针。实际结果可能会有所不同,但这些估算值可以为您提供实际预估指导。


应 用 扩 展



经证明无线HART网络可以有效实现自组织网络。当今,许多网络都是过去安装、打开,并且出于实际目的开始工作的。其内置功能可以按预期完成工作。然而,最智能的软件也不能克服实际硬件限制。如果网络的某些部分表现不佳,则可能需将某个变送器的天线移动到更好的位置,或添加中继器来创建额外的通讯路径。一些简单操作就可以提高网络性能,但必须有人主动执行。


实现IIoT概念绝不仅仅是简单地搭建WirelessHART网络,但是这种通讯形式可以扩展网络架构的覆盖范围。随着工业自动化的不断发展,该需求也正在发生变化。


分布式控制系统(DCS)和资产管理平台往往庞大而单一,但现在使用移动设备和云技术的小型、成本经济型型系统已经可以补充并替代这些平台。例如,可以通过智能手机上的一个应用程序检查离心泵的机械状况。该应用程序可通过工厂网络和网关收到电机和泵上WirelessHART传感器的诊断信息。


虽然相同的app可以访问有线设备,获取类似数据,但是可能由于通讯路径太过复杂而不可行。传统的HART设备通常将数据发送到DCS或其它主机系统的输入/输出(I / O)卡,因此应用必须找到设备路径,这一点取决于其使用寿命,说起来容易做起来难。


在工业4.0或IIoT时代,基于减少布线成本和易于访问的优点,采用WirelessHART设备级无线网络正在逐渐被用户所接受。


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