如何理解无线通讯技术对于流程工业的价值

发布时间：2006-03-24 作者：Gabe Sierra，Bob Karschnia

　　为什么无线技术是一个“热门话题”？
　　目前，很多流程工业的制造商都在研究“配置使用无线技术的可行性”，以决定为达到“风险最小化，资产使用最优化”的目标，是否需要在其相关设施及分散操作中使用无线技术。同样，许多自动化最终用户，为了解决他们工厂中当前存在的比较麻烦的监视问题，已经着手在其相关设施中实施无线解决方案。然而，专为“集成到远程操作控制器和SCADA系统”而设计的基本900MHz无线技术，广泛应用在油气现场自动化领域其实已经有15~20年历史了。

　　有意思的是，即便是在应用历史超过20年以后，无线技术方案在工厂内的采用率依然低得几乎可以忽略。这种现象究其原因，最有可能就是由于以下原因——缺乏“工业界能够接受的开放标准”、安全等级不够、传统的无线技术解决方案的灵活性与可伸缩性不足。由于大家在使用这些新技术时长期的不良体验，使得工厂的工程师和经理们没有足够的信心，在其管辖的装置上广泛地使用无线技术解决方案。
　　然而，今天的流程工业的领导者已经认识到，从技术上讲，不存在不确定的问题。因此，他们正在开发由无线技术革新引发的先进的资产管理策略，以满足他们如下的商业目标-提升总体的操作性能或进行更为成功的项目执行。
　　与此同时，流程工业的管理者正在面对更为复杂的问题，这些问题源于公司拥有的、在地理分布上又是分散的各类资产，比如横跨整个州甚至整个国家的、远程客户的大宗原料的储罐。由于公司的物流经理每时每刻都在面对这么一种矛盾——既要防止用户储罐中的物料用光（这样会导致客户现场工艺停车），又要明显的降低存储成本，因此，以上的问题并非微不足道。要做好一个有效率的物流计划也是不容易的。然而，几家处于领先地位的工业气体、化工及特种化工公司，他们正在试图建立一种由无线技术来实现的、基于WEB的储罐实时监视解决方案，该方案可以帮助公司达成其关键的商业目标。在这些行业，一家公司要维持比较明显的竞争优势，提供好的客户服务与降低成本是首要因素。
　　既然有如此广泛的用户需求，那么我们应该如何开发真正意义上的性能可靠、技术创新的无线方案，才能解决在很多工业领域都会碰到的高成本的操作问题呢？首先，我们必须认识到——没有一种技术或解决方案，可以解决大家在厂内或远程资产管理中遇到的所有问题。这是一条坏消息，好消息则是：如果大家可以集中精力去研究那些引起问题的根源，再运用合适的、长期可靠的、有助于解决特殊问题的方案去满足用户需求，那么上述最终用户的问题也不难解决。
　　由于无线技术具备“能够运用于任何流程及资产监视”的前景，所以很多流程工业领域的人士，都将其视为一项激动人心的创新技术。大家期待通过“更多地了解流程工业、实物资产及总体操作”，能够提高企业的安全性和利润，同时，这也充分证明了资产管理领域令人兴奋的前景。
　　分析“可能用于流程工业的无线技术”
　　尽管目前存在多种无线技术，但仅有几种特别适用于流程工业。为什么呢？由于无线信号通过空间传播的过程、搭载的数据容量（带宽）、抗RFI/EMI干扰性、对物理屏障的易感性、可伸缩性、可靠性，还有成本，都因无线技术网络的不同而不同。因此，很多用户都倾向于“依据具体的应用场合，来选定合适的无线技术”。还有，既然广泛应用的技术对资产基础和工厂有一种长期保证，那么，大家就会喜欢选用这么一种无线技术，由此技术可以形成一套基于开放标准的解决方案。

　　应用于基于WEB监视系统的GSM/GPRS
　　对于地理分布上比较分散的资产管理的应用场合，由于在现场没有一种像DCS或RTU这样的就地主机来进行数据收集，因此基于WEB的、集成了GSM/GPRS的解决方案就成为用户的首选。
