无线仪器拓扑

任何一直在阅读的人控制工程在过去的几年里，类似的出版物已经看到了很多关于无线仪器和更大的无线设备集成的讨论。就像“现场总线之战”一样，无线讨论可能会产生更多的热而不是光，但无线能力的潜力是不可否认的。如果你开始考虑如何将这项技术应用于你的工厂，你有很多选择。在本文中，我们将讨论永久安装的过程仪表和相关的分立器件。更大规模的工厂集成、员工位置、无线工人等将在其他地方得到处理。

与有线世界一样，将信号从给定设备转移到更大的控制系统也有很多选择。您需要选择一种方式来“连接”您的无线设备。无线最大的不同在于它是一种共享媒介。虽然为更多的仪器添加更多的电线总是可能的，但在给定频率下，无线带宽会耗尽。作为一个实际问题，增加电线需要花钱，而且导管和电缆托盘有物理上的限制。另一方面，关于无线带宽何时耗尽，几乎没有明确的规则。无线干扰已经成为一个问题的情况还不够多，无法提供明确的迹象，只能相信不同植物的无线干扰会有很大差异。

仪表/电台配置

最近的许多讨论都与内置无线通信的仪器越来越多的选择有关。发射机有发芽的天线，无线电模块是电子设备的组成部分。虽然整体无线是最简单的，但选择仍然有限。大多数生产商开始使用更简单的无线集成设备，因此有很多温度和压力传感器，但很少有像科里奥利流量计这样复杂的设备。这通常是由电池为设备供电的能力驱动的，因此像磁流量计这样的高能耗项目被忽略了。

有些制造商提供无线通信模块，可以添加到现有的仪器。它们通常接受标准的模拟和数字通信协议，例如4-20 mA，有些还处理位级设备。发射机通常单独供电，或外部供电，或由电池供电。这扩大了潜在的选择范围，基本上包括来自任何制造商的所有仪器仪表，但需要添加一个单独的设备。根据给定应用程序的需要，这可能是一个很小的代价。

驱动选项

使用无线解决方案的决定通常是由消除有线连接的愿望或需求驱动的。但这是否意味着每根电线?当在回转窑一侧安装温度传感器时，所有的有线连接都必须断开。另一方面，有时去掉数据线就足够了。如果仪器距离I/O点较远，但距离电源较近，则使用该功能是有意义的。电池的寿命是有限的，即使是几年，也会限制发射机可用的电量。功率较高的信号通常更强、更可靠，因此如果有外部电源可用，使用外部电源的原因有很多。

还有其他的替代方案，包括太阳能收集器，它可以在没有市电且功耗过高而无法使用传统电池的情况下提供帮助。为了本文的目的，电池电源的讨论假设一个独立的电池组。

通信协议

考虑到创建通信协议的复杂性，仪器制造商经常使用与IT和消费产品相同的协议。您的无线压力传感器可能会通过ZigBee或蓝牙发送读数。现场总线段的无线回程可能使用Wi-Fi或蓝牙。

在许多方面，通信协议不一定是主要的选择标准。来自“A”公司的无线压力传感器可能不会与来自“B”公司的传感器交互，即使他们都使用ZigBee。每种协议的技术能力和限制将决定其应用。

安全

鉴于大多数无线设备都是最近才开发出来的，对网络安全的担忧几乎是当前所有平台的重要组成部分。无线仪器通过两种主要技术进行自我保护:

首先，通过谨慎地使用发射机功率和天线方向，信号可以保持在物理范围内。这最大限度地降低了数据溢出工厂边界的可能性，黑客可以窃听、插入虚假数据或利用不受保护的点潜入更大的网络。不幸的是，在许多情况下，这是不完全可能的，特别是在植物生长在拥挤的地区。

其次，大多数系统都包含数据加密和身份验证的组合。不仅数据以一种外部无法识别的格式发送，而且仪器必须向网络表明自己的身份才能参与数据传输。平台可以为每个设备提供详细的ID代码，以排除监听流氓设备的可能性。适当的防火墙可以防止黑客从仪表网络转移到更高级别的IT系统。

