无线与废水集成

封面故事:带有新型监控和数据采集(SCADA)系统的工业无线网络是由康涅狄格州斯坦福德水污染控制管理局(SWPCA)制定并批准的5年4700万美元资本改进计划的一部分。选择标准包括设备可靠性和能力、可用性、易于管理和符合开放标准。无线网络的安装和设置只用了不到两天的时间。请参阅有关无线和以太网的表格和相关网络广播，“将无线集成到工业以太网应用程序中”。

通过丹尼尔Capano 2015年2月10日

康涅狄格州斯坦福德水污染控制管理局(SWPCA)正在升级一个工业无线网络和监控与数据采集(SCADA)系统，这是由SWPCA董事会制定并批准的一项为期五年、价值4700万美元的资本改进计划的一部分。SWPCA运营着一个2400万加仑/天(MGD)的污水处理厂，通过总共275英里的收集系统管道，排水面积为12,000英亩，为20,000名纳税人服务。SWPCA由市宪章于1997年创建，由九名成员组成的董事会管理。在过去两年中，董事会已着手改善设施，并促进更多的工作人员参与业务政策。

该设施正在变得更加节能和高效，从而降低运营成本。对处理工艺的升级使操作符合新的州排放要求。现有的SCADA系统将被替换:分布式控制单元和相关通信设备将被替换或升级。

整个设施的无线网络覆盖将是这次升级的目标，以允许无线现场设备集成到过程控制网络中，而无需昂贵的布线。

被仔细检查的一个领域是现有工厂线路和管道系统的状况。人们发现，由于工厂恶劣的环境，一些线路和管道处于各种年久失修和劣化状态。这些情况包括破损和普遍恶化的金属和PVC导管和接线盒，过度填充的导管和损坏的电线。包括通信和仪器仪表在内的低压系统受损最严重。

决定探索与工艺仪表接口的其他方法，以消除与物理布线相关的不可避免的问题，包括维修或更换它的费用。考虑到当前无线技术的能力以及通过实施无线系统可以实现的成本节约，设计了一个概念验证项目，以证明这种系统在城市污水处理环境中的可行性。该系统于2014年2月提交给SWPCA董事会并获得批准。

无线系统概念、设计

该项目主要是在水污染控制工厂(WPCP)的恶劣环境中验证无线连接的概念和应用。目标是设计一个有限的(在围栏线内)IEEE 802.11无线局域网(WLAN)，为无线仪器仪表、一般网络资源访问、通信和安全提供覆盖和通信。几家无线和仪器供应商被考虑纳入该项目。选择标准是基于设备的可靠性和能力、可用性、易于管理和符合开放标准。

典型的水处理厂非常适合进行最佳的无线电传播。用于各种处理过程的水箱通常在地面上，如果升高，则在同一高度;这为视线传输提供了大而通畅的开放空间。此外，几个高架结构为收发器提供了有利的位置，进一步增强了良好的传播环境。另一方面，这些设施中的许多结构是由钢筋混凝土建造的，可能会引入衰减和射频阴影。幸运的是，可以围绕这些结构进行设计，并通过使用适当的WLAN体系结构将其影响最小化。

最重要的是，这个系统是开放的，也就是说，不是专有的。这遵循了有线网络(IEEE 802.3以太网)的模型，有线网络广泛使用的标准。系统的增加或扩展不需要专用电缆、软件或接口;它本质上是“即插即用”。IEEE 802.11 WLAN标准的发展和完善使得工厂级无线成为未来扩展的自然选择。

然而，在仪器层面上，没有固定的标准，各种正在使用的低层通信协议正在争夺霸权。这些协议的准专有性质通常需要特定的布线和布线标准、单独的接口和驱动程序、专门的测试设备以及训练有素的设计人员和技术人员。这些都会在项目实施之前、期间和之后增加成本。

