WirelessHART扩展了您的范围:添加新仪器的简单方法

任何工厂扩建通常都需要增加I/O计数。这似乎很简单，但在实践中很快就会遇到限制。首先，I/O柜的容量是有限的，而且I/O很贵。这导致工厂工程师有几个选择:继续向现有系统添加I/O点，直到所有的备件都用完为止，添加额外的I/O柜，或者通过添加来增加容量无线哈特的能力。本文将展示第三种选择可能是增加设备I/O计数的最快和最经济的方法。与有线I/O相比，无线I/O系统有两个主要优势:省钱和节省时间。但是选择一个需要回答一些问题。

需要什么样的基础设施?

无线系统由一组无线发射器组成，它们通过网状网络相互通信，并带有网关，网关连接到控制系统，如图1所示。许多网关提供了可以轻松集成到系统接口中的协议选择，包括HART-IP、以太网或基于rtu的通信协议。目前常见的协议有Modbus和OPC。一家制造商现在还提供EtherNet/IP协议，这样就不需要modbus到EtherNet/IP转换器了。当然，这一活动的目的是将设备信息集成到控制系统中，因此有几个可用的选项来覆盖大多数控制、监控和资产管理系统。

除了主要变量(PV)，来自a的信息无线HART设备包括额外的测量变量，设备状态，设备诊断，在某些情况下，过程诊断。

一个无线HART发射器可以是电池供电，线路供电或环路供电，电池寿命从几个月到几年不等，这取决于设备的配置方式及其更新速率。每分钟几次的适度更新速率可以支持多年的电池寿命。添加一个发射机包括与传统有线设备相同的活动，包括安装和打开它。除了正常的设备配置外，还需要配置两个附加项-连接键和网络标识。没有现场接线，因此工作可以快速完成。

一个有线HART设备可以通过添加一个无线设备上或附近的HART适配器。这些适配器可以是电池供电或线路/回路供电，在某些情况下，为发射机提供电源。适配器可以将设备信息从单个设备传输到使用多点HART配置连接的多达8个设备。适配器可以消除对电池的需求，并允许使用现有的工厂库存。

添加一个无线智能阀门定位器的HART适配器是无线技术的重要应用之一。由于大多数工厂都有有限或没有备用电线基础设施，在智能定位器中访问智能信息已被证明可以在工厂运行、维护和周转期间节省金钱和时间。监测和验证潜在阀门问题的能力可以避免计划外关闭以及消除不必要的阀门维护。

成本呢?

由电池驱动的无线HART发射器的开箱成本通常高于等效的有线发射器，但当考虑到布线和安装成本时，成本差异很快就消失了，更不用说项目时间的显著减少了。安装一个传统的发射机需要运行适当的4-20mA电缆，通常是导管，成本约为每英尺20美元，这可能超过了发射机的成本。

无线系统避免的其他成本是增加I/O卡和额外的图纸，以显示新的线路是如何路由和连接的。

经验表明，无线技术提供了一种具有成本效益的解决方案，使一些客户能够比有线替代方案节省50%或更多的安装成本。此外，一旦在现场建立了无线网络，就可以快速安装额外的无线仪器，以提供持续监测或临时用于故障排除或识别特定问题。您的成本和节省可能会根据备用电线的可用性、距离和其他考虑因素而有所不同。

一个无线HART网关的成本大约相当于几个发射机，一个网关可以处理100到250个发射机。

可靠性呢?

在考虑无线安装时，一个常见的问题是可靠性。信号通过无线电传播，但如果核电站有许多储罐和其他容器，在管道和支撑结构中到处都是大量的金属呢?无线电信号怎么可能穿过这样的迷宫而不丢失呢?

