流程行業(yè)無線技術(shù)應(yīng)用發(fā)展綜述

方原柏

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051)

0 引言

早期的無線技術(shù)作為有線技術(shù)的補(bǔ)充，只是單純的通信手段，以解決長距離數(shù)據(jù)傳輸為目的，多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。到了21世紀(jì)初，無線技術(shù)以解決低成本的信息獲取為目的，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化，力圖推動(dòng)工業(yè)測(cè)控方式的變革。當(dāng)前，無線傳輸技術(shù)包括藍(lán)牙、ZigBee、超短波數(shù)傳電臺(tái)、WiFi、GPRS等。在工業(yè)生產(chǎn)過程測(cè)量和控制領(lǐng)域，引起業(yè)界廣泛關(guān)注的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)有 Wireless HART、ISA100.11a和 WIA-PA。

1 信號(hào)傳送發(fā)展歷程

回顧20世紀(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程測(cè)量和控制的信號(hào)傳送方式大致經(jīng)歷了如下發(fā)展過程:①由多類別信號(hào)到統(tǒng)一信號(hào);②由氣動(dòng)信號(hào)到電動(dòng)信號(hào);③由模擬信號(hào)到智能數(shù)字信號(hào);④由一對(duì)一傳送到總線傳送;⑤由有線到無線，如圖1所示。

圖1 工業(yè)生產(chǎn)中信號(hào)傳送的發(fā)展過程Fig.1 Development process of the signal transmission modes in industrial production

2 流程行業(yè)無線技術(shù)

無線技術(shù)是節(jié)能環(huán)保、節(jié)省投資和運(yùn)營費(fèi)用、提高效率的新技術(shù)，所以它是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域的革命性技術(shù)。流程行業(yè)無線技術(shù)無需大量敷設(shè)導(dǎo)線、穿線管、電纜橋架，可以節(jié)省大量的銅、鋼材等原材料;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的長期持續(xù)供電可以由斷續(xù)供電且通電時(shí)間占比非常小的電池取代，節(jié)能效益顯著;設(shè)計(jì)、安裝施工、投運(yùn)工作量大大減少，時(shí)間大大縮短。

以昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院的某工程項(xiàng)目為例，其設(shè)計(jì)方案采用常規(guī)有線設(shè)備，圖紙目錄如表1所示。如設(shè)計(jì)方案采用無線設(shè)備，表1中序號(hào)為12～19的圖紙可以省去，從而使圖紙張數(shù)減少46%，總圖幅減少42%，這樣就省去了部分布線復(fù)雜、容易出錯(cuò)、耗費(fèi)精力的圖紙，從而減少了工作量。

對(duì)于自控工程安裝施工隊(duì)來說，采用無線設(shè)備后，導(dǎo)線、穿線管、電纜橋架的施工量可以減少80% ～90%，大量的耗費(fèi)體力甚至需要高空作業(yè)的工作可以精簡，投產(chǎn)前核對(duì)信號(hào)線的工作也得以簡化;而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員，少了許多接線柜、接線箱、敷設(shè)電纜、搭建橋架等工作，維護(hù)工作量大大減少。

表1 某工程項(xiàng)目圖紙目錄Tab.1 Directory of the drawings for a certain engineering project

近年來，一個(gè)新的提法——工業(yè)無線技術(shù)提高工廠效率，引起業(yè)界人員的廣泛關(guān)注。這是因?yàn)橹疤岬焦I(yè)無線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)時(shí)，更多強(qiáng)調(diào)的是可避免硬接線的成本;而在工業(yè)無線技術(shù)投入運(yùn)行之后，工廠管理人員、自控維護(hù)人員、生產(chǎn)操作人員更深刻體會(huì)到其最大的優(yōu)點(diǎn)是提高工廠效率。比如對(duì)以前難以傳送到控制室的參數(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控;檢測(cè)參數(shù)的增加幾乎隨時(shí)可以實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)擴(kuò)展更快速便利;當(dāng)操作人員離開控制室時(shí)，可以借助移動(dòng)工作站和巡檢設(shè)備進(jìn)行操作;硬接線的現(xiàn)場(chǎng)普通儀表升級(jí)為智能儀表(帶遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程自診斷功能)。

3 流程行業(yè)無線技術(shù)的三大國際標(biāo)準(zhǔn)

