一文看懂實時控制——無線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的新趨勢

盡管目前無線技術(shù)主要用于監(jiān)控和診斷，但隨著能源收集、無線適配器以及先進(jìn)控制算法等領(lǐng)域的發(fā)展，無線技術(shù)將適用于更多應(yīng)用的實時控制。

無線傳感技術(shù)正被用在全球數(shù)以萬計的過程工業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中，而且制造商反映無線網(wǎng)絡(luò)的需求很大，是工業(yè)領(lǐng)域中增長快速的一個部分。將儀表與過程工業(yè)的控制和監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，普遍使用了來自于FieldComm集團(tuán)的WirelessHART技術(shù)以及國際自動化學(xué)會（ISA）的ISA100標(biāo)準(zhǔn)。

盡管無線技術(shù)主要用于監(jiān)控設(shè)備和診斷問題，但目前的趨勢顯示很快就會在更大的范圍內(nèi)使用無線控制了，特別是有了新工具以后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和使用會更加簡便。

使用無線技術(shù)的首要理由是低成本。相比較之下，安裝無線變送器并將其與控制系統(tǒng)連接的成本僅僅是使用有線變送器的一小部分。安裝一臺無線變送器并與控制系統(tǒng)連接的成本僅僅是有線變送器的五分之一到三分之一。

使用無線技術(shù)的另一個主要原因是安裝簡便，特別是使用電池供電的無線變送器。無線變送器不需要通過信號線將信息傳送給相應(yīng)的無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)需要通過硬接線與一個或多個控制監(jiān)控系統(tǒng)連接。電池供電的設(shè)備不需要供電接線，因此事實上它們可以安裝在任何地方、對任何設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

這意味著例如蒸汽疏水閥（請見圖1）、熱交換器、泵、壓縮機以及泄壓閥都可以通過無線輕松地監(jiān)控。在許多情況下，采用有線儀表對這些設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控太昂貴了，通常是因為它們所處的位置沒有可以用于接線的設(shè)施。

圖1：監(jiān)控蒸汽疏水閥的一臺羅斯蒙特708無線聲波變送器可以安裝在那些對于有線儀表接線安裝來說太貴或太困難的位置。

無線設(shè)備真的可以在偏遠(yuǎn)的地點工作，例如海上平臺、井口、抽水站、泵站、管線、罐區(qū)、以及石油終端。在這些情況下，無線儀表連接到一個網(wǎng)關(guān)上，網(wǎng)關(guān)可以通過硬接線連接到本地的控制監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)也可以通過硬接線連接到長距離無線傳輸系統(tǒng)上。

低成本和安裝簡便的特點，讓無線技術(shù)能夠更好地滿足工廠優(yōu)化生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高效率以及降低維護(hù)成本等需求。

例如，無線傳感器和專屬的軟件（請見圖2）可以檢測蒸汽疏水閥的問題。這些系統(tǒng)能夠診斷故障、確定可能的誘因、并且通知維護(hù)人員有一臺設(shè)備即將故障或運行不規(guī)律。當(dāng)維護(hù)人員進(jìn)入工廠進(jìn)行故障排除時，會對問題了然于心。與此類似，因為WirelessHART為工廠工程師和技術(shù)人員提供了訪問HART儀表上所有診斷和狀態(tài)信息的功能，使他們可以在問題導(dǎo)致工藝停機之前檢測到未解決的問題。

圖2：無線蒸汽疏水閥聲波傳感器與艾默生的資產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用軟件組合在一起，使用傳感器的數(shù)據(jù)提供可操作的信息并且在小故障惡化成大問題之前將其發(fā)現(xiàn)。

到目前為止，無線技術(shù)幾乎無一例外地用于監(jiān)控和維護(hù)目的，主要是因為其數(shù)據(jù)更新速率。為了保證電池壽命，大部分工廠將無線變送器的更新時間設(shè)置到與有線變送器相比較低的速率。如果更新速率設(shè)置為每8秒鐘一次，電池可以使用5到7年。不幸的是，8秒的更新速率不適用于控制快速過程，例如流體或氣流。

如果不考慮更新速率，無線技術(shù)已經(jīng)可以用于快速過程控制。例如，無線技術(shù)正在用于偏遠(yuǎn)罐體的防溢流控制。如果無線液位計檢測到可能發(fā)生溢流的狀況，控制系統(tǒng)向安裝了無線適配器的閥門執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送一個信號來切斷流量。在墨西哥，使用無線方式關(guān)閉遠(yuǎn)程泵的工作正在進(jìn)行當(dāng)中。近期的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢，使得無線技術(shù)更加適合一些應(yīng)用場合的實時控制。

各種技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展正匯聚到一起讓無線控制在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越可行。

能源收集能夠?qū)⒃谶^程工廠里發(fā)現(xiàn)的能源轉(zhuǎn)化成無線設(shè)備可以使用的電能。最近發(fā)布的熱能收集器是一款設(shè)計用來為無線儀表供電的能源收集設(shè)備（請見圖3）。熱能源收集器利用工業(yè)熱源與環(huán)境空氣之間的溫度差來發(fā)電。

圖3：熱能源收集器利用工業(yè)熱源與環(huán)境空氣之間的溫度差來發(fā)電。

在工廠中耗能比較大的旋轉(zhuǎn)設(shè)備（例如電機、風(fēng)機、壓縮機和泵）以及運載蒸汽或其他加熱的過程流體的管道上到處都可以發(fā)現(xiàn)熱源。多種配置可以用于大范圍的各種可能的熱源，包括溫度高達(dá)450攝氏度的平面或圓柱體面。由于熱能收集解決方案用電池供電，它們在供電冗余方面有額外的安全保障，即在能源收集過程中發(fā)生熱量中斷的情況下電池可以繼續(xù)供電。