基于云计算的管理

WLAN系统是一个网状网络，不需要中央控制器来监视和控制所连接的无线接入点(ap)的活动。在某些网络上，控制器可能会导致吞吐量和性能问题。控制器的消除也消除了单点故障和网络丢失的可能性。基于云的实用程序从任何地方提供网络管理。这些ap组成了一个协作的网状网络，允许多条冗余传输路径。丢失AP不会导致网络瘫痪。链路动态重新路由，以确保通信不间断。这样的架构非常适合与分布式控制系统集成。无线局域网支持IEEE 802.11 WiFi开放标准。

在实现时，没有使用IEEE 802.11通信的仪器。为了连接现场仪器，需要一个用于模拟信号布线和转换到IEEE 802.11无线信号的机柜;时间和成本基本上消除了无线的任何好处。

另一种无线系统使用智能网关和模块进行仪器级无线通信。HART(高速寻址远程换能器)是一种著名的有线仪器级通信方案。HART可以远程管理现场设备;小型收发器与具有hart功能的仪器一起使用，从而产生WiHART。该系统在IEEE 802.15标准(个人区域网络)下运行，在仪器之间形成一个单独的网状网络。

选择该系统可以方便地将现有仪器集成到新的无线系统中，只需最少的布线和工厂电工的参与。收发器与现有的电流回路串联安装，并从该回路中清除电源。仪器级网格架构主动重复信号，从任何设备没有视线到网关。这个功能非常适合整个系统概念。

应该注意的是，即使使用标准，大多数(如果不是全部的话)仪器仪表在不同程度上都是专有的。每种仪器或设备都有其功能所特有的物理或电气特性。该项目的目标是尽可能使用开放协议，以便使用标准设备和接口轻松扩展工厂网络。随着wlan变得更加广泛，IEEE 802.11接口将成为标准功能;新的仪器或移动设备将很容易与网络相关联，并且需要最小的配置。

成本分析，效率

成本，特别是在市政环境中，是决定资本改善包括什么的主要因素。这个简单的联系所确定的节省，如果乘以数百，可能是数千个信号，将很难忽视;这些节省下来的资金可以用于其他方面的改善，或者直接作为储备。不管怎样，这对税率或纳税人都是有利的。数据采集只是探索在这种环境中使用无线技术的原因之一。预计最终安装的系统将促进更多更好的安全选项，集成到计算机化维护管理系统(CMMS)，低成本或免费的工厂内部通信，以及全工厂操作员的移动性。所有这些可能的用途都有助于提高效率和降低运营成本。更换故障的布线系统和升级到其他系统可以很容易地整合到项目预算中，利用使用无线通信系统所节省的费用。

主要处理气味控制系统(OCS)选择在距离控制楼330英尺的地方作为试验台，可以对两种技术进行比较(一个以太网段限制在328英尺或100米)，并设计了有线系统:3 / 4英寸。沟渠中的导管，携带一根CAT5电缆。对在混凝土、碎石和草坪下挖掘的沟渠进行了估算，并进行了修复;劳动拉、终止、试验;最后是设计、管理和IT的参与。从图表中可以看出，费用略高于3万美元。

这些数字是链接的成本，而不是连接的仪器或平动桥的成本。然而，为了证明无线系统的功效，必须要有数据来传输;这就需要包括无线仪器，这将是一项额外的费用，与网络的费用分开。无线网络和仪表设备都是由相关供应商在评估的基础上慷慨提供的。SWPCA后来购买了无线ap，并计划扩展到全厂无线网络。

无线系统不需要壕沟，劳动力仅限于安装ap和最小的IT参与。包括设备、设计、管理、IT和安装在内，同一环节的成本最高达到5420美元。与此相比，硬链接需要30,200美元。这个简单链接的节省接近25,000美元，或节省约83%。将这个数字乘以4个硬连线链接，很明显，节省的费用很快就会累积起来。安装所需时间的比较也很惊人:有线系统估计需要两周才能完成一个操作系统，而无线系统则需要两天。此外，有线系统还能够在两点之间进行通信;该无线系统能够与多台仪器和移动客户端通信。正如预期的那样，无线系统所需的相对较小的资本支出的能力给SWPCA工作人员和董事会留下了深刻的印象。