3.1 三大國際標(biāo)準(zhǔn)

目前在工業(yè)生產(chǎn)過程測(cè)量和控制領(lǐng)域，引起業(yè)界廣泛關(guān)注的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)主要有:以美國Emerson Process公司主導(dǎo)的 Wireless HART(HART通信基金會(huì)的規(guī)范)、以美國 Honeywell公司主導(dǎo)的ISA100.11a(美國 ISA學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品名稱為OneWireless)、中國工業(yè)無線聯(lián)盟提出的WIA-PA。

3.2 三大國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展和融合

三大國際標(biāo)準(zhǔn)雖然采用的技術(shù)路線不同，但由于無線技術(shù)是全新的通信技術(shù)，所以各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間雖有差異，但也能相互溝通、相互融合。如美國Honeywell公司2003年推出采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的XYR 5000壓力變送器，載頻為915 MHz;2007年推出的OneWireless，采用了ISA100.11a無線網(wǎng)絡(luò)的XYR 6000壓力變送器，載頻為2.4 GHz。Honeywell無線變送器最初無路由功能，后期版本路由功能可選;最初作為無線網(wǎng)關(guān)只有多功能節(jié)點(diǎn)，后來又增加了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入點(diǎn)(field device access point，F(xiàn)DAP)。最初WIA-PA路由器是獨(dú)立的設(shè)備，現(xiàn)在全部與變送器合為一體。ISA100.11a(OneWireless)、WIA-PA都開發(fā)了HART適配器，允許使用HART協(xié)議，現(xiàn)在Wireless HART也增加了WiFi的接入功能。

4 流程行業(yè)無線技術(shù)應(yīng)用的熱點(diǎn)分析

作為流程行業(yè)無線技術(shù)的用戶來說，對(duì)于無線技術(shù)的機(jī)理不會(huì)過分關(guān)心，但對(duì)于與實(shí)際應(yīng)用有關(guān)的系統(tǒng)構(gòu)成、特性、安全、費(fèi)用等熱點(diǎn)則會(huì)非常關(guān)注。下面將介紹這些熱點(diǎn)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)

Wireless HART 基于 IEEE 802.15.4 的物理層，定義了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Wireless HART建立在HART標(biāo)準(zhǔn)上，是HART通信協(xié)議的進(jìn)一步延伸。由于目前全球已安裝使用HART儀表3000萬臺(tái)以上，應(yīng)用基礎(chǔ)廣泛，有很多現(xiàn)成的工具可用，因此HART用戶接受得更快，更容易直接使Wireless HART進(jìn)入產(chǎn)品化階段。Wireless HART應(yīng)用以HART通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表為主，也可以接收4～20 mA信號(hào)。

ISA100.11a(OneWireless)也是基于 IEEE 802.15.4的物理層，定義了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀(Mesh)和星型(Star)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ISA100.11a(OneWireless)不但能接納 HART協(xié)議，還能接納Profibus、DeviceNet、FF等，成為它們統(tǒng)一的無線協(xié)議接口。OneWireless無線架構(gòu)支持符合ISA100.11標(biāo)準(zhǔn)的無線現(xiàn)場(chǎng)儀表，支持多種其他通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表，如HART、Modbus、FF、4 ～20 mA等。這個(gè)無線平臺(tái)同時(shí)還支持802.11 WiFi無線設(shè)備，如多功能節(jié)點(diǎn)與多功能節(jié)點(diǎn)之間，多功能節(jié)點(diǎn)與無線視頻、移動(dòng)工作站、振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的連接;支持有線設(shè)備(如PLC或其他以太網(wǎng)設(shè)備)的無線轉(zhuǎn)接。這對(duì)于構(gòu)建未來的單一多功能無線網(wǎng)絡(luò)更有積極意義。

WIA-PA基于 IEEE 802.15.4的物理層和 MAC層，定義了數(shù)據(jù)鏈路子層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)采用簇型(Cluster)和網(wǎng)狀(Mesh)相結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。WIA-PA支持HART協(xié)議，還能接納 Profibus、Modbus、FF 等。

4.2 路由

路由是指從一個(gè)接口上接收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進(jìn)行定向發(fā)送并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)接口的過程。路由工作包含兩個(gè)基本的動(dòng)作:確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息(即數(shù)據(jù)交換)。

