无线远程监控技术进展

在过去的十年中，工业无线传感器网络的使用在过程工业中迅速增长。在此期间，已经讲述了许多在过程、可靠性和能源行业以及健康、安全、安保和环境监测应用中成功实现的故事。这些行业的许多用户发现，无线监控技术提供了提高运营性能和可靠性的新方法。

测量以前无法测量的东西

由于减少了布线、电缆桥架、输入/输出(I/O)设备以及相关的设计、安装和维护劳动力的成本，无线传感网络的成本明显低于有线基础设施。这种降低的成本使得实现以前在财务上不合理的新应用程序成为可能。例如，由于减少了基础设施、设计和安装和调试所需的人力，从而节省了高达70%的成本，因此油库自动化项目现在成为可能(见图1)。可以安装无线液位、温度和压力测量来监控储罐中的材料，提高操作能力。

无线传感技术使得测量以前无法测量的过程成为可能。新型传感器与分析软件相结合，应用于工艺排放、蒸汽疏水阀健康状况、安全阀状态和设备腐蚀监测等领域。以前，这些应用需要使用手持设备或其他手动技术进行人工检查。通过人工检查，识别被发送到火炬的工艺气体的来源是非常困难的。现在，无线声波监测使公司能够识别发送到信号弹的材料的来源和数量(见图2)。

一家电力和天然气公用事业公司实施了一个无线网络，可以远程监控四个地区监管机构的出口气体压力。该公司要求快速安装，安装电线的成本令人望而却步。通过将WirelessHART接口适配器连接到现有的压力变送器上，它能够用控制室屏幕上显示的数字信息取代纸质图表记录仪，并登录到历史数据库中。整个安装在三天内完成、测试和调优。

WirelessHART网络还可以访问被遗留系统搁浅的智能现场设备诊断。大多数传统控制系统没有能够与智能现场设备进行HART数字通信的I/O硬件。丰富的诊断和传感器数据被困在这些智能设备中，监控系统无法连接到它们。以前，终端用户通过连接多路复用器来解决这个问题，但这种方法既复杂又昂贵。相反，WirelessHART网络可以通过安装在智能设备上的无线发射器来访问诊断信息(见图3)。例如，技术人员可以远程访问控制阀诊断信息，进行在线诊断和故障排除。

跨信息孤岛集成数据

无线数据不应该独立存在。将有线和无线数据集成到分析和可视化应用程序中，可以提高用户使用数据做更多事情的能力。无线数据可以集成到控制系统、数据历史记录和软件应用程序中，其中也有来自其他来源的数据。在增加无线测量之前，工程师应该盘点已经安装的传感器数据，并添加新的点来补充现有的测量。

当数据集成后，灵活的分析和可视化平台使专家能够获得见解和可操作的信息。主题专家对数据有更全面的看法，可以根据他们的教育和经验提出建议。专门构建的软件工具可用于应用物理原理或经验模型，以加深分析水平。

例如，具有第一原理热力学模型的软件可以与数据历史学家集成，以检测设备性能退化，作为机械问题的早期迹象。现有的热交换器可能有用于温度控制的流量和过程温度测量，但需要安装额外的温度和压力传感器来进行性能监控。现有的测量可以与新的无线测量相结合，其中机械仪表被无线发射器取代。通过扩展数据集以包括所有可用的测量，专家可以使用热力学模型更准确地发现问题，并主动建议采取的措施。

土地和扩张

通常，当终端用户想开始使用无线监控时，他们不确定从哪里开始。一种方法是设计一个全覆盖的无线传感基础设施，它可以支持人们可能需要的任何监控应用程序——可靠性、能源、安全、环境等等。人们可以设计一个无线网关网络，该网络具有覆盖操作区域的最佳位置，然后在需要的地方分层应用程序。这是一个很好的方法，如果你有可用的资金，可以证明投资的合理性。只是要确保选择一种基于标准的技术，该技术将支持各种各样的度量和解决方案，您可以将它们集成到相同的基础设施中。

然而，这种情况并不常见。许多运营设施受到资金限制，有一长串的投资机会争夺固定数额的资金。这种情况使得很难为设施范围内的无线基础设施分配大量资金。一个更实际的方法是确定最重要的要解决的问题，并给出易于量化的明确投资回报。为这项投资构建业务案例，并安装一个基于标准的无线基础设施，以解决这个特定的问题。

