這些年來，無線儀表在石油管線和石化生產(chǎn)中的使用獲得了成功，這些正面消息也使得工業(yè)控制和自動化的同仁，增長了信心，獲得了新的動力。隨著測量費用的降低，對可視化操作的需求的驅(qū)動，無線儀表消除了昂貴的挖溝和鋪纜費用。儀表采用自給自足、電池供電的工作方式，使得以前人們感覺難以到達的地區(qū)，現(xiàn)在可以通過無線技術輕松實現(xiàn)了訪問。然而，SCADA工程師和操作員也面臨著集成無線儀表網(wǎng)絡的挑戰(zhàn)，因為基礎架構(gòu)要在現(xiàn)場層面實現(xiàn)有效的無線通信。管理和調(diào)試分布式的無線網(wǎng)絡出現(xiàn)了新的復雜性，盡管可以節(jié)省大量費用，現(xiàn)場操作員卻不希望采用無線儀表。
本文將通過分析，證明操作員可以用SCADA系統(tǒng)緊密集成無線儀表，享受這種集成方案為用戶所帶來的相關收益。
無線技術的進化
自從吉列爾莫?馬可尼（Guglielmo Marconi）發(fā)出第一條電報信號，跨越了大西洋之后，無線技術已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?。而且，最近的十年來，我們看到了無線領域發(fā)生了巨大的變化，不僅在無線電技術，而且更重要的是，在使用這項技術而源源不斷出現(xiàn)的產(chǎn)品，如在商業(yè)市場，不光計算機可以無線上網(wǎng)，而且PDA、手機也可以通過Wi-Fi或者2.5、3G上網(wǎng)；在工業(yè)市場，石油與天然氣的客戶和管線公司，已經(jīng)依靠無線技術傳送和發(fā)布關鍵運行數(shù)據(jù)（KPI）有很多年了。使用長距離、廣范圍的技術，包括有：衛(wèi)星、甚高頻（VHF）、超高頻（UHF）和無需許可證的擴頻技術。我們的很多客戶購買了具有最新技術的智能電話，已經(jīng)帶有內(nèi)置的Wi-Fi、藍牙和寬帶技術。而且過去的幾年中，無線模塊的價格直線下降。這也使得工業(yè)產(chǎn)品供應商集成無線模塊更加容易，可以非常容易地把它們加到設備和傳感器的列表中。做為結(jié)果，石油與天然氣工業(yè)已經(jīng)看到無線儀表的數(shù)量在不斷地增長，用戶也廣泛認知了無線傳感器網(wǎng)絡，產(chǎn)品也可以通過主要的過程控制和SCADA廠商提供。無線技術已經(jīng)被專家和學者吹捧成工業(yè)控制和自動化領域中的圣杯。經(jīng)預測，這個領域每年將有兩位數(shù)的增長，到2012年將有12億美元的市場。
部署無線儀表的商業(yè)案例是引人注目的。因為消除了布線和挖溝，你可以大大減少部署的成本，多達70%。因為無線儀表使用電池供電，比起傳統(tǒng)方式的安裝，它們很容易在現(xiàn)場部署。有線系統(tǒng)要花費數(shù)天或者數(shù)個星期才能完成適當?shù)陌惭b。無線儀表僅需要到過程現(xiàn)場安裝傳感器，節(jié)約了數(shù)小時或者數(shù)天的時間，以及很多有價值的資源，如：電纜、線槽、支架等。并且，隨著需要，相關的儀表可以隨時添加。
遵從安全、環(huán)保和節(jié)能要求是使用無線技術的主要驅(qū)動因素。在石化生產(chǎn)過程中，在原流的返回周期，需要接近易揮發(fā)的有毒井讀取壓力表、報告生產(chǎn)就緒的情況，對操作人員而言，使用無線壓力傳感器可以減少風險。在回流周期，在有了無線解決方案之后，無線壓力傳感器可以安裝在分析人員能夠檢測得到的井中，并可以實施遠程的采集和分析。許多地方的環(huán)保署（EPA）法規(guī)要求使用一種蒸氣回收裝置（VRU），經(jīng)過分離器和冷凝罐后，再燒掉剩余的燃氣。這時很容易安裝一臺無線溫度傳感器，用于監(jiān)視VRU，如果有火焰冒出，就要發(fā)出一個報警信號，通知操作員。
