這些年來，無線儀表在石油管線和石化生產中的使用獲得了成功，這些正面消息也使得工業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，現在可以通過無線技術輕松實現了訪問。然而，SCADA工程師和操作員也面臨著集成無線儀表網絡的挑戰，因為基礎架構要在現場層面實現有效的無線通信。管理和調試分布式的無線網絡出現了新的復雜性，盡管可以節省大量費用，現場操作員卻不希望采用無線儀表。
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本文將通過分析，證明操作員可以用SCADA系統緊密集成無線儀表，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）發出第一條電報信號，跨越了大西洋之后，無線技術已經成為我們日常生活的一部分。而且，最近的十年來，我們看到了無線領域發生了巨大的變化，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的產品，如在商業市場，不光計算機可以無線上網，而且PDA、手機也可以通過Wi-Fi或者2.5、3G上網；在工業市場，石油與天然氣的客戶和管線公司，已經依靠無線技術傳送和發布關鍵運行數據（KPI）有很多年了。使用長距離、廣范圍的技術，包括有：衛星、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，已經帶有內置的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。這也使得工業產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。做為結果，石油與天然氣工業已經看到無線儀表的數量在不斷地增長，用戶也廣泛認知了無線傳感器網絡，產品也可以通過主要的過程控制和SCADA廠商提供。無線技術已經被專家和學者吹捧成工業控制和自動化領域中的圣杯。經預測，這個領域每年將有兩位數的增長，到2012年將有12億美元的市場。
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部署無線儀表的商業案例是引人注目的。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，比起傳統方式的安裝，它們很容易在現場部署。有線系統要花費數天或者數個星期才能完成適當的安裝。無線儀表僅需要到過程現場安裝傳感器，節約了數小時或者數天的時間，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、環保和節能要求是使用無線技術的主要驅動因素。在石化生產過程中，在原流的返回周期，需要接近易揮發的有毒井讀取壓力表、報告生產就緒的情況，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。許多地方的環保署（EPA）法規要求使用一種蒸氣回收裝置（VRU），經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，用于監視VRU，如果有火焰冒出，就要發出一個報警信號，通知操作員。
無線儀表是一場不同的游戲
如果商業案例不斷增加，投資回報非常穩定，為什么在工業現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的有線儀表一樣可靠。甚至在比較簡單的應用，如遠程監視，用戶期望這種儀表具有一定水平的可靠性和網絡可用性。有線系統非常容易實施診斷和故障跟蹤，因為介質就是電纜導線，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。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的干擾，諸如蜂窩電話基站的加入也帶來更多的挑戰。
針對以上的多種問題，優良的射頻（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
無線儀表網絡需要適應現有的環境。僅僅為了創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實的。在大范圍的SCADA網絡中，在現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，它確保了網絡在不同工業環境下的適應性。
3. 集成性
多數的石化生產、過程工廠和管線設施，在現場已經具備一些無線能力。大范圍的專有 SCADA網絡，多采用點到點網絡，而本地無線局域網則