Wireless HART系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均具有路由功能。距離無線網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)或與無線網(wǎng)關(guān)之間有障礙物的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可通過確定最佳路徑，由鄰近的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備路由將信息傳送到無線網(wǎng)關(guān)，這是路由功能最大的優(yōu)點(diǎn)。解決方案的主要特征是現(xiàn)場(chǎng)儀表配置路由功能，即每臺(tái)無線儀表不僅測(cè)量自己的過程參數(shù)，而且可以同時(shí)為其他儀表的通信進(jìn)行路由。

WIA-PA系統(tǒng)早期有單獨(dú)的路由器，而且是可以接收多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)的路由器。但據(jù)了解，目前路由功能均作為無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的一部分提供。

ISA100.11a(OneWireless)的早期版本不支持路由功能，而無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不帶路由功能。這就要求作為無線網(wǎng)關(guān)的多功能節(jié)點(diǎn)以及隨后推出的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入點(diǎn)(FDAP)與所有無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間沒有障礙物，能直接進(jìn)行通信。2010年6月推出的R200版本中，無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過組態(tài)可以執(zhí)行路由功能或不執(zhí)行路由功能。當(dāng)組態(tài)為執(zhí)行路由功能時(shí)，它與 Wireless HART、WIA-PA系統(tǒng)在路由這一點(diǎn)上就沒有區(qū)別;當(dāng)組態(tài)為不執(zhí)行路由功能時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入點(diǎn)(FDAP)和多功能節(jié)點(diǎn)應(yīng)直接與區(qū)域內(nèi)所有無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信，其優(yōu)點(diǎn)是減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)、加快數(shù)據(jù)刷新速率、降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性時(shí)延及安全風(fēng)險(xiǎn)、提高可靠性，同時(shí)減少電池能量的消耗，延長電池的使用壽命。

4.3 刷新速率

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備有路由功能時(shí)，大部分變送器需經(jīng)多臺(tái)無線變送器的路由才能將信號(hào)傳送到網(wǎng)關(guān)，所以網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)間滯后較大，無線變送器通信速度較慢，從而使無線變送器的刷新速率不可能達(dá)到很快。

Wireless HART目前可選的數(shù)據(jù)刷新速率為:8 s、16 s、32 s或1 ～60 min，未來可以達(dá)到 4 s，甚至還出現(xiàn)過刷新速率為 1 s的非正式說法［1］。ISA100.11a(OneWireless)目前的數(shù)據(jù)刷新速率為:1 s、5 s、10 s、30 s，未來預(yù)計(jì)可以達(dá)到0.25 s，最新的說法是可以達(dá)到0.1 s。WIA-PA 的數(shù)據(jù)刷新速率為:1 s～1 h。

4.4 電池壽命

無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電池壽命通常取決于傳送數(shù)據(jù)的刷新速率、是否具有路由功能、環(huán)境溫度及無線設(shè)備的種類。刷新速率快、帶路由功能、環(huán)境溫度高、測(cè)量信號(hào)數(shù)量多的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其電池壽命較短。

Wireless HART無線變送器的電池壽命為1～10 a。ISA100.11a(OneWireless)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過組態(tài)為不執(zhí)行路由功能時(shí)，如果選擇常溫下1 s的刷新速率，則電池使用時(shí)間可以達(dá)到4.5 a，而5 s以上的刷新速率，電池使用時(shí)間可以達(dá)到10 a;當(dāng)組態(tài)為執(zhí)行路由功能時(shí)，電池使用時(shí)間將縮短。WIA-PA的電池壽命為1～5 a。也有公司正在開發(fā)利用太陽能電池、風(fēng)能電池就地供電的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

4.5 傳輸距離

傳輸距離取決于環(huán)境條件、天線種類等。Wireless HART采用短天線時(shí)，無線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離為230 m，采用長天線時(shí)無線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離為800 m;在一般建筑物內(nèi)，無線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離為75 m，在厚實(shí)的建筑物內(nèi)，無線設(shè)備的最大有效信號(hào)傳遞距離為30 m。ISA100.11a(OneWireless)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同多功能節(jié)點(diǎn)之間的通信距離為610 m，采用高增益天線時(shí)為3 km，兩個(gè)多功能節(jié)點(diǎn)之間的通信距離為1 km，采用高增益天線時(shí)為10 km;當(dāng)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組態(tài)具有路由功能時(shí)，兩個(gè)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信距離為400 m。WIA-PA無線設(shè)備在室內(nèi)的通信距離為200 m，在室外為1 km。