無線儀表是一場不同的游戲
如果商業(yè)案例不斷增加，投資回報非常穩(wěn)定，為什么在工業(yè)現(xiàn)場部署無線儀表仍然有些勉強？有下面三個主要原因：
1. 可靠性
在工業(yè)應用中，可靠性是首先要關心的問題。無線儀表的可靠性必須和傳統(tǒng)的有線儀表一樣可靠。甚至在比較簡單的應用，如遠程監(jiān)視，用戶期望這種儀表具有一定水平的可靠性和網(wǎng)絡可用性。有線系統(tǒng)非常容易實施診斷和故障跟蹤，因為介質(zhì)就是電纜導線，是一種物理存在，除非被挖走了。而無線，從另一個方面來講，使用了一種不可見的空氣做為介質(zhì)。無線電信號的強度會隨空間的距離增加而衰減，信號衰減的程度與傳播距離的平方成正比。無線電信號還會受現(xiàn)場的山石地理、樹木草叢、河流水系、建筑物體反射的影響。此外，來自附近的無線系統(tǒng)的干擾，諸如蜂窩電話基站的加入也帶來更多的挑戰(zhàn)。
針對以上的多種問題，優(yōu)良的射頻（RF）設計非常重要。設計高靈敏的無線電接收機，使用功率更大的發(fā)送機、增益更強的天線，工程師能夠建立高可靠性的點到多點RF連接。
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2. 適應性
無線儀表網(wǎng)絡需要適應現(xiàn)有的環(huán)境。僅僅為了創(chuàng)建一個可靠的無線連接，而需要移動一眼井口、一臺壓縮機、一個儲罐或者一臺分離機是不現(xiàn)實的。在大范圍的SCADA網(wǎng)絡中，在現(xiàn)場可以非常容易地找到一個視線可及的10米的高塔。也可以增加塔的高度，擴展信號的范圍，避免障礙物的阻擋。無線儀表網(wǎng)絡雖沒有那樣的奢侈，但有時找到一個接入點或者為無線儀表能提供可靠性通信的無線電基站是不容易的。重新為接入點或者無線電基站定位可以改進RF連接，但一個傳感器的連接效果提高可能會使同一個網(wǎng)絡的其他傳感器連接效果降低。
使用低的頻率波段可以改善適應性，諸如無需許可的900 MHz波段，能夠提供很好的覆蓋和距離范圍，好的傳播特性使得信號能穿透障礙物。另外，高增益外接天線安裝得要盡可能高，使得信號能夠訪問很難到達的傳感器，這種傳感器可能位于一個儲罐底部。提高無線電模塊的接收靈敏度也起著重要的作用，它確保了網(wǎng)絡在不同工業(yè)環(huán)境下的適應性。
3. 集成性
多數(shù)的石化生產(chǎn)、過程工廠和管線設施，在現(xiàn)場已經(jīng)具備一些無線能力。大范圍的專有 SCADA網(wǎng)絡，多采用點到點網(wǎng)絡，而本地無線局域網(wǎng)則使用公共系統(tǒng)。每個網(wǎng)絡都用于特定的目的，諸如控制數(shù)據(jù)傳送，高帶寬通信和視頻監(jiān)視。工程師和操作員正面對集成無線儀表網(wǎng)絡、現(xiàn)場其他總線的挑戰(zhàn)。對現(xiàn)場操作員來說，管理和調(diào)試分布的無線網(wǎng)絡需要更高的水平，所以他們不愿意采用無線儀表，盡管能大大降低了成本。
無線網(wǎng)絡集成是一種進退兩難的選擇，尤其在SCADA系統(tǒng)中。因為無線儀表網(wǎng)絡被假設成捆綁在同一個SCADA體系架構(gòu)中的，為了把有價值的操作數(shù)據(jù)傳遞到SCADA主站，把所有相關網(wǎng)絡做為一個整體架構(gòu)來管理是基本的能力要求。
而且，有能力訪問難以到達的區(qū)域和以前認為是不劃算收集信息的數(shù)據(jù)點，可以給操作員提供過程和工廠運行更好的可視化界面。然而，為了監(jiān)視和分析這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)必須在某些地方結(jié)束。SCADA系統(tǒng)通常設計成：處理一定數(shù)量的數(shù)據(jù)點或者標簽。對系統(tǒng)增加處理額外的數(shù)據(jù)點、并把它們集成到趨勢和報告中，需要更多的花費。