更新速率，数据类型

大多数无线仪器被设计成在特定的时间间隔报告其过程变量。虽然标准的有线4-20 mA设备连续发送信息，但除了最关键的应用程序外，很少有必要这样做。无线设备通常将信号数字化，并在给定的时间间隔内发回任何值。对于关键数据点，可能是每秒一次，甚至更快，对于不能快速更改的值，可能是每小时一次。快速更新速率会消耗更多的能量，因为无线电传输的时间更长，所以更新间隔与电池寿命直接相关。此外，报告速率还会影响可以与给定网关通信的设备数量。频繁的频率意味着很少的设备和较短的电池寿命，所以不要让间隔比实际过程所需的时间更短。

一些平台支持警报功能，其中，设置为较长的报告周期的设备，如果其变量超过警报级别，将突破其设置的间隔发送回紧急消息。要做到这一点，传感器必须在无线电处于睡眠模式时正常工作。这似乎是一个小功能，但它具有实用价值，允许您为设备设置较长的报告间隔，并且仍然知道问题将立即传达。

大多数仪器仪表可以将过程变量作为单个值传输，这对于无线电来说很容易作为非常短的数据突发来处理。然而，像振动监测器这样试图传输像波形这样复杂的东西的设备通常需要更多的时间。对于某些系统，这不是问题，但如果您的流程依赖于复杂的数据传输，这可能成为一个关键元素，值得深入讨论。

简单的点对点系统是有效的，但对于多个安装，还有更有效的方法。 未划分的集群使用一个公共网关，但是各个工具之间不支持彼此。 集群数据集中器方法仅用一个无线电信号发送更多数据。

点对点

最古老和最简单的方法是点对点，其中有一个单独的仪器和它自己的无线电发射机发送信号到网关(接收器)，这是有线到控制系统。网关只接收来自该发射机的信号。这种方法是可行的，但对于除了最小的安装之外的所有安装都失去了实用性。对于只有少量设备的应用程序，或者它们分散在一个大型安装中并与多个I/O点通信的应用程序，这可能仍然是有意义的。然而，由于大量的硬件，它变得昂贵，并有可能导致并行系统之间的干扰。

规模较大的系统可以使用一组单独的仪器，这些仪器与单个网关通信。每个设备依次发送数据，网关对其进行分类，以便控制系统能够单独跟踪仪器变量。这些设备之间不相互通信，因此没有一台设备知道周围其他设备正在发生什么。

点对点系统通常是专有的，尽管它们可能使用标准或商业传输协议。将数据从设备中取出并输入控制系统通常使用无法跨平台互操作的专有软件。

数据集中器

只有一个或两个仪器来监测的应用是很少的。通常，仪表部件围绕流程单元和子单元集群存在。虽然一组仪器分别与单个网关通信可能是一种解决方案，但通常更简单的方法是使用数据集中器来收集信号并将它们从一个发射机发回。这消除了额外的无线电传输，这在拥挤的射频(RF)环境中是至关重要的。数据集中器也可以使用没有自身无线功能的标准设备。其中大多数是外部供电的，所以它们通常有一个高瓦数的无线电，具有强而可靠的信号，具有远距离能力。

数据集中器通常是模块化的，其配置类似于PLC I/O点。无线电可以根据仪器的数量和类型附加不同的输入块。例如，如果一个容器有流量计、压力传感器和液位传感器，并结合一个液位开关和一个用于报警的压力开关，您可以配置输入以接受标量和位电平设备。网关为控制系统分离变量。有些使用诸如Modbus之类的协议来收集和分发过程变量，还可以处理来自已启用仪器的HART数据。

有线现场总线系统的有效性可以通过使用战略无线通信来扩展。

无线现场总线

使用现场总线的无线通信通常遵循以下两种方法之一:

• 第一个从整个有线现场总线段获取数据，并将其从扫描仪发送回网关。在这方面，它就像一个复杂的数据集中器。通常这涉及到Wi-Fi回程，但也有其他选择。

• 第二种在现场总线扫描仪中集成了无线网关，用于与没有直接连接的段上的特定仪器通信。考虑这样一种情况，现场总线段涉及与反应器相关的所有设备。如果反应堆有一个可拆卸的盖子，上面安装有一个液位传感器，这将是一个理想的情况，当其他项目是有线的时候，一个项目是无线的。所述无线设备与所述网关通信，其数据包含在所述段上的有线设备中。

网状网络

目前的许多讨论与形成网状网络的集成无线电仪器的日益可用性有关。其概念是，单个设备可以以支持健壮可靠的数据传输的方式与其他设备及其网关进行通信。在这种方法中，有两种主要方法。

第一种方法完全依赖于电池供电的单个仪器。(新的WirelessHART协议是目前这种方法的主要示例。)每个设备都是发射器和接收器，在彼此范围内的设备相互通信和网关。每个无线电模块都有一个共同的时钟，它们以特定的时间间隔打开自己以交换数据。远离网关的设备将数据从一个设备发送到另一个设备，根据需要重复，并随着每一跳前进。每个仪器都参与每个数据周期，即使有些仪器由于报告间隔较长而没有自己的传输变量。没有内置无线电的仪器可以添加一个外部设备，尽管仪器可能需要自己的电源。

电池供电的网状网络需要最少的基础设施，但要实现这一点，必须接受一些战略限制。 网状节点网络需要更多的基础设施，但可以获得速度和功率。

虽然这种方法增加了移动数据的延迟，但与报告间隔相比，将数据传输到网关所需的时间通常非常短。这些设备形成自己的网络，在某种意义上，它们能够自我修复，如果网络中有RF干扰或设备损坏造成的干扰，它们能够重新配置它们相互作用的方式。如果一个设备退出网络，其他设备将报告它的缺席。

这种拓扑结构有很多优点。它只需要很少的外部管理，并使用自己的软件来配置通信和功耗。当网络得到优化时，由于有效的电力使用，电池可以持续五年、十年或更长时间。

另一方面，电池供电的无线电牺牲了发射功率和带宽，以减少功耗。可靠的通信依赖于所有小型无线电相互支持，而不是更强大的外部供电发射机。

另一种网状网络协议也使用电池供电的仪器，但外部供电的节点作为中间设备。单个仪器与节点通信，彼此不啮合。节点作为中继器，在必要时相互啮合，并将数据带到网关。单个仪器能够与多个节点通信，以提供冗余路径。

虽然这种方法需要更多的基础设施，但与全电池拓扑结构相比有一些优势。首先，与单个设备相比，节点使用功率更高、带宽更大的无线电。这将数据从遥远的仪器以更少的跳数更快地发送回网关。此外，功率越高，节点到网关的信号越健壮。

单个仪器可以休眠更长时间并节省电池电量，因为它们只需要在报告间隔而不是每个数据周期唤醒。由于节点连续接收信号，处于报警模式的设备可以随时发送。

不过，添加节点会使初始安装变得复杂。即使他们不需要数据线，他们也需要电力，所以这增加了布线要求。如果有数据线，节点通常还可以作为辅助网关，为复杂系统的数据路由增加了灵活性。

与其他小规模方法相比，网状网络被设想为服务于更大的应用程序。虽然数据集中器和点对点解决方案适用于每段5到10个设备，但网状网络更适合拥有(无论如何可能)多达数百个设备的应用程序。随着设备的增加，全电池网状网络变得更加可靠，因为它们都相互支持。动力节点网状网络依赖于高设备数量来分摊基础设施成本。虽然几乎所有的供应商都将提供增量采用给定平台的计划，但在进行选择时，最好考虑到最终实现的方向。

了解你的流程

选择最好的无线平台，就像选择任何设备一样，取决于对流程需求的理解。仪器的放置、精度水平、更新频率等等，都是讨论的内容。如果您清楚地了解所有这些因素是如何相互作用的，以及仪器仪表和数据如何支持控制策略，那么您就可以为无线网络勾勒出清晰而适当的目标。

作者信息

彼得·韦兰德是过程工业编辑。联络他的地址是PWelander@cfemedia.com．

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