网络安全

SWPCA的另一个关注点是网络安全。与有线系统不同，所有无线系统都运行在一种“无界”的介质中，理论上可以出于恶意目的而被拦截和破坏，或被“黑客攻击”。人们担心的是，有人会或可能恶意侵入网络，造成严重破坏，比如关闭泵或关闭阀门。虽然这确实令人担忧，但可能性不大。与银行、企业或研究机构不同，典型的水处理设施不生产或包含任何有价值的东西。要侵入这种网络设计需要大量的技术和财政资源;回报根本不足以证明付出的努力是正确的。

话虽如此，但无论有没有无线，总会有恶意干扰的问题，这些干扰来自那些怀恨在心或手头有太多时间的人。SWPCA还没有考虑到设备的无线控制，尽管人们期望这最终会实现。该网络目前仅限于数据采集，这是该系统的一个重要功能。控制仍将硬连接到本地控制面板，而本地控制面板本身又硬连接到基于以太网的工厂SCADA网络(一个高速以太网光纤环)。虽然干扰射频信号是可能的，而且实现成本相对较低，但它要求犯罪者非常接近AP或设备，这迫使不法分子实施非法侵入，并违反了禁止干扰的几项联邦法律。

物理损坏，比如恶意破坏，是破坏无线系统最有可能的情况。这个问题可以通过适当的安装实践和安全措施(如摄像头和访问控制)得到一定程度的缓解。大多数户外ap都有很好的构造，可以承受很多滥用;将它们置于接触不到的地方或提供监视将大大减少破坏系统的机会。

IEEE 802.15和IEEE 802.11系统遵循无线保护接入2 (WPA-2)，它基于高级加密标准(AES)，使用128位加密密钥;这个密钥对于一个普通的黑客来说几乎是不可能破解的，它需要的计算资源并不适合一个典型的工具，比如美国国家安全局(NSA)使用的那些。

更有可能的攻击路线是通过工厂的SCADA网络。与外界隔离和其他措施降低了那里的风险。

安装问题

与硬线连接相比，无线连接的安装劳动强度要小得多。该链路需要两个额定为IP68的室外ap;一个AP安装在控制楼的外墙上，另一个AP安装在OCS洗涤器的访问平台上;两者都高出地面约12英尺。ap支持PoE(以太网供电)功能，因此只有一根CAT5电缆穿过建筑墙壁，提供数据和电力。在OCS，使用POE注入器为AP供电。

在主OCS安装了5个发射机。洗涤池水位、pH/ORP(氧化还原电位)和压差(DP)的测量为验证提供了实时信号。另外两个发射机安装在该地区的两个地点，以提供额外的网格点。安装非常简单，不需要特殊的工具或设备，由工厂的电工在不到三个小时内完成。在洗涤器位置，传感器网络没有硬连线连接;AP完全依赖无线通信。洗涤器AP主要负责与洗涤器仪器的通信。

一旦通电，这些ap就形成了一个网状网络，并开始交换数据和控制流量。每个AP都有一个密钥，允许AP自动配置为网状网络。网络中至少有一个成员必须是进入网络的有线门户。如果没有硬连接，就很难启用和保持对有线网络资源的安全访问。

在几分钟内，通过使用无线网络在线管理界面，管理仪表板上就填充了两个无线网络接入点。当网关/热点配置完成并上电后，会显示在管理界面的客户端列表中。网络安装和设置，包括解决协议转换问题，只花了不到两天的时间。类似的有线安装和设置需要两周时间。

