为炼油厂和加工厂带来工业物联网能力

随着流程工业的数字化转型在过去几年中不断展开，无线设备级网络是一个重要的实现元素，将更高级别网络的覆盖范围扩展到流程本身。互联网本身就意味着无线以太网，如Wi-Fi，但过程工业综合体有大量使用模拟和数字现场总线通信的现场仪器和执行器。这些设备还没有采用Wi-Fi，而且没有迹象表明这一方向会发生变化。

实际情况是，无线通信已被应用于设备级网络。用于此目的的领先协议是WirelessHART，自2007年首次发布以来，它在硬件可用性和部署方面稳步增长，并于2010年被采纳为全球标准IEC 62591。

艾默生自动化解决方案使用WirelessHART，但由于它是一个全球标准，因此无论供应商是谁，通过FieldComm组认证的所有设备都可以互操作。艾默生是早期采用者，自WirelessHART成立以来就提供了使用它的设备。它的发射机和网关安装在38,900多个网络上。这一服务记录消除了有关WirelessHART可靠性和性能的任何问题。

在现实世界中

wiesshart部署消除了昂贵的布线，从而降低了仪器安装成本。在炼油厂添加有线仪器的成本从5000美元到5万美元不等。避免这种成本应该是受欢迎的。尽管如此，重炼油和石化行业不会心血来潮地采用新技术，即使有降低75%成本的承诺。考虑到与工业物联网(IIoT)甚至WirelessHART等复杂事物相关的错误决策的潜在有害后果，必须事先进行广泛审查。

内部团队试图思考新技术的风险和利弊。他们考虑哪些应用程序可以使用，哪些应用程序应该使用，以及哪些应用程序应该避免使用。

在早期，许多公司不得不相信WirelessHART就像宣传的那样可靠且易于使用，因此他们经常在工厂最不关键的部分进行小规模部署，以证明这一概念。如今，很少有用户会这么做，但仍然需要说服一些人。

艾默生与终端用户公司在WirelessHART的技术评审项目上合作。一些问题和讨论点是特定于某个公司或站点的，而其他更普遍的考虑也出现了。为了帮助那些考虑WirelessHART和更大的工业物联网概念的人，下面概述了其中的一些要点。

什么是WirelessHART?

IEC 62591 WirelessHART(图1)是由HART通信基金会(现在是FieldComm集团的一部分)开发的。该无线协议基于传统的4-20 mA有线HART协议。它利用现有的仪器仪表实践来部署和维护仪器仪表，但没有运行信号线和支持基础设施(包括接线盒、电缆桥架、编组柜等)的传统成本。

wiesshart网络使用2.4 GHz频谱，最多有15个信道可以同时工作并彼此共存。它还与运行在同一频谱的802.11 Wi-Fi系统共存。通过网络的所有传输都是加密的，网关上有额外的安全功能，可以安全地集成到主机系统中。

WirelessHART网络的关键基础设施需求是管理无线网络的网关。它还通过硬连线的Modbus RTU、Modbus TCP、OPC、HART IP或以太网IP连接以及其他特定于供应商的协议将过程数据和诊断数据集成到主机系统中。

应用程序选择

图4。无线shart适配器(如Emerson THUM)可以添加到任何HART 5.0或更高版本的设备。提供:艾默生自动化解决方案[/标题]

然而，回到前面的盒子，并不是每种类型的过程仪器都适合电池供电，因此有一个问题:可以使用适配器吗?WirelessHART适配器(图4)可以添加到任何HART 5.0或更新的设备。适配器通过网关将主要流程变量和其他数据发送到主机系统。

在某些情况下，在已经通过4-20 mA连接的仪器上添加适配器，以捕获次要变量和诊断数据。在其他情况下，适配器被添加到仪器，如科里奥利流量计，其功耗对于内部电池电源来说太高。适配器通常没有内部电源，因此在某些情况下，可能需要为仪器和适配器安装提供线路来携带电源，尽管不携带信号。这通常不是问题。在大多数工艺装置中，在安装处附近都有合适的仪表级直流电源。

如果应用是合适的，机械问题可以解决，WirelessHART设备的使用可以继续。可能看起来筛选过程过于严格，但在实际环境中，实际应用程序的数量通常比最初预期的要高。

网关的需求

简单地说，网关从WirelessHART仪器接收数据，并将其传输到更大的工厂网络和主机系统。由于这代表了与网关通信的仪器的单点故障，大多数工厂使用冗余系统(图5)。由于网关以不同的方式集成到工厂网络中，因此需要审查这一领域。