　　先进的具备WEB功能的监测方案同时组合了：可靠、智能化的现场设备；具备先进电源管理的、性能可靠的无线通讯能力；用户界面友好的WEB用户接口，来构成完整的远程资产监测系统。
　　例如，在一个供应商库存管理的应用场合，具备GSM/GPRS通讯能力的多变量液位测量装置，可以通过现有的电信网络，定时的（如每小时几次，或每天一次等）将监测数据传至中央服务器，而该服务器可以通过标准的IE浏览器对其进行安全的登录访问。系统同时又具备这样的灵活性——能够允许那些收集到的数据可以被链接到用户的资产数据库。

图2：三种常用的网络拓扑结构图

　　有些集成解决方案，由于同时具有合适的数据记录功能、先进的通讯及电源管理功能、优良的实际测量功能，所以，还能够应用在其他场合。例如取代纸记录仪、用于水库水质的监测分析，监测管线上截止阀的开关位置等。
　　在此类应用中，为了建立和保持对其远程资产的足够的知晓程度，资产经理需要定时、可靠的访问相关信息。此类实例之一是：物流计划人员能够优先安排配送路线，以便只有在客户真正需要的时候才开始发运，或者对客户的快速发货需求能够迅速做出响应，另一实例是：可以让气体分销商定期了解到本区域管线分配网中压力参数的异常状况。
　　自组织网络，900MHz无线电以及无线以太网简介
　　这些无线技术如果配置应用得合理，将可以解决为收集更多的资产信息而产生的成本问题，从而为经理们提供一项可优化工厂操作的新型工具。为替代原有的手动收集现场数据，可简单地增加一些低成本的测量监测点，从而大大提高操作工的劳动生产力。另外，在某些更为复杂的、具备集中的资产管理接口的应用中，无线技术甚至可以从现场设备中，提取全部的诊断信息和智能预估信息。这些现场设备在过程或资产问题威胁到造价昂贵的装置或工厂停车之前，会自动通知相关人员问题发生在哪里。很好地了解这些技术，将对于“为达成上述目标，而需要合理配置的地方”具有更好的洞察力。
　　一套无线系统一般由以下组件构成：无线节点、网关、主机。
　　无线节点就是安装在现场的无线设备。网关将无线节点汇在一个可访问站点，该站点又可以集成到像DCS、数据库等主机系统——般来说，这种集成都是通过Modbus /Ethernet/ OPC 或者其他的数字式通讯协议来完成。
　　■ 自组织网络
　　因为该技术最终能够形成一种无线、设备级的平台，并且通过该平台可以有效的开发出开放式标准，所以，自组织网络是一项新兴的、很有前景的技术。Emerson公司引以自豪的是，一直以来我们都同HART Communication Foundation工作组共同工作，而该工作组就是致力于研发一种无线的HART标准，并且，自组织网络借此有望扮演首要的角色。由于开发无线技术的初衷是为了满足商业上的各类用途，因此，需要作一些研发上的努力才能将其移植到工业领域，尽管这一用途大大超出了原来的用户期望，但还是发展的很快。不过，尚需一些时间才能建立这项技术的最终标准。
　　自组织网络的基本概念是：每一台单独的无线设备都可以作为旁边另外一台设备的路由器，因此就不需要费用昂贵的现场勘测。如果一台设备由于距离或障碍物的问题，无法回讯给网关，那么，其需要传输的信息就会转手给其他的设备，如此这样，直到建立起一条可靠的通往主机的通讯线路。这是一种动态的对网络进行自主管理的能力，这些能力使得设备可以执行一些自动教正的动作，比如自动辨识到新增加进网络的授权设备、在必要时重新建立通讯的路径、在多重因素中对网络的整体性能进行优化。因此，这类网络在一台设备或多台设备出现故障时能够自我修复。由于使用的容易程度一直是我们考虑的重要因素，所以，此类修复优化的工作不需任何人员的干预，也不需任何额外的软件。
　　该技术易于定义和安装，又不用担心系统会由于“现场线路的问题、被削弱的设备性能、被忽略的设备智能性、或者被忽视了安全性的传输方案”而导致不能正常工作，如此好的前景对用户而言是非常迷人的。同时，因为用低得多的无线功率进行数据传输，所以相比于传统的点对点无线设备，该技术方案还具有更高的能量效率。
