无线控制工业应用

无线传感正在全球成千上万的过程工业应用中使用，制造商报告说，无线网络在行业内的需求很高，并且在不断增长。为了将仪表连接到过程工业中的控制和监控系统，广泛使用了FieldComm Group的无线通信技术和仪表、系统和自动化协会(ISA)的ISA100。

虽然无线主要用于监控设备和诊断问题，但目前的趋势表明，无线控制的更广泛使用即将到来，特别是随着新工具的出现，使网络更容易设置和使用。

无线设备的好处

使用无线的一个主要原因是低成本。相比之下，无线发射器可以安装并连接到控制系统，而使用有线发射器的成本只有有线发射器的一小部分。无线发射器的成本约为有线发射器的五分之一到三分之一，可以安装并连接到控制系统。(“来自无线发射器的信息可以节省能源，"控制工程， 2016年7月，第23页)

使用无线的另一个主要原因是由于易于安装，特别是电池供电的无线发射机。无线发射器不需要将信号布线回相应的无线网关，而无线网关又硬连接到一个或多个控制和监控系统。电池供电的设备不需要电线，所以它们几乎可以安装在任何地方，几乎可以监控任何东西。

这意味着蒸汽疏水阀(见图1)、热交换器、泵、压缩机和减压阀等设备可以轻松地进行无线监控。在许多情况下，这些类型的设备过于昂贵，无法使用有线仪器进行监控，通常是因为它们位于无法使用有线基础设施的位置。

无线技术适用于真正偏远的地方，如海上平台、井口、升降机站、泵站、管道、油库和石油终端。在这些情况下，无线仪器连接到网关，网关可以硬连线到本地控制和监测系统。该网关也可以硬连接到远程无线传输系统。

利用其低成本和简单安装的特性，无线有助于满足工厂优化运营、节约能源、提高效率和降低维护成本的需求。

例如，无线传感器和专用软件(见图2)可以检测蒸汽疏水阀问题。这些系统诊断问题，确定可能的原因，并通知维护人员设备出现故障或运行不正常。当维修人员进入工厂进行故障排除时，他或她将“在他们离开之前知道”。同样，由于WirelessHART可以访问HART仪器中可用的所有诊断和状态条件，因此工厂工程师和技术人员可以在问题关闭过程之前检测到待解决的问题。

到目前为止，无线几乎完全用于监控和维护目的，主要是因为更新速度。为了保持电池寿命，大多数工厂将无线发射机的更新时间设置为与有线发射机相比相对较慢的速度。电池的更新速度为8秒，可以使用5到7年。不幸的是，8秒的更新速率不适合控制快速过程，如液体或气体流动。

尽管更新速度很快，但无线控制已经开始用于快速过程。例如，无线控制被用于远程储罐，以防止溢流。当无线液位变送器检测到潜在的过充状态时，控制系统向装有无线适配器的阀门执行器发送信号，关闭流量。在墨西哥，无线关闭远程泵的工作正在进行中。

最近的趋势和发展正在发生变化，使无线更适合于某些应用中的实时控制。

无线控制的新发展

各种进步和发展汇集在一起，使无线控制更加可行。

能量收集将加工工厂中的能量转化为可供无线设备使用的电能。最近发布的热收割机是一种为无线仪器供电的能量收集设备(见图3)。热收割机利用工业热源和环境空气之间的温差发电。

热源存在于整个工业设施的旋转设备上，如电机、风扇、压缩机和泵，以及输送蒸汽和其他加热工艺流体的管道上。配置可用于广泛的潜在热源，包括温度高达450°C(845°F)的平面或圆柱形表面。由于热能收集解决方案与电池一起工作，因此它们具有冗余电源的额外安全性;也就是说，如果能量收集器的热量中断，电池就会接管。

表1显示了具有能量收集功能的无线压力变送器的电池寿命(以年为单位)。由于热量差只有40°C(72°F)，能量采集器可以在1秒的更新速率下运行，而无需使用备用电池供电超过10年。