WirelessHART设备状态监测传感器(图6)的日益可用性，例如部署在关键旋转设备上的振动和轴承状态传感器应予以考虑。传感器数据通常不需要到主自动化主机系统，因为数据不影响过程控制。当来自各种设备(包括监控设备和处理设备)的数据通过一个网关进入时，工厂可以将一些数据转移到控制室，而其他数据则转移到维护部门平台，例如资产管理平台。

随着WirelessHART网络越来越大，覆盖的区域越来越多，大多数工厂采用多个网络并行运行。保持相似的设备相互关联，可以更容易地将数据发送到正确的目的地。这种分割必须有条不紊地进行，以确保每个网络上有适当数量的设备来支持有效的网格划分，并有足够的冗余路径供各个发射机相互通信。

距离和网络密度

WirelessHART使用自组织网状网络。单个无线设备自动相互通信，并调整通信路径以使用彼此作为数据中继点;如果给定的设备不能直接到达网关。因此，彼此接触到的设备越多，通信就越可靠。系统工程指南IEC 62591 WirelessHART提供了对网络机制的深入讨论，是一本优秀的参考手册。幸运的是，设计一个有效的网络并不是一项复杂的工作。通过遵循一些基本的最佳实践，大多数工厂可以期望无线可靠性超过99%。

其中一些可以通过简单的接近性和预期的传输距离来确定。获得更积极的性能数据取决于使用网关制造商提供的网络诊断工具。由于网关管理网络，它应该包括显示网络如何组织自身的工具。复杂的工具(图7)表明通信路径是如何形成的，以及它们的可靠性。如果网络的某些部分啮合机会太少，则可以插入一个额外的发射机作为中继器，同时不产生自己的数据。

无线shart无线电传输是强大的，可以覆盖很长的距离，尽管他们的低功耗，但受到限制。必须考虑炼油厂和化工厂常见的大型钢结构，信号反射或吸收的条件可能难以预测。现场调查以规划合适的传输路径可能是有帮助的，但网络性能分析是最好的。无线规划工具可以帮助您根据部署行业最佳实践评估设施。

一家炼油厂根据设备密度开发的可行传输距离的经验法则如下:

• 严重障碍:100英尺典型的高密度工厂环境，拥挤得连卡车都开不过去。
• 中等阻力:250英尺过程区域密度较小，设备和基础设施之间的空间很大。
• 光线障碍:500英尺典型的坦克场，那里有很大的障碍物，但之间有很大的空间。
• 场地清晰线:750英尺-当天线安装在障碍物上方，并且地形变化角度小于5度时，最大距离是可能的。专门的天线可以帮助跨越更远的距离。

这些是指导方针。实际结果可能有所不同，但这些估计应该提供现实的期望。

成为冠军

无线shart网络在自组织方面已被证明是有效的。今天运行的许多网络都是安装、打开的，出于各种实际目的，它们只是简单地开始工作。它们的内置功能可以按照预期完成工作。然而，最聪明的软件也无法克服物理硬件的限制。如果网络的某些部分表现不佳，则某个发射机的天线可能必须移动到更好的位置，或者添加中继器以创建额外的通信路径。一些简单的操作可以提高性能，但必须有人主动执行。

实现工业物联网概念不仅仅是简单地安装WirelessHART网络，但这种形式的通信扩展了向下延伸到网络架构的能力。随着工业自动化本质的发展，这种需求也在发生变化。

分布式控制系统(dcs)和资产管理平台往往是大型的、单一的，但现在被使用移动设备和云的更小、开销更低的系统所补充和取代。例如，可以通过智能手机应用程序检查离心泵安装的机械状况。该应用程序可以通过工厂网络和网关访问安装在电机和泵上的WirelessHART诊断传感器。

虽然相同的应用程序应该连接到有线设备以获取类似的数据，但通信路径可能过于复杂而不切实际。传统HART设备通常将数据发送到DCS或其他主机系统的输入/输出(I/O)卡，因此应用程序必须在设备中找到一条路径，这取决于其使用时间，可能说起来容易做起来难。

因此，WirelessHART的价值主张在工业物联网时代正在增长。除了与消除布线相关的成本节约之外，还增加了更容易访问的优点。这可能更难量化，但它为许多应用程序提供了快速的回报。

丹·卡尔森解决方案架构师在哪里艾默生自动化解决方案．他拥有卡尔顿学院(Carleton College)的物理学学士学位和明尼苏达大学(University of Minnesota)的工商管理硕士学位。Dan在艾默生工作了15年，从事无线技术和应用方面的工作。

本文发表于工程师的工业物联网补充的控制工程而且设备工程．

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