4.6 變送器種類

艾默生公司推出的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的品種有:無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線分析變送器、無線閥門位置變送器、無線機(jī)械健康狀態(tài)變送器、無線開關(guān)量變送器、無線振動(dòng)音叉液位開關(guān)、無線聲感變送器、智能無線適配器。

Honeywell公司推出的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的品種有兩大類，一類支持 ISA100.11a，另一類支持 802.11 WiFi。支持ISA100.11a的工業(yè)無線設(shè)備包括:無線壓力變送器、無線溫度變送器、無線腐蝕測(cè)量變送器、無線開關(guān)量輸入變送器、無線開關(guān)量輸出變送器、無線模擬量輸入變送器、無線多輸入組合變送器、無線雷達(dá)液位計(jì)、無線閥門回訊變送器(定位器)、HART信號(hào)的無線轉(zhuǎn)接模塊。支持802.11 WiFi的無線設(shè)備包括:無線設(shè)備振動(dòng)(健康狀態(tài))監(jiān)測(cè)變送器、無線讀表器、無線視頻、移動(dòng)工作站、無線巡檢、無線可燃?xì)怏w變送器。

WIA-PA系統(tǒng)推出的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的品種有:無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線 I/O設(shè)備(可接收AI/AO/DI等類型的信號(hào))。

4.7 安全

無線數(shù)據(jù)傳送是否可靠安全是很多用戶最擔(dān)心的問題。無線節(jié)點(diǎn)面臨的威脅包括:竊聽、篡改數(shù)據(jù)以及拒絕服務(wù)攻擊等。從流程行業(yè)無線技術(shù)發(fā)展歷程來看，2003～2006年間，小規(guī)模的試驗(yàn)階段經(jīng)歷了4 a左右，然后從2007年開始商業(yè)推廣，三大標(biāo)準(zhǔn)也幾乎同時(shí)在中國市場(chǎng)應(yīng)用。到目前為止，這個(gè)過程又經(jīng)歷了4～5 a，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在中國的用戶數(shù)都達(dá)到近百個(gè)或更多，應(yīng)用規(guī)模最大的達(dá)到四五百點(diǎn)，應(yīng)用的行業(yè)已經(jīng)有石化、冶金、電力、煤炭、煙草、長距離管線、海上石油平臺(tái)等各行各業(yè)。

德國測(cè)量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)NAMUR于2009年11月提交了一份報(bào)告，表示經(jīng)過對(duì)ABB、艾默生過程管理、E+H、MACTek、P+F和西門子公司提供的Wireless HART設(shè)備的測(cè)試表明，Wireless HART符合NAMUR的推薦技術(shù)規(guī)范NE124“無線自動(dòng)化的要求”和工作草案NA115“過程自動(dòng)系統(tǒng)的IT安全”。測(cè)試包括在實(shí)驗(yàn)室對(duì)Wireless HART的特性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估以及在實(shí)際過程工廠環(huán)境中的多項(xiàng)應(yīng)用測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在位于德國路德維希港的巴斯夫公司進(jìn)行。通過測(cè)試，MAMUR最終得出結(jié)論:Wireless HART通信具有靈活、安全、性能可靠、與其他無線電技術(shù)共存等特點(diǎn)，并且可以在同一個(gè)Wireless HART網(wǎng)絡(luò)中與其他符合Wireless HART標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行互操作［2］。

早期使用DCS系統(tǒng)時(shí)，用戶也曾擔(dān)心可靠安全，常常備用記錄儀、手操器之類的常規(guī)儀表，事后證明這種擔(dān)心是多余的。在國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例中，有的用戶也采用同時(shí)使用有線、無線兩套儀表的方式考察無線儀表是否安全可靠。在江蘇金翔石化三期油庫儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)中，采用了艾默生常規(guī)罐區(qū)總線方式計(jì)量及無線方式計(jì)量的冗余方案，有線和無線兩套儀表的信號(hào)同時(shí)送至控制室PCS7系統(tǒng)進(jìn)行集中顯示［3］。對(duì)比4個(gè)油罐的總線監(jiān)控界面與無線監(jiān)控界面可知，有線和無線兩套儀表的數(shù)據(jù)完全一致，驗(yàn)證了無線數(shù)據(jù)傳送是可靠安全的。