无线通信

ap为双频段:2.4 GHz ISM频段和5 GHz UNII频段，使用未授权频谱。为了实现可靠性和连接性目标，设计要求在两个ap上的工业、科学和医疗(ISM)通道上实现本地连接性(仪器仪表和移动客户端)，而从OCS到控制大楼的回程将使用未经许可的国家信息基础设施(UNII)通道完成。这样做有几个原因:首先，UNII波段在无线设备中应用不广泛，因此UNII波段是一个更安静的射频环境。这种方法在很大程度上消除了对周围家庭和企业的干扰可能性，这些家庭和企业可能正在使用ISM频段进行WLAN连接。UNII波段将允许更可靠的通信，并降低来自外部射频源的干扰概率。

当实现IEEE 802.15设备和IEEE 802.11 ap(从WiHART到WiFi)之间的通信时，该项目变得更加有趣。来自仪器的数据需要从IEEE 802.15 WiHART协议转换为IEEE 802.11 WiFi流，通过无线回程将过程数据传输到控制室。仪器级收发器与智能IEEE 802.15网关通信，后者将数据转换为IEEE 802.3以太网，然后通过有线网络连接到IEEE 802.11n工业WiFi热点，与洗涤器AP通信。

在两个系统之间组装了一个“平移桥”，允许洗涤器AP将数据无线发送到控制室。这些数据以简单的形式显示在网关的网页上，并定期更新。收到的数据没有错误，并且与现有仪器上显示的过程数据一致。

通常，智能网关可以简单地与现有的工厂网络骨干网连接，并集成到现有的SCADA系统中。该系统由于其网格结构和较大的范围，被广泛应用于制造业和炼油厂的过程监控和控制中。然而，它是一个专门用于传输一种协议的网络，WiHART，使用IEEE 802.15标准协议。

如果所有的仪器都使用相同的协议和传输标准，得到的网络就会非常健壮。在这种情况下，维护和使用WLAN 802.11网络作为除数据采集外的其他用途的主要网络是很重要的。

无线性能、覆盖范围

设计阶段的另一个问题是射频外溢到周围社区，以及对周围家庭和企业的wlan的干扰，特别是在ISM波段。该设施约为800 × 1200英尺。ap大致位于该空间的中心;两个ap有效地为大约60%的工厂区域提供WiFi覆盖。在实施之前进行了一项预测研究，如图所示，没有确定任何值得关注的领域。信号在围栏线处消失了，很方便。覆盖率与预测相符;使用不同厂家的手机和平板电脑的原生RSSI指标进行了粗略的实地调查，与预测图基本一致。

在系统的仪表部分经过验证，数据被证明是可靠和准确的之后，几名工头被允许访问网络，并被要求“尝试破坏它”。从最初的理解，操作员开始欣赏系统的移动功能。据报道，该系统在大多数操作领域都是可靠和可用的，性能稳定。视频表现(教学和信息视频)在整个覆盖区域是坚实和连续的。智能网关和OCS仪器的远程访问很容易在可用的移动设备上完成。互联网接入，即使在覆盖范围的边缘，仍然是无差错和可靠的。

虽然该系统的吞吐量为650 MBPS，但所监控的数据带宽非常低。一般的经验法则是，进程变量变化越快，所需的带宽就越高。OCS过程变量变化缓慢，变化通常以小时为单位进行测量。因此，该系统在很大程度上未得到充分利用，允许网络通信资源用于其他任务。

经过六个月的初步评估，该系统在可靠性和性能方面超出了预期。OCS的工艺数据准确可靠。植物面积覆盖是惊人的健壮和可预测的。除非出现意外设备故障，否则系统应该是可用的、无错误的。工厂员工对系统的接受程度以及他们使用网络的意愿允许对系统能力进行真实世界的测试。没有遇到或注意到重大困难或不足，不建议扩大网络和利用网络。

未来无线扩展，节省开支

正在探索的一种用途是用于工厂内部通信的IP语音(VOIP)。“融合”技术允许使用在WLAN网络范围内使用工厂WLAN进行通信的通信设备，并在超出该覆盖范围时切换到公共运营商。当有容量的无线网络可用时，VOIP能够以最小或零成本实现一些昂贵的语音通信服务。

