首页 > 案例 > 无须等待5G——无线工厂网络的设计和管理

Wi-Fi和其它现场网络

大多数人在谈到无线网络时,他们首先想到的是将计算机、电话、平板电脑和其它设备连接到办公室、家庭甚至工业网络的无线以太网络(Wi-Fi)。虽然Wi-Fi应用非常广泛,并且适用于各种各样的应用,但其高功率要求和高耗电特性,对于电池需要使用数年的测量设备来说是不切实际的。尽管如此,无处不在的Wi-Fi设备及其提供的高带宽,使其适用于其它用途的无线工厂网络(WPN)(图1)。


 

图1:无线工厂网络通常包括由无线以太网支持和协调的多种类型的网络。


Wi-Fi最常见的用途包括移动工作者应用程序,用于安全和安保的远程视频监控系统以及类似的应用程序。在考虑无线工厂网络时,有一点需要注意:典型的过程工厂环境,不如家庭或办公室那样有利于通讯。较高的金属密度、多种电磁噪声源以及工业环境中各种恶劣的条件,通常要求设施或工厂中的接入点密度更高,特别是在噪声源的周围。


大多数情况下,部署无线工厂网络,不仅仅是信息技术(IT)团队的责任。习惯于在办公室环境中工作的安装人员,对过程工厂中可能出现的问题并不是十分的了解。网络运行可能不一致,导致用户丧失对无线工厂网络的信任。在设计无线工厂网络时,最好聘请具有工业自动化经验,并对在工厂设施中安装Wi-Fi的设计要求有透彻了解的供应商。


用于无线工厂网络或在地理上分布更广泛的网络(例如市政水或电力系统)的Wi-Fi替代方案,包括长期演进(LTE)和无线互操作微波接入(WiMax)。这些网络标准可提供应对覆盖距离、带宽、移动性和网络支持的不同方法。在某些情况下,部署可能需要商业网络提供商的参与,也可以能自行安装和维护。不过需要注意的是,虽然LTE和WiMax适用于很多应用场景,但并不适用于过程仪表网络。


可以在工业环境中应用的另一种商业协议是蓝牙(Bluetooth),以及后来的低功耗蓝牙(BLE)。蓝牙的最初设计,旨在替代短距离、点对点电缆连接。在工业中的应用,包括将笔记本电脑连接到可编程逻辑控制器,以便在没有物理电缆的情况下进行配置和维护,以及其它类似的短距离应用。


主要的无线网络标准

支持用户接受无线的一个积极因素,是无线现场仪表网络标准协议的制定。与无线过程仪表相关的两个主要标准是:ISA100.11a-用于工业自动化的无线系统:过程控制和相关应用,以及WirelessHART。虽然这些标准的内容大部分相同,但它们的方法存在明显的差异。两者都在供应商和用户中建立了良好的声誉。


首先进入市场的是WirelessHART,作为一个开放式的可互操作无线通信标准,用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。第一批WirelessHART现场设备于2007年发布。为了克服工业应用中固有的干扰问题,WirelessHART使用网状网络(图2),其中每个设备充当网络的中继器,为信号提供多条路径来接入网络或网关。


 

图2:使用WirelessHART,网络上的每个设备都可以用作仪表和转发器。


由于它是由FieldComm集团专门为工业应用而设计的,因此任何制造商生产的经认证的设备都可以相互交互。此外,针对测量和控制应用,对带宽利用和安全因素也进行了优化。由于无线仪器通常由电池供电,因此该协议旨在最大限度地降低功耗。根据给定设备向主机提供测量更新频率的不同,电池的使用寿命可长达10年。


ISA100.11a标准的制定是一个长期项目,直到2009年才完成。其由国际自动化学会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定,于2014年09月获得了国际电工委员会(IEC)的批准,成为正式国际标准IEC62734。ISA100系列标准涵盖了更广泛的无线应用,ISA100.11a标准是其中的一部分。ISA100.11a专门用于无线仪表。设备采用不同的方法来实现网格化,用户需要确定它们之间的交互方式。这需要比WirelessHART所需的自组织型网络更多的网络管理。


ISA100.11a设备广泛安装,以便现场设备直接与一个或多个接入点通信,然后接入点与无线网关设备通信,该无线网关设备调度通信并将数据转发到主机系统。当需要提高信号可靠性时,ISA100.11a设备也可以按照在网状网络中运行进行配置,但这会缩短电池寿命。


在某些应用中,一些低功率广域网已经获得应用,并获得不同程度的成功。这些协议最初应用于超大区域内超低带宽的通信,例如用于供电和供气公司的智能功率表,这些仪表通常每天只需要发送一次更新数据。尽管它们传输范围极广,但由于只需要这些协议具有极低的带宽和以及较慢的更新时间,因此它们并不适合大多数工业监控应用。


无线工厂网络

在无线工厂网络与无线仪表网络协同运行的情况下,工厂人员很快就意识到它们的诸多优势(图3)。例如,利用现场移动工作人员的应用程序,工厂人员可以访问控制系统数据,通过提高运行人员和工程工作流程的效率,回路调试时间最多可以缩短50%。诸如位置监控之类的其它应用,可以显著改善事故期间的整合,而且无线摄像机可以提供显著的安全性和运行收益。


 

图3:从工厂的任何地方访问无线网络的能力提供了无数的优势。


从无线仪表市场的现状来看,WirelessHART正逐步进入主导阶段。石油和天然气、石化、电力和其它过程工业市场中的大多数大型工业用户,已经安装了WirelessHART网络。