　　现在的自组织网络，其中的设备不再需要直接向网关‘高声喊话’，而只需由一台设备向另外一台设备‘低声传话’，直到信息传到其应该去的地方。尽管该类网络有能力对很多的中转进行高效管理，但如果某台设备无法建立通往主机的直接链接，那么还是要通过一次或两次中转，才可以解决现场的线路问题。另外，由于其先进的能量管理能力和本身具备的低功耗无线协议，所以该网络中设备所用的电池，具有更长的使用寿命。
　　由于如果配置更多的网络设备，反而可以不受网络拓扑结构的影响而建立更多的通讯路径，因此也就可以提高整体的通讯能力，因此当我们想以‘低投入、高产出’的方式来优化我们的资产管理时，应该考虑一下换位思考，因为这种技术从某种程度来说，违反了大家原有的直觉认识，但这种“违反直觉”的技术，才真正是具有很高价值的独有技术。
　　三种最为常用的网络拓扑结构分别是：星型结构（点对点），网状结构（点对多点），簇状结构（其实是星型与网状型的结合）。根据在全球所处不同位置，这些方案一般会用868MHz，900MHz 或2.4GHz的频带来操作。                         
　　Emerson 对于无线技术的革新拥有非常丰富的经验，这些经验可以用很多不同的术语来进行描述。以上术语（如Motes，Mesh，Zigbee，IEEE 802.15.4）很多情况下是可以交换使用的。尽管总体上交换使用可以接受，但在这些术语和自组织网络之间，还是有一些微妙却非常重要的不同点。
　　Motes很严格的仅指实际的无线现场设备或路由器。Mesh指的是一种只有运用此类技术才有可能实施的特定网络拓扑结构。Zigbee是一家行业联盟，该联盟旨在开发一种应用于商业领域（如楼宇自动化）的标准。 IEEE 802.15.4标准特指无线电物理层。而自组织网络却对于该项技术的工业应用场合、技术以及通讯能力，进行了足够具体的描述。
　　■ 高功率的900MHz无线电技术以及802.11b/g无线以太网
　　某一标准会与其他标准互相竞争吗？它们之间可以结合使用吗？在流程工业领域中，这些技术在什么场合应用得最好？如何才能用得最好？这是一个相当具有代表性的直截了当的问题，也是经常被问及的重要问题。由于目前这两项技术并不实际实施于设备内部，因此我们考虑将其用在网络架构的网关层。无线以太网设备由于功耗大，实施比较困难；而900MHz无线变送器尽管可靠性好，但市场接受程度仍然大大低于1%。
　　在油气现场应用领域，高功率的900MHz无线设备已成功使用很多年，这不会改变。唯一改变的，仅仅是要进行长距离通讯链接的数据类型不同而已（该距离长达20英里也很正常）。随着某些油气现场设备的应用趋于成熟，为了提高那些操作性能中等偏下的现场油井的总体生产能力，大家期待这些无线设备能够收集更多的智能化信息。在有些情况下，先进功能也会尽量配置在新的现场装置。一般来说，这些应用场合的I/O点数都很少，因此，增加一些诊断数据对于“带宽限制”而言，不会构成太大的威胁。
　　就像全球许多城市正在广泛实施“wireless everywhere”方案一样，许多企业也在引入这一方案，包括学校、军队以及流程工厂。很多技术思想更为新锐的用户，他们希望无论身处何地，都可以安全地接入并访问工厂网络，目前，通过合理配置高可靠性的无线以太网，能够高性价比的实现安全访问全厂的任何节点设备。这可以为将来无线手持设备的应用，提供一些有趣的案例。
　　该方式基于以下几种原因而凸现意义。其一，无线以太网能够提供足够的带宽，将大量先进的监视数据集中到数量相对较少的高性价比的工厂接入节点之中。其二，相比于一些当前流行的标准，用户如果对802.11协议标准进行了正确的实施，那么，该标准其实是一种非常安全的、具备强抗干扰能力的开放标准。其三，由于其已经广泛应用在今天的制造和商业领域，因此，这也是一项容易理解的技术。最后，该技术提供了一种最灵活、最容易的方式来将数据集成到DCS/ PC/ OPC/ 以及其他主机中。
