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为过程工厂提供工业物联网功能

来源:2019年马会全年资料2019.10.22阅读 480

  在过去几年中,随着过程工业数字化转型的开展,设备级无线网络是一个重要的实施元素,将更高级别的网络扩展到过程本身。在互联网领域普遍采用WiFi无线以太网,但是过程工业综合体拥有大量使用模拟和数字现场总线通信的现场仪表和执行器。这些设备尚未采用Wi-Fi,并且没有迹象表明这种情况会在短时间内发生明显变化。
  现在,设备级网络已经开始采用无线通信。用于此类应用主要采用的是WirelessHART协议,自2007年首次发布以来,其硬件可用性和部署稳步增长,并于2010年被采用为全球标准IEC 62591。
  作为WirelessHART协议的早期实践者,艾默生自动化解决方案一直使用WirelessHART协议提供设备。其变送器和网关被安装在超过38,900多个网络上。该服务记录可以解决有关WirelessHART协议可靠性和性能的相关疑虑。
  为过程控制部署无线
  由于消除了昂贵的布线,因此部署WirelessHART协议可以降低仪器安装成本。在现有炼油厂中增加有线仪器的成本CONTROL ENGINEERING China版权所有,费用大概在5,000美元到50,000美元之间。如果能节省这些成本,必定受到客户的欢迎。
  尽管如此,重型炼油和石化行业并不会因一时兴起而采用新技术,即使预期可以降低75%的成本。鉴于与诸如工业物联网(IIoT)甚至WirelessHART协议之类复杂事物相关的错误决策,可能会造成严重后果,必须事先对其进行广泛的审查。企业的内部团队需要仔细思考新技术所带来的风险和利弊。他们需要考虑哪些领域适合使用,以及哪些领域应该避免使用这些应用。
  早期,许多公司必须确认WirelessHART协议像所宣传的那样可靠且易于使用,因此他们经常在其工厂中最不重要的部分进行小规模的部署以证明这一概念。如今CONTROL ENGINEERING China版权所有,很少有用户会这么做,但仍然有些用户需要更多的证据来说服。
  更有效的使用无线仪表
  WirelessHART协议的主要目的是消除有线基础设施及相关成本和安装时间。哪些领域可以最有效地使用无线仪器?
  无线仪表的选择和评估流程图(见图1)可以为用户提供更具体的参考。专家们建议应该避免将其应用于安全应用。安全仪表系统(SIS)或仪表保护功能(IPF)应继续使用有线。

图1:从左上角开始,可以评估不同类型的仪器应用,以确定它们是否适用于WirelessHART协议设备。

  如果应用程序是回路控制怎么办? 在这里,传统观点会再次选择有线应用,但许多人并没有很快排除无线应用。并非所有的控制回路都是关键控制,也并不总是涉及关键报警,因此许多工厂都愿意在这种情况下探索无线网络的使用。对于“大于X年的电池寿命”决策块,“X”取决于变送器规格和工厂对更换电池容忍度。决定是否采用无线,则应根据例外批准程序进行,该程序有助于探索有前景的应用,否则的话就应视为中间地带。
  如果应用程序是处于第二层级,则该问题主要与机械有关。如果设备以每5秒甚至更快的速率进行更新,则功耗过高,电源模块寿命太短(表1)。通常的经验法则表明,无线变送器最快的刷新率应为8秒。那些要求以几乎恒定的速率刷新的应用2019年马会全年资料版权所有,也可能被认为需要使用有线仪器。现场经验表明,大多数WirelessHART协议用户所需要的刷新周期都比较长,通常为60秒,以最大限度地降低功耗。按照这个速度,内部电源模块可以轻松使用10年。