2012年10月30日，艾默生在全球用戶大會(huì)上宣布其1萬套遍布世界各地的Wireless HART智能無線網(wǎng)絡(luò)已累計(jì)運(yùn)行達(dá)10億h。這表明過程工程師們已視智能無線為一項(xiàng)信得過的技術(shù)［4］。

4.8 PID 控制

根據(jù)ISA為過程工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的使用等級(jí)，目前，用于各類監(jiān)測(cè)的4、5類使用等級(jí)及用于開環(huán)控制的3類使用等級(jí)采用過程工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是沒有問題的，而這3類已經(jīng)占據(jù)所有數(shù)據(jù)類型的80%以上，也就是說絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集使用過程工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是可靠的。而作為通常不是關(guān)鍵參數(shù)的閉環(huán)監(jiān)督控制，目前的進(jìn)展仍處于試驗(yàn)考察階段。

艾默生過程管理公司針對(duì)PID控制采取了冗余無線I/O、冗余電源、冗余通信、冗余的智能無線Remote Link(遠(yuǎn)程鏈接)以及增強(qiáng)型的PID等措施。

Broadley James公司是一家生物技術(shù)公司，它采用艾默生的Wireless HART pH計(jì)和溫度變送器來控制一臺(tái)單用途的一次性生物反應(yīng)器。該公司總裁Scott Broadley說［5］:“我們對(duì)動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)進(jìn)行批量管理，在pH值和溫度控制方面，采用無線測(cè)量和有線測(cè)量所達(dá)到的效果是一樣的?！?/p>

艾默生過程管理公司與奧斯汀德克薩斯大學(xué)在火電廠CO2收集的氣提塔進(jìn)行了蒸汽流量和塔壓控制試驗(yàn)。他們將有線、無線儀表平行安裝，在進(jìn)行回路控制時(shí)，操作人員可以在有線、無線儀表輸入數(shù)據(jù)之間切換。試驗(yàn)中PID整定參數(shù)、濾波參數(shù)和控制組態(tài)參數(shù)設(shè)置相同。控制方案的性能比較如表2所示。有線、無線儀表回路控制方案的性能沒有差別［5］。

表2中，絕對(duì)誤差積分控制是用系統(tǒng)期望輸出與實(shí)際輸出或主反饋信號(hào)之間的偏差的某個(gè)函數(shù)的積分式表示的一種性能指標(biāo)，在無線測(cè)量值更新次數(shù)僅為有線的1/10的條件下，有線、無線方案的絕對(duì)誤差積分控制值基本一致。

表2 控制方案的性能比較Tab.2 Performance comparison of the control schemes

在由中科院沈陽自動(dòng)化研究所、鞍山焦耐院等實(shí)施的江蘇力達(dá)寧化工公司2.6－二異丙基苯胺項(xiàng)目中，DCS系統(tǒng)采用了WIA無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。系統(tǒng)投運(yùn)后，不僅檢測(cè)的數(shù)據(jù)可靠，還實(shí)現(xiàn)了重要參數(shù)如溫度和壓力的控制。由于刷新速率為1 s，對(duì)參與控制的節(jié)點(diǎn)設(shè)置了高優(yōu)先級(jí)，由DCS發(fā)送到執(zhí)行器的電流信號(hào)平均時(shí)延在1 s之內(nèi)，保證了控制回路響應(yīng)迅速、反饋及時(shí)，控制系統(tǒng)的質(zhì)量可以滿足生產(chǎn)需要［6］。但據(jù)了解，該項(xiàng)目中無線系統(tǒng)的控制回路目前已改為手動(dòng)模式，原因是自動(dòng)模式存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

4.9 費(fèi)用

美國Honeywell公司就一個(gè)槽罐區(qū)(64個(gè)槽罐的溫度、液位檢測(cè)，共128點(diǎn))的有線系統(tǒng)與無線系統(tǒng)的費(fèi)用進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3所示［7］。