　　这两项技术能够（并且已经）应用在当今的工厂之中。然而，如果想把数据集中到主机中，就需要足够的带宽，并且降低RF(无线电频率)噪音，增强其功能，所以，在“把现场设备进行集中”的应用场合，无线工业以太网应该是一个优选方案。由于相对较低的带宽要求、长达10~20英里的超长传输距离，因此在“将数据集成到SCADA"的应用场合，900MHz无线技术又是一个优选方案。
　　安全性如何？
　　无线技术要应用于工厂，最频繁被问及的问题就是是否安全？对于那些非常在乎无线网络安全性的用户（虽然有些用户并不在意），要实现一套行之有效的安全方案，需有4部分组成。选用基于开放标准的优秀的技术，无疑是我们的推荐。很多的事实已经多次证明，私有安全系统是最容易被攻破的。
　　■ 加密技术
　　该技术首先提取数据，然后对数据进行转换，再将其打成数据包进行传输，而只有接收方才有密码权限对信息包进行解码，而其它各方均无此类特权。最好是让实际的设备本身就具备这种能力。
　　■ 鉴定/确认
　　该方法用来保证在网络上试图进行通讯的设备中，只有合法的设备才被允许操作。这样可以防止黑客或来路不明的设备，通过网络接入点进入网络。
　　■ 防干扰
　　这种措施用于提高所传输信息被正确接收的可能性（即便是在传输路线中有一些障碍物或者存在较大的RFI/EMI信号干扰的情况）。实现该性能的最为常用的方法是FHSS和DSSS。这种方法其实很简单，信号能够以不同的频率来进行传输，如果在某个频率带上遇到障碍，就会换成另外一个频率带进行传输。在这里存在一个普遍的误解，大家可能会以为FHSS/ DSSS技术本身能够提供足够的安全性，其实不然，需要澄清的是：FHSS/ DSSS本身与安全技术不是一回事。
　　■ 密匙管理
　　不够严密的密匙管理，可能会由于公司某位前雇员的作梗，而最终破坏以上任何一种的安全防护。例如，仅仅维持一种静态的密匙管理，可能会导致极大的危险，因为这样就好像丢失了银行的信用卡，而在卡的背面又留有你的密码。很明显，没有一种情形是完全理想的状态，因此，想达到足够的安全性，就必须实施相应的方法和步骤。
　　新兴的标准
　　目前，两个主要、互补的技术小组正在努力，以帮助供应商和用户去开发那些“技术与应用实施上俱佳的技术标准”。目前，无线HART工作组正在通过提供一种“将有线转换成无线环境的技术”，来保护用户已经花在智能仪表上的投资。这样可以保证：对于今天那些用户熟知并信任的HART设备，不仅可以向前兼容，还可以向后兼容。另外一个工作团队——ISA SP-100工作组，正在朝着以下的方向努力：开发一系列实施最佳实践，例如，依据不同的应用场合，在什么场合和什么时间，应该（或者不应该）配置无线网络。既然一方面无线HART工作组正在开发技术规范，另一方面SP-100工作组又正在创建最佳实践，但这两种标准并不是竞争性的，恰恰相反，这两种标准是互为补充的。
　　结束语
　　无线技术的革新，正在赋予工业领域的所有人员以一种崭新的视角来观察问题，并由此在流程工业领域及资产管理领域，开创一个激动人心的新纪元。其中一些方案已经以新的方式应用于以下领域——油气田、市政水务、工厂应用、供应商库存管理以及许多其他场合。另外，无线HART以及其他一些开放的工业标准正在蓬勃发展，并且能够形成较好的方案，以解决很多高难度的资产管理问题，而这些问题原先由于实施成本太大，或者技术上难以突破，都是无法解决的。
文章编号：060305
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