下一个趋势是无线适配器的可用性增加，它允许传统仪器和工厂设备连接到无线网络。一些仪器供应商提供适配器，将标准的4-20mA发射器转换为WirelessHART或ISA100。

世界各地的工艺工厂中安装了数十万台支持HART通信的4-20 mA仪器，但许多工厂尚未为每台仪器开发HART的所有功能。许多工厂使用手持式HART接口手动检测仪器的状态和诊断信息，但控制室无法获得这些信息。

将传统仪器连接到控制系统通常需要安装HART调制解调器，将电源线连接到调制解调器，并在控制系统中安装软件来提取数据。如果没有大量的自定义编码，一些遗留的控制系统无法容纳HART数据。无线shart协议适配器通过将HART协议转换为Modbus RTU或以太网协议之一来解决这些问题。

例如，纽约州罗彻斯特市的门罗县废物处理厂依靠操作员轮转来读取三条管线的流量计读数。流量计位于这座长达一英里的工厂的另一栋建筑中，距离主控制系统太远，无法进行硬接线。没有可用的管道，并且本地控制系统的现有输入/输出(I/O)机架已满。因此，操作人员每小时去一次大楼，记下瞬时流量读数，然后手动计算流量总量。

工厂为三个需要联机的磁流量计购买了三个无线适配器和一个无线网关，为无线网络提供基础设施。现在工厂有即时的流量信息，操作人员可以从控制台监控。

无线适配器也可以安装在控制设备上。例如，在控制阀上，可以在数字阀门定位器上安装无线适配器，以实现无线闭环控制。类似的设置可能是可行的变速电机驱动器的控制。

另一个有趣的发展是一种改进的比例-积分-导数算法，可用于控制响应时间为30秒或更短的过程，例如精馏塔。修改后的编程修改了PID算法，以自动考虑来自无线传感器的较慢更新时间。德克萨斯大学的研究表明，采用无线发射机的先进PID编程对分壁精馏塔进行实时控制，其效果可与有线发射机的PID控制相媲美。

无线控制即将到来

所有这些都可以在许多应用中应用无线控制。图4显示了一个典型的无线系统，其中包含无线传感器、接入点以及将它们连接到控制系统的网状网络。

无线发射器可以以1到2秒的更新速率运行，这对于大多数过程控制应用来说已经足够快了。无线系统的网络管理员可以调度无线传感器所需的任何测量更新速率，因此关键的传感器数据可以快速到达控制系统。

如果控制系统使用现场总线或4-20mA连接控制设备，则没有问题。然而，如果控制信号是通过无线传输的，问题是网络管理员不能像调度无线输入那样调度无线输出传输时间。无线控制信号到达设备可能需要10秒到几分钟的时间。

在网络管理器的工作中有一些发展，它允许无线输出信号的调度来完成无线控制难题的最后一块。

低成本和简单安装的无线优势有助于工厂提高效率，优化操作，降低维护成本，并发现小问题，以帮助防止或最大限度地减少停机时间。

到目前为止，由于响应时间慢和电池寿命问题，无线发射机只用于监测，而不是控制。最近的发展——包括能量收集、无线适配器和先进的控制算法——意味着无线控制几乎可以应用于任何应用。

梅丽莎Stiegler是艾默生自动化解决方案无线产品管理总监。编辑:Emily Guenther，副内容经理，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

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作者简介

Melissa Stiegler是艾默生自动化解决方案无线产品管理总监，负责管理艾默生的普及传感和无线产品组合。Stiegler获得明尼苏达大学卡尔森管理学院工商管理硕士学位和明尼苏达大学双城分校电气工程学士学位。Stiegler是女性工程师协会(SWE)的积极参与者，也是许多其他促进年轻人接受科学、技术、工程和数学(STEM)教育的倡议的积极参与者。她还参与了“工程女性”项目，以提高推动业务增长和财务业绩的想法和方法的多样性。

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