表3 槽罐區(qū)費(fèi)用比較結(jié)果Tab.3 Comparison results of the cost for tank yards

由表3可見，如以有線系統(tǒng)的各項(xiàng)費(fèi)用為100%，則無線系統(tǒng)的設(shè)備費(fèi)用要高出16.7%，但現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)用節(jié)省78.4%，工程費(fèi)用節(jié)省43.2%，總費(fèi)用節(jié)省49.5%。

艾默生過程管理集團(tuán)也就一個(gè)30點(diǎn)的系統(tǒng)進(jìn)行了有線、無線方案的比較，但未列出設(shè)備費(fèi)用比較，僅就材料、施工、調(diào)試、5 a維護(hù)費(fèi)用及后期改造費(fèi)用進(jìn)行了比較，如表4 所示［8］。

由表4可見，如以有線系統(tǒng)的各項(xiàng)費(fèi)用為100%，則無線系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)用節(jié)省95.2%，5 a維護(hù)費(fèi)用節(jié)省86.7%;當(dāng)后期存在增加測(cè)點(diǎn)等改造項(xiàng)目時(shí)，無線系統(tǒng)可不增加費(fèi)用。由于未對(duì)設(shè)備費(fèi)用進(jìn)行比較，就上述安裝、維護(hù)、后期改造的總費(fèi)用來說，無線系統(tǒng)可節(jié)省94.5%。

表4 30點(diǎn)系統(tǒng)部分費(fèi)用比較Tab.4 Partial cost comparison of 30-point system

WIA-PA無線標(biāo)準(zhǔn)主要制定單位——中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與鞍山焦耐院等單位合作，為江蘇力達(dá)寧化工公司二異丙基苯胺項(xiàng)目設(shè)計(jì)投運(yùn)了一套WIA-PA無線系統(tǒng)［6］。該生產(chǎn)裝置共使用了各類變送器及電動(dòng)執(zhí)行器共37點(diǎn)，有線系統(tǒng)與無線系統(tǒng)費(fèi)用比較如表5所示。

表5 二異丙基苯胺項(xiàng)目費(fèi)用比較Tab.5 The cost comparison for diisopropylaniline project

值得說明的是，在計(jì)算DCS費(fèi)用時(shí)，有線系統(tǒng)的41個(gè)I/O點(diǎn)的I/O板卡費(fèi)用增加35600元，而無線系統(tǒng)省去了I/O板卡，增加的只有1個(gè)帶Modbus RTU協(xié)議的板卡和無線網(wǎng)關(guān)，費(fèi)用僅6000元，所以在DCS費(fèi)用上，無線系統(tǒng)可節(jié)省3萬元。

比較上述3項(xiàng)費(fèi)用，大致可得到以下幾個(gè)結(jié)論:①無線系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝費(fèi)用約節(jié)省80% ～90%;②無線系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)購置費(fèi)用約增加10%～20%;③有線系統(tǒng)需增加I/O板卡費(fèi)用，無線系統(tǒng)需增加網(wǎng)關(guān)費(fèi)用，兩者費(fèi)用大體相當(dāng)或無線系統(tǒng)能省一點(diǎn);④無線系統(tǒng)總費(fèi)用有較大的節(jié)省;⑤無線系統(tǒng)后期維護(hù)費(fèi)用大大低于有線系統(tǒng);⑥無線系統(tǒng)后期如需改造，其費(fèi)用大大低于有線系統(tǒng);⑦國產(chǎn)無線系統(tǒng)的費(fèi)用遠(yuǎn)低于進(jìn)口無線系統(tǒng)費(fèi)用。

5 流程行業(yè)無線技術(shù)選擇思路

流程行業(yè)無線技術(shù)存在三大標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的旗下又有多家公司的產(chǎn)品。以下選擇思路或許對(duì)用戶有參考價(jià)值。

①2011年6月，美國《Control Engineering》完成無線技術(shù)調(diào)查，一個(gè)客戶說［9］:“我不會(huì)干等著無線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，如果我的問題能用哪種無線技術(shù)解決，我就會(huì)使用哪種無線技術(shù)。”這代表一種實(shí)用的思路。