表1.以罗斯蒙特3051S压力变送器为例,解释更新速率对电池寿命的影响程度。


  下一步需要确定无线变送器是否可用。这可以定义为由内部电源供电的独立无线变送器。当然,这需要将低功耗的传感器和变送器组合成封装单元,可从仪表供应商处获得。自WirelessHART协议推出以来,可用的选项已经大大增加。仪表供应商在改善功耗特性方面取得了长足的进步。
  电池续航时间并不相同,这就带来了下一个问题:电池寿命是否大于“X”年? X值取决于工厂对维护时间更换电池的容忍度,并且很少有维护经理对任何不能可靠运行5年的事物感兴趣。
  然而,并不是每种类型的过程仪器都适合电池供电,因此问题是:是否可以使用适配器? WirelessHART协议适配器可以添加到任何HART 5.0或更新的设备上。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,将适配器添加到已通过4-20 mA连接的仪器上,以采集次级变量和诊断数据。在其它情况下,适配器被添加到诸如科里奥利流量计之类的仪器中,这些功率消耗对于内部电池功率来说太高。适配器通常没有内部电源,因此在某些情况下可能需要为仪器提供接线和适配器装置以传输电源,但不传输信号。这通常不是问题。在大多数过程工厂中,在装置附近可以使用合适的仪表级直流电源。
  因此,如果应用程序合适并且机械问题可以解决,则可以继续使用WirelessHART协议设备。虽然看起来有点过于严峻www.afflogin.com,但在现实环境中,实际应用的数量往往要高于最初的预期。
  网关要求
  从基本角度来说,网关从WirelessHART协议仪器接收数据并将其传送到更大的工厂网络和主机系统。由于这会导致仪器和网关之间通信的单点故障,因此大多数工厂会使用冗余系统(图2)。由于网关以不同方式集成到工厂网络中,因此需要对这些方面进行审核。

图2:冗余网关提升了较大网络的可靠性,并使用各种硬接线集成到主机系统。

  还应考虑WirelessHART协议设备状态监测传感器的可用性,例如部署在关键旋转设备上的振动和轴承状态传感器。传感器数据通常不需要传输到主自动化主机系统www.afflogin.com,因为这些数据不会影响过程控制。当来自各种设备的数据(监控和过程)通过网关接入时,工厂可能会将一些数据传输到控制室,而其它数据则传输到维护部门平台,例如资产管理。
  随着WirelessHART协议网络的扩展,已经可以覆盖更多的区域,大多数工厂采用并列运行的多个网络。将相似的设备相互关联,可以更轻松地将数据发送到正确的目的地。必须有条理地接近这种分区,以确保每个网络上有适当数量的设备以支持有效的网格划分,并为各个发送器提供足够的冗余路径以相互通信。
  距离和网络密度
  WirelessHART协议使用自组织网状网络。如果某个给定设备无法直接到达网关,各个无线设备会自动相互通信并调整通信路径并互为数据中继点。因此,彼此互通的设备越多,通信越可靠。系统工程指南IEC 62591 WirelessHART协议提供了对网络机制的深入讨论。遵循基本的最佳实践,大多数工厂预期的可靠性都超过99%。
  是否能够获得更积极的性能数据,往往取决于使用网关制造商提供的网络诊断工具。这些工具表明了如何形成通信路径以及如何实现它们的可靠性。如果网络的某个部分网格划分的机会太少,则可以另外加入变送器。
  尽管WirelessHART协议传输功耗低,却具有较强的鲁棒性,可以实现长距离覆盖,不过有一定的限制。必须考虑炼油厂和化工厂常见的大型钢结构,以及难以预测的信号被反射或吸收的工况。用于规划合适传输路径的现场调查可能会有所帮助,但最好使用网络性能分析。使用无线规划工具可以帮助评估设施与部署行业的最佳实践。
  例如,一家炼油厂开发的经验法则,将可行的传输距离与设备密度联系起来:
  ●严重阻塞:100英尺 - 典型的高密度工厂环境,过于拥挤,无法驾驶卡车穿过该区域。
  ●中等阻塞:250英尺 - 工艺区域密集度较低,设备和基础设施之间有很大的空间。
  ●光线阻挡:500英尺 - 典型的油库,有很大的障碍物,但两者之间有很大的空间。
  ●清晰的场地线:750英尺 - 当天线安装在障碍物上方时,可以实现最大距离传输,并且地形变化的角度小于5度。专用天线有助于实现更长的距离。
  根据不同的应用,实际结果可能会有所不同,但这些指导可以为用户提供切合实际的预期和参考。
  实现最优的配置
  最智能的软件也无法克服物理硬件的限制。分布式控制系统(DCS)和资产管理平台往往是庞大而单一的,但现在正在被使用移动设备和云的、更小但开销也更小的密集型系统所补充和替代。
  虽然在相同的应用中,也可以通过有线设备以获取类似的数据,但是通信路径可能太复杂而不可行。因此,在IIoT时代,WirelessHART协议的价值主张正在增长,节省与消除了布线相关的成本,增加了易访问性。虽然这可能更难以量化,但它为许多应用提供了快速回报。(作者:Dan Carlson)
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