表1：有了能源收集，一臺無線變送器可以在更新速率為每秒一次的情況下工作超過10年而不需要更換電池。

表1中顯示了使用能源收集的無線壓力變送器的電池壽命（以年為單位）。只要熱源溫差在40攝氏度，一臺能源收集器就可以保證其在一秒鐘的更新速率下工作超過十年，而不需要使用后備電池。

下一輪趨勢是無線適配器不斷增加的可用性，這使得傳統(tǒng)的儀表和工廠設(shè)備可以連接到無線網(wǎng)絡(luò)上。已經(jīng)有幾家儀表供應(yīng)商提供可以將標(biāo)準(zhǔn)的4-20毫安變送器轉(zhuǎn)變?yōu)閃irelessHART或ISA100的適配器。

在世界范圍內(nèi)的過程工廠里，安裝了數(shù)以萬計的可以進(jìn)行HART通訊的4-20毫安儀表，可是許多工廠還沒有為每一臺儀表開發(fā)其全部HART功能。許多工廠使用手持式HART接口設(shè)備手動檢測儀表的狀態(tài)和診斷信息，不過這些信息無法傳到控制室去。

要想在一臺傳統(tǒng)的儀表和控制系統(tǒng)之間建立接口，通常需要安裝HART調(diào)制解調(diào)器、為調(diào)制解調(diào)器提供電纜供電、以及控制室內(nèi)用來提取數(shù)據(jù)的軟件。一些傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)必須經(jīng)過大量的定制編程才能使用HART數(shù)據(jù)。無線HART協(xié)議適配器通過將HART協(xié)議轉(zhuǎn)變?yōu)镸odbus RTU或某一種以太網(wǎng)協(xié)議來解決這些問題。

例如，位于紐約州羅契斯特的門羅縣垃圾處理廠依賴操作員的巡檢為三條生產(chǎn)線抄錄流量表讀數(shù)。流量計位于這個一英里長的工廠內(nèi)的另一個建筑內(nèi)，離控制室太遠(yuǎn)了，無法鋪設(shè)電纜連接。沒有可用的電纜導(dǎo)管，而且現(xiàn)有本地控制系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）機架都已經(jīng)用滿了。因此，操作員每小時去一次那個建筑，記錄下瞬時的流速讀數(shù)，然后手動計算總的流量。

工廠購買了三臺無線適配器用于三臺需要在線的電磁流量計以及一臺為無線網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)架構(gòu)的無線網(wǎng)關(guān)?，F(xiàn)在工廠有了操作員從控制臺上可以監(jiān)控的實時的流量信息。

無線適配器也可以安裝在控制設(shè)備上。例如，在控制閥上，一臺無線適配器可以安裝在一臺電子閥門定位器上用于無線閉環(huán)控制。類似的安裝方式可以適用于調(diào)速電機傳動設(shè)備的控制。

另一項有趣的進(jìn)步是可以用于30秒以下響應(yīng)時間的控制過程的改進(jìn)版比例-積分-微分算法，例如用在蒸餾塔上。改進(jìn)過的程序調(diào)整了PID算法，使其可以自動地適應(yīng)無線傳感器的更長的更新時間。德克薩斯大學(xué)的研究顯示對于隔離壁蒸餾塔的實時控制來說，使用無線變送器先進(jìn)的PID控制的效果和使用有線變送器PID控制的效果不相上下。

為許多應(yīng)用場合部署無線控制的條件已經(jīng)越來越成熟。圖4顯示了一個采用了無線傳感器、接入點以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將它們與控制系統(tǒng)連在一起的典型無線系統(tǒng)。

圖4：一套來自艾默生的WirelessHART系統(tǒng)展示了無線傳感器、接入點以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)如何連接到控制系統(tǒng)上。在一種應(yīng)用場合，當(dāng)無線液位變送器檢測到可能發(fā)生溢流的情況，控制系統(tǒng)向安裝有無線適配器的Fisher閥門執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送一個信號來切斷流量。另一個工廠使用三臺配有艾默生無線THUM適配器的三臺電磁流量計和一個無線網(wǎng)關(guān)，創(chuàng)建了一個無線HART網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為操作員提供了可以在操作臺上監(jiān)控的實時流量信息。艾默生的PIDPlus程序為無線通訊優(yōu)化了PID控制。

無線變送器可以運行在1到2秒的更新速率上，這對于大多數(shù)過程控制應(yīng)用來說已經(jīng)足夠快了。無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理員可以規(guī)劃需要無線傳感器提供什么樣的更新速率，因此關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)可以快速地到達(dá)控制系統(tǒng)。

如果控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線或4-20毫安來連接控制設(shè)備，那樣沒有問題?？墒?，如果控制信號是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)模瑔栴}在于網(wǎng)絡(luò)管理員不能像規(guī)劃無線輸入信號那樣規(guī)劃無線輸出信號的傳輸時間。一個無線控制信號要到達(dá)一臺設(shè)備所需要的時間可能從10秒到幾分鐘。

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)管理員的工作有了一些進(jìn)展，可以實現(xiàn)對無線輸出信號的規(guī)劃，完成無線控制難題的最后一部分。

無線系統(tǒng)低成本和安裝簡便的優(yōu)勢幫助工廠提高效率、優(yōu)化運行、減少維護(hù)成本以及找到小故障，從而有助于避免停機或?qū)⑼C時間縮到最短。

到目前為止，由于響應(yīng)時間慢以及電池壽命的問題，無線變送器還主要是用于監(jiān)控，而不是控制。包括能源收集、無線適配器以及先進(jìn)的控制算法等最近的發(fā)展意味著，無線控制幾乎適用于任何應(yīng)用。