盡管現(xiàn)在在過程控制市場有著豐富的工具，可用于捕捉、處理和分析數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性仍然是一項重要的任務。做為增加無線儀表網(wǎng)絡的結(jié)果，一些SCADA系統(tǒng)甚至有一種分開的歷史數(shù)據(jù)庫模塊，做為選件購買，專門處理海量數(shù)據(jù)。
針對無線和數(shù)據(jù)集成的挑戰(zhàn)
多種先進的無線儀表基站或者網(wǎng)關設備現(xiàn)在正在市場中涌現(xiàn)，它們是針對這種需求應運而生。新一代的網(wǎng)關，在同一個設備上集成了無線儀表基站和長距離的工業(yè)無線電。無線儀表基站具有一個Modbus數(shù)據(jù)端口，可以外接一個Modbus主站，通過對無線基站的輪詢，可以查看基站的狀態(tài)、現(xiàn)場單元的狀態(tài)和過程值信息。它還有一個診斷口，可以連接網(wǎng)絡設備管理軟件，可對傳感器進行配置和診斷。這兩個數(shù)據(jù)流通過一個先進的長距離串行線或者以太網(wǎng)無線網(wǎng)絡被同時發(fā)送。這就是它實際的工作原理。
無線儀表基站和所有現(xiàn)場單元必須有RF通道和設置成一致的波特率。
每個現(xiàn)場單元必須有它的RF標識（ID），設置成獨一無二的值。這個值將用于而后的Modbus 數(shù)據(jù)輪詢。
無線基站的Modbus串口波特率必須可以設置，配合長距離的無線使用。
無線設備標識ID必須可以設置。這個值會在以后的Modbus輪詢系統(tǒng)中需要。集成長距離遠程無線基站配置成一個遠程接力設備，把信息傳送到位于主SCADA中心的一個無線電主站。無線基站上兩個可用的串口配置到Modbus輪詢的通道和診斷數(shù)據(jù)同時到無線儀表主站。通過現(xiàn)有的長距離SCADA體系架構(gòu)，允許操作員管理和診斷無線儀表網(wǎng)絡。用于所有現(xiàn)場單元的實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息可以在分布的HMI和集成的SCADA主站上顯示。
在數(shù)據(jù)集成前端，現(xiàn)代SCADA主站軟件提供了一個完整的集成環(huán)境，包括一個集成的和伸縮的歷史數(shù)據(jù)庫，專門處理海量數(shù)據(jù)，不需要通過昂貴和經(jīng)常的升級過程?；谀０宓腟CADA屏幕開發(fā)允許工程師在他們的系統(tǒng)中，容易和快速地加入數(shù)據(jù)點。
結(jié)論
隨著無線儀表網(wǎng)絡使用的不斷增加，用戶將面臨多個挑戰(zhàn)，對他們現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構(gòu)，要確?？煽啃?、適應性和集成性。新RF和天線設計幫助解決可靠性和適應性的問題。留下的無線和數(shù)據(jù)的集成，對現(xiàn)有的SCADA架構(gòu)提出了一個艱巨的任務要完成。幸運的是，混合網(wǎng)關，傳感器網(wǎng)絡基站和長距離無線電已經(jīng)集成，允許用戶從一個點監(jiān)視、管理和診斷他們的分散無線系統(tǒng)。同樣的，先進的SCADA主站軟件，帶有一個集成的歷史數(shù)據(jù)庫和使用模板的快速開發(fā)環(huán)境，可以促進無線傳感器網(wǎng)絡增加的新數(shù)據(jù)點的集成。
（轉(zhuǎn)載）
