无线发射机实现:设计方面

如何选择无线发射机:随着无线技术的进步和通信标准的发展，电池的保质期，易于安装和可靠维护，数据使用量的增加吸引了许多工程，采购和建设(EPC)业务的客户。

通过Ravi K Tata和Kalluri Anjaneyulu 2015年7月21日

客户越来越多地要求工程、采购和施工(EPC)承包商在其征求建议书(rfp)中提供无线发射机的可选报价。EPC承包商也经常为一次性交钥匙(LSTK)工作提供无线解决方案，因为它们不仅可以节省成本，还可以缩短施工和调试时间。

无线发射机通过减少硬布线、电缆托盘、接线盒、支架、现场终端、减少分布式控制系统(DCS)或可编程逻辑控制器(PLC)系统面板，与传统的硬布线安装相比，具有成本优势，并可显着节省施工和启动工作。另一个优点是无线发射器很容易添加到现有系统中。

无线发射机应用

在RFP阶段提供无线解决方案时，最常见的趋势是识别工厂中除了用于监控的应用程序之外的远程或不可访问的位置。在RFP阶段，可考虑以下系统和应用:

雨水池
污水池
原水储罐
氨储罐
软化水
仪表空气
饮用水、闭式冷却水
炼油厂储罐形式，柱
锅炉管金属热电偶
分析测量。

此外，正在推广无线发射机用于安全应用，例如获得有关安全阀、安全淋浴器、执行器等的反馈。

如何选择无线发射机

选择无线发射机时，应考虑以下关键因素:

电池极限外(OSBL)(表示支持主过程的设施或工厂元素)。通常，OSBL单元被认为是炼油厂、石化厂、化肥厂或发电厂的公用设施或其他场外设施，位于平面图的外围，与主控制室保持一定距离。通常这些设施距离主工艺超过984英尺(300米)，并且需要#14/16 AWG规格电线供电。
安装成本高。从这些设施仪表到位于场外位置或变电站的DCS/PLC机柜的仪表/电力电缆需要电缆架。在枕木下或地面上运行电缆托盘需要额外的支撑，花费额外的资金，并且在施工或维护期间阻碍起重机的移动。建造电缆托盘、拉拔和终端电缆的人工成本远远超过无线发射机和网关的成本。
由于无线技术的普及率不高，其对关键应用的接受程度尚未被最终用户和工厂所有者所接受，因此考虑那些不属于任何关键闭环控制的应用是很重要的。
一些测量，如压力、差压和温度变送器，通常采用带电池的无线版本。一些其他类型的仪器，如流量计和分析仪，需要线路电源，但输出可以通过额外的适配器转换为无线，但需要额外的费用。这方面需要在设计过程中仔细评估和考虑。如果可以在较便宜的地点进行测量，则可以考虑节省成本。
根据合同或业主的要求，一些与工厂优化和设备状态监测相关的应用可以考虑无线应用。其中包括用于泄漏监测和安全阀维护的安全阀泄漏(基于声学的无线传感器);冷却塔振动测量，这可能难以访问;和蒸汽疏水阀监测，以评估疏水阀条件。

无线点识别、选择

输入和输出(I/O)点首先通过使用以下识别标准分为三大类:

类别1

指示点
与正常告警关联的监控点。

第二类

非临界开环点
紧急告警关联监控点。

3级

闭环控制
紧急关机(ESD)回路。

所有1类点都被认为是无线的。在第2类中，非关键开环和与预警报警相关联的监测点可视为无线点。但是，需要立即采取行动的报警不应视为无线点。由于闭环控制和ESD系统的关键性质，第3类通常没有被考虑用于无线应用。[编者注:冗余无线系统已用于某些安全关键应用，并进行了适当的风险评估。]

无线通信标准

以下是流程工业中无线通信最流行的两种通信标准:

WirelessHART
ISA 100.11a -无线工业自动化过程控制网络及相关应用。

虽然不打算比较WirelessHART和ISA 100.11a之间的优缺点，但从EPC承包商的角度来看，选择特定标准取决于以下方面:

在项目的EPC阶段，业主通常会寻求各种可用技术的建议，例如WirelessHART和ISA 100。
尽管客户偏好比技术选择更重要，但EPC承包商的观点、与DCS的集成以及训练有素的启动资源是技术选择的关键驱动因素，因为LSTK工作和EPC项目都有进度延迟罚款或提前完成奖金。棕地项目的rfp通常倾向于与现有DCS基础设施集成，但由于备件、空间和其他考虑因素的可用性，集成更加困难。
审查RFP要求:业主可能要求使用特定的DCS或品牌的现场仪器，这可能更倾向于使用一种标准。

控制系统接口

当与工厂控制系统连接时:

每个无线发射机通过标识(ID)和密钥与无线网关相关联。
一般来说，每个无线网关最多可以处理100个点。
网关可以配置为单工配置或冗余配置。
理想情况下，网关可以位于过程接口大楼(PIB)或控制室中，距离最近的无线发射机或中继器有距离限制，天线位于PIB或控制室顶部。
网关可以位于DCS或PLC网络柜内。

网关通过Modbus(串行或TCP/IP)通信与DCS通信，通过防火墙通过网络交换机硬连接到各自的通信模块。

图1显示了一个典型的系统概述图，显示了与工厂控制系统集成的无线网络。

无线I/O分配

无线设备按无线网关分组如下:

各单元或PIB -将各单元的所有无线发射机分配到无线网关所在的相应PIB或变电站大楼。
扫描速率—根据通信的重要程度指定扫描速率。更高的扫描速率可以更快地验证资产的状态。
网关负载—根据无线扫描速率和无线点的数量，需要计算制造商无线网关负载。这些工具很容易在大多数制造商的网站上找到。
备用原则——考虑20%的多余容量用于无线网关加载。
考虑为包供应商提供的无线发射机提供单独的网关。

无线网络设计验证

必须使用无线设备、无线网关和障碍物(如管道或结构)的真实物理工厂坐标来验证无线网络。无线仪器供应商拥有软件工具，通过输入每个无线设备的工厂x、y和z坐标、位置网关、天线或物理障碍物来验证项目无线网络，并运行该工具来检查无线设备是否通过各自的网关覆盖或识别夹点。工具也可以建议安装中继器来加强无线网络。

该活动需要在模型完成60%时执行，并且当仪器位置建模或可用于验证时执行。

图2显示了无线网络的典型验证输出。验证网关时，需要准备以下数据:

工厂的地块面积
网关的位置
天线位置
到最近的无线设备的距离
以百分比表示的邻居数
孤立的设备
障碍物高度。

图形输出显示掐点，设备没有通过指定的网关覆盖。一般来说，通过在战略位置引入中继器来清除夹点。在一些特定供应商的产品中，普通的无线压力变送器可以配置为“中继器”。

无线网络最佳实践

无线网络设计的最佳实践包括:
无线网络应该限定为PIB中的一个进程单元。
无线网关应放置在PIB区域。
在一个有效的网关范围内，应放置至少五个无线仪器。
在超过25台设备的无线网络中，需要有5台设备直接与网关通信。如果设备数量少于25台，可能需要中继器。设计阶段应确认中继器的需求、数量和位置。
对于大型网络，在网关的范围内，网络上应该有25%的无线仪器。在某些情况下，这个数字可能会下降到10%，这仍然是可以接受的。
每个无线仪器应该有三个邻居。这利用了iec62591 (WirelessHART标准)中实现的自组织网格技术。
有效范围由处理单元的类型和基础设施的密度决定。在工程阶段，最好的做法是根据无线现场设备的环境为其提供假定的范围，而不是使用设备的全部范围。

一般来说，过程单元中的环境可分为四种类型:

(1)严重障碍物- 100英尺(30米)。这是典型的高密度工厂环境，卡车或设备无法通过。

(2)中等障碍物- 250英尺(76米)。这些是密度较小的过程区域，在设备和基础设施之间有很多空间。

(3)光线障碍- 500英尺(152米)。这些是典型的油库。虽然坦克是巨大的障碍物，但它们之间和上方的大量空间有助于良好的射频(RF)传播。

(4)视线清晰——750英尺(228米)。该设备的天线安装在障碍物上方，地形变化的角度小于5度。一些无线shart供应商提供了长距离应用的选项和技术。

无线网络设计应以图形形式呈现，并提供以下结果:

图形化的无线工程文档描述所设计的网络符合设计原则。
网络中不应该有拐点。
每台设备至少有两个邻居，通过冗余通信路径保证可靠性。如果网络中只有两台设备，则需要添加一个中继器。在详细设计阶段，将对中继器的需求、数量和位置进行验证。
当需要加强网络或避免夹点时，应注意中继器的数量。

无线发射器是远程和难以接近的位置的绝佳选择，可以减少安装和调试时间。在劳动力昂贵的地区，使用无线技术的最大好处是可以观察到的。根据经验，所有监控应用程序都是无线发射机和技术实现的良好候选者。通过预先讨论了解客户需求有助于选择适当的技术和主机系统接口。在设计阶段，供应商与初步管道和仪表图(pid)的互动有助于确定无线技术的合适应用，从而使无线设计成为初始仪表设计的一部分。

在设计阶段的中途，无线仪器供应商必须使用3D模型来验证无线网络，以消除任何夹点，并确定无线网关、天线和中继器的位置。

- Ravi K Tata是柏克德印度公司的首席工程师，Kalluri Anjaneyulu是工程集团主管;主编埃里克·r·艾斯勒石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com。

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