②跟著主體控制系統(tǒng)走，這樣有利于無線系統(tǒng)與控制系統(tǒng)無縫連接。若主體系統(tǒng)已采用艾默生過程控制的產(chǎn)品，大多數(shù)用戶選用無線系統(tǒng)時(shí)會(huì)采用Wireless HART;若主體系統(tǒng)已采用Honeywell公司的產(chǎn)品，大多數(shù)用戶選用無線系統(tǒng)時(shí)會(huì)采用ISA100.11a(OneWireless);若主體系統(tǒng)已采用國產(chǎn)控制系統(tǒng)，這樣的用戶不妨選用WIA-PA無線系統(tǒng)。

③原有系統(tǒng)已大量采用了帶HART通信的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)迫切要求在此基礎(chǔ)上增添無線設(shè)備時(shí)，可能更多會(huì)采用Wireless HART。

④系統(tǒng)不僅有大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要采用無線通信，同時(shí)還要求實(shí)現(xiàn)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以支持多種無線應(yīng)用、多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、多種協(xié)議。如同時(shí)支持移動(dòng)操作站、巡檢手持終端、無線攝像頭、有線設(shè)備的無線轉(zhuǎn)接等，選用ISA100.11a(OneWireless)可能更合適。

⑤大多數(shù)無線設(shè)備的類型是溫度、壓力、閥位、物位，而有些類型的無線設(shè)備是某一廠家所特有的，如用于就地壓力表信號(hào)傳送的無線讀表器、無線腐蝕測(cè)量變送器、無線可燃?xì)怏w變送器目前是Honeywell公司獨(dú)有的產(chǎn)品，無線分析(pH值和電導(dǎo)率)變送器、無線振動(dòng)音叉液位開關(guān)、無線聲感變送器目前是艾默生過程管理公司獨(dú)有的產(chǎn)品。當(dāng)用戶需要使用這類特殊無線設(shè)備時(shí)，特別是當(dāng)這類設(shè)備用量比較大時(shí)，可能選用對(duì)應(yīng)公司的系統(tǒng)。

⑥對(duì)刷新速率要求快速、對(duì)電池壽命要求盡量長的用戶，應(yīng)選不帶路由器功能的系統(tǒng)。

⑦對(duì)要求節(jié)省費(fèi)用的用戶，可選擇WIA-PA。

6 結(jié)束語

隨著工業(yè)無線技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品的發(fā)展和完善，無線技術(shù)在工業(yè)上的典型應(yīng)用加深了用戶對(duì)工業(yè)無線技術(shù)的認(rèn)識(shí)，并得到越來越多用戶的認(rèn)可。相信隨著無線網(wǎng)絡(luò)可靠性、實(shí)時(shí)性的提高及無線產(chǎn)品價(jià)格的降低，工業(yè)無線技術(shù)在信號(hào)傳送方式方面的應(yīng)用將越來越廣泛，工業(yè)無線市場(chǎng)潛力無限!

［1］艾默生.艾默生為智能無線監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用提供全冗余功能［EB/OL］.［2010 － 04 － 09］.http://www.gongkong.com/company/news/201210.

［2］艾默生.德國測(cè)量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)NAMUR驗(yàn)證了Wireless HART在過程工業(yè)中的應(yīng)用［EB/OL］.［2009－11－23］.http://www.iianews.com/ca/_01 － ABC0000000000.

［3］吳雪松.艾默生智能無線技術(shù)在江蘇金翔三期油庫罐區(qū)計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化博覽，2011(S1):131－134.

［4］艾默生.用于過程自動(dòng)化的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟［EB/OL］.［2012 － 10 － 11］.http://www.gongkong. com/company/news/201210.

［5］艾默生.WirelessHART成功實(shí)現(xiàn)控制功能［EB/OL］.［2011－09 －03］.http://www.gongkong.com//article/ind.aspx?.

［6］張瓊，王紅艷，白冰穎.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例［J］.儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2011(2):24－29.

［7］江天生.工業(yè)無線儀表的應(yīng)用場(chǎng)合和優(yōu)勢(shì)［R］.昆明儀器儀表學(xué)會(huì)技術(shù)交流會(huì)，云南:昆明，2011.

［8］姚永斌.艾默生智能無線產(chǎn)品和方案［R］.中國工控網(wǎng)無線通訊研討會(huì)，2009.

［9］Soroush.控制工程調(diào)查報(bào)告［EB/OL］.soroush'Blogblog.cechina.cn/soroush/2011/11/23.aspx.