以未来的眼光规划无线网络，并创建一个可以扩展到其他领域的设计。无线网状网络等网络可以通过在线添加新的测量数据轻松扩展，同时提高整个网络的可靠性和性能。通过验证特定问题的投资回报并设计具有扩展功能的网络，可以安装支持稍后添加的额外无线监控解决方案的基础设施。

在任何可用的地方利用专业知识

无论设施的规模有多大，您都不可能为每个领域配备深入的主题专业知识。专家并不总是能在你需要他们的时候出现在你需要他们的地方。无线监控不需要承担将专家带到现场所需的成本和时间，而是可以收集数据并将其发送给专家——无论他们位于何处。这样可以更有效地利用专家的时间，并且可以更经济地留住这些领域的专家。

由于远程专家无法靠近设备，他们无法看到、闻到、触摸或听到正在发生的事情。因此，需要更多基于传感器的测量。无线测量使得收集足够的数据成为可能，这样他们就可以做出明智的决定，而不需要在设备上进行物理测量。例如，机械式压力和温度表可以被无线测量取代，这样就可以远程监控测量结果。

大公司可以在多个地点利用专业知识，有时他们会投资于集中式的卓越中心，专家可以在同一地点进行协作。这种方法在油气、发电和采矿业中越来越普遍。

即使在这些卓越的中心，在所有领域发展深厚的主题专业知识也是没有意义的。相反，公司将选择专注于过程监控和关键设备的专业知识，并将其他领域的监控外包或与外部服务提供商合作。例如，一个卓越的发电中心可能会让化学工程师专注于整个发电厂的涡轮机和锅炉的性能监控和优化，并将不太关键的机械和阀门的监控外包给服务提供商。来自机械或阀门监测服务提供商的专家可以分析设备数据，以检测机械故障的早期指标，诊断问题，并建议采取的行动，以减缓故障的传播，并计划维护和维修。无论是在卓越中心还是外部服务提供商的现场，这些专家都依赖于来自现场的测量结果。使用无线网络可以更深入地了解工厂，使专家能够更有效地为工厂性能和可靠性做出贡献。

降低安全风险

在工业设施中部署无线传感网络有几种基本选择。一种选择是将无线测量集成到控制系统中。这可以通过控制系统供应商在I/O子系统中嵌入的无线网络来实现，也可以通过协议集成到控制系统中的外部无线网络，例如网络通讯协议，OPC、EtherNet/IP。当作业者需要进行测量以更好地控制过程时，这种方法非常有用。由于网络集成到控制系统中，它们受益于用于保护整个控制系统的相同安全保障措施。为了保护无线网络，请选择具有强大安全性的技术，包括信道跳变虚拟局域网、加密通信、消息身份验证、白名单和其他安全控制。

另一种选择是安装独立于控制系统的无线传感器网络。这种方法可以简化监控网络的安全需求，因为它以一种不引入控制系统连接性的方式实现。许多应用程序不需要控制系统集成，因为操作人员不使用这些数据来控制过程。相反，无线传感器数据可以集成到IT网络上运行的软件中，工程师和专家可以更容易地访问信息。然后，信息可以绑定到数据历史学家或专注于能源管理、环境监测和法规遵从性报告等解决方案的独立应用程序软件。

对于更专业的应用，供应商提供基于无线传感网络的连接服务正变得越来越普遍。在这种情况下，无线监控网络由服务提供商拥有和运营，用户只需按月支付服务订阅费。供应商提供基于由服务提供商拥有、安装和操作的临时监控网络的服务(参见图4)。这些网络通过用户现有的IT网络安全连接，或者通过蜂窝路由器安装Internet连接。供应商应用适当的安全措施，包括防火墙、数据加密，甚至物理安全，以防止篡改。

仅用于测量(如声学、振动和温度)的独立无线网络必须确保可用性、完整性和保密性。然而，如果这些监控网络连接到关键的控制设备，如控制阀、气体分析仪或流量计，安全需求将会高得多。即使在这种情况下，也可以使用数据二极管等安全技术来确保监控网络与外部威胁的分离。

而数据

在这个数字化转型的时代，以新方式使用技术的公司才是获得竞争优势的公司。仅仅通过无线监控增加测量点并不能重置用户对实现新业务目标的期望。当用户开始战略性地使用无线技术来补充他们的有线基础设施，以解决以前无法解决的问题时，他们就可以开始提高整个运营的性能和可靠性。

迈克·博连接服务主管在吗艾默生过程管理德克萨斯州的圆石镇。他拥有休斯顿大学化学工程学士学位和西北大学凯洛格管理学院工商管理硕士学位。

本文发表于应用自动化补充的控制工程
而且设备工程．

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