CMMS集成将允许移动、全工厂访问库存、预测性和预防性维护计划、工作单和时间表，并访问设备位置的在线操作和维护(O&M)和维修数据。不应低估操作人员在不离开设备位置的情况下就能获得设备维修或调整所需信息的好处。消除浪费的时间可以提高效率，节约成本。资产跟踪和实时库存控制是好处，也将转化为长期的节省。

安全性，以无线IP摄像机和其他支持IEEE 802.11的安全设备的形式，是WLAN的另一个有价值的用途。无线摄像机只需要一个电源，可以在任何灯杆、电源插座或使用光伏(PV)太阳能和电池。无线摄像机几乎可以放置在任何地方，而不需要运行昂贵且脆弱的信号线路。因此，dvr可以放置在任何地方，极大地增强了监控能力和保护安全数据。

仪器放置的灵活性将是另一个好处。可以想象，如果过程发生变化，可以将仪器移动到最有利的区域，而不是将仪器硬连接到某个区域。过程控制人员也可以试验仪器的放置，以达到最大的精度或效益。所需要的只是一个电源，在一个设计良好的工厂里，它总是可用的。另一方面，硬布线既昂贵又耗时，如果安装不当还会导致错误。相比之下，无线需要放置设备、通电并与无线网络连接，通常在一个小时或更短的时间内完成。

SCADA,能否经得住时间的考验

建议无线集成的其他考虑因素是可靠性和最小停机时间的问题。当布线系统损坏，或正在更换或维修时，可能会花费几天或几周的时间来完成这项任务。在此期间，实时数据会丢失，因为运营商需要花费宝贵的时间进行查房和记录数据。数据丢失使得非常昂贵的SCADA系统变得无关紧要。无线停机时间最小;如果无线AP出现故障，更换工作可以在不到一个上午的时间内完成，系统将重新上线，可能不会出现明显的中断。

目前的SCADA升级将把无线网络集成到其设计中，从而在大幅降低成本的情况下形成一个更广泛的系统。这将通过至少增加两个ap来扩展无线系统来实现。通过定向天线和调整发射功率，预计可以覆盖高达95%的工厂区域，而不会干扰邻近的家庭和企业。大部分短期成本节省将来自减少未来升级过程仪表和通信的电气部分。

参与该项目的人认为无线技术是数据通信的未来;我们的目标是使该设施“面向未来”，使SWPCA能够很好地利用未来的技术改进。

高效、灵活、可靠

无线网络的实现不仅仅是关于劳动力和成本的节省;它还涉及效率、效用、灵活性和可靠性。无线技术被大多数人广泛接受，甚至期待。十年前，智能手机还是高科技玩具;现在这些无线和移动电脑终端被广泛使用，对许多人来说，这是他们生活中必不可少的一部分。技术越来越稳健可靠，这对水处理的严谨性和科学性提出了要求。

将无线网络集成到工厂环境中将经历与可编程逻辑控制器(plc)和SCADA系统上一代所经历的相同的考验。在最初的恐慌和抵制之后，这些对治疗过程的改进现在被认为是理所当然的——许多操作者想知道，如果没有它们，我们是如何生活的。无线技术也将如此。虽然这个行业在考虑或实现无线技术方面有些晚，但它已经使该技术成熟为安全、可预测和有价值的工具。

参与SWPCA项目的人员认为，无线技术是工业通信的未来，在当前和未来的工厂设计或升级中，必须将其视为一种可行且具有成本效益的选择。如果做得正确，无线实现可以实现无缝集成，以最小的资本投资实现不可避免的改进，从而使工厂经得起未来的考验。将无线技术集成到工厂控制网络和系统中将降低资本支出和运营成本，从而降低用户费率，这是一个有价值的目标，对这些设施所服务的费率缴纳人来说是一个明显的利益。

-丹尼尔卡帕诺dcapano@sbcglobal.net他是康涅狄格州斯坦福德市Diversified Technical Services Inc.的总裁，并担任斯坦福德水污染控制管理局副主席;由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

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