解决方案可以在无线HART技术。这是因为该系统被配置为一个网状网络:每个发射机都与它的邻居保持不断的通信。如果特定的发射机不能将消息直接发送到网关，网格将从发射机传递到发射机，直到消息到达网关。这个网格在网关中是自配置的。当添加发送器时，系统自动计算如何以最有效的方式将消息从设备发送到网关。如果有什么变化——发射器被取下来进行维护或添加了物理障碍物——网关会持续自动地重新配置网格，以保持包括主要和次要路由路径在内的持续通信。结果，a无线HART安装通常具有大于99.9%的端到端可靠性。

网关和设备将以最可靠的拓扑进行通信。设备可以在同一个网关上使用点对点(无网格的直接访问)或网格拓扑与网关通信，也可以使用两者的组合。对于快速变化的进程应用程序(例如1秒更新)，点到点通常用于减少延迟。

安全问题呢?

在考虑无线安装时，经常会想到的一个问题是安全性。怎样才能防止有人监视发射机发出的信号，甚至引入虚假数据呢?这种安全漏洞的后果可能从经济损失到灾难。的设计师无线HART通信预见到了这一点，并包括多层安全，包括使用高级加密标准(NIST标准FIPS-197)的端到端128位加密。网关还提供认证、验证、设备密钥管理、基于用户的登录和活动日志等功能。

当现场设备首次打开时，网关会向其发送加入网络的邀请，包括基于安装在网关和设备中的功能对设备进行指定加密的请求。这确保网关和现场设备具有匹配的密码(连接密钥)和网络标识信息。进一步的来回通信由网关安全监控。

当现场设备准备向网关发送数据包时，它将对数据包进行加密、分层并发布无线HART连接到网关。网关将识别发送设备，解密数据包，发布设备，然后将数据包包裹在一个安全层(如果您愿意，也可以称为信封)中，并将其发送到主机系统。

如果现场设备不能直接与网关联系，而是使用另一个设备作为中继站，发送设备将其数据包装在通过中继设备地址到网关的信封中(仅作类比)。中继设备将数据包打包到自己的信封中，并将其发送到网关，网关将进行验证，然后打开所有内容以恢复原始数据包。

无线不仅仅是取代有线设备

无线技术正被广泛应用于各地的炼油厂、油田、海上平台、化工厂、储罐场、水和废物处理中心以及世界各地的其他工业设施，以获得低成本、可靠的实时数据，以优化操作，提高工人和工厂的安全性，并减少排放和其他环境影响。

无线网络具有人员安全方面的优势:在系统中添加新的现场设备意味着可以将更多的数据传输到控制室，减少剪贴板子弹的数量，并使人员远离危险的坦克。

增加无线系统也能带来环境效益。通过有效监测溢水和泄漏，避免高昂的补救成本，记录“事件”，并通过水箱覆盖来控制排放，简化了环保合规。

其他的考虑

上面提到的大部分内容都涉及无线发射器，但在某些情况下，也可以将无线与控制阀和执行器一起使用。这种类型的安装适用于无线系统的更新速率(更新速率可以设置为每秒一次到每小时一次)不会成为问题的地方;通常变化缓慢的储罐液位和储罐温度就是最好的例子。在考虑这样的安装时，最好在进行之前咨询控制设备供应商。

今天，无线现场设备的安装正被广泛接受。令人惊讶的是，无线设备的累计运行时间为多少无线HART已超过10亿小时。全球有超过10,000个安装，其中大多数是有线和无线现场设备的混合。该技术的快速采用是由低成本和快速安装驱动的，使得该路线在短暂的过程中断期间成为扩展的常见选择，而增加的停机时间将带来沉重的经济损失。对于老旧的工厂，增加额外的I/O或升级系统可能是不实际或不可行的。

无线技术还有一个额外的优势，它是一种正确的技术，可以监控工厂中那些无法证明新设备布线成本合理的区域。例如，从非关键电机带回振动信息可能会显著降低持续维护成本，但与有线设备的成本相比，这似乎是不合理的。此外，无线设备可以经济地从工厂的一个地方移动到另一个地方，允许对可能的问题区域进行定期检查。这种流动的特性是无线设备所特有的，可以极大地利用过程制造商的资本支出。

无线HART的设计简单，易于操作和维护技术人员在工厂环境中使用。那些有使用传统有线HART应用程序经验的人，在转向无线应用程序时不会有什么困难。这是一种轻松、快速、经济地扩展测量和控制能力的方法。

Douglas Carlson是艾默生过程管理公司的智能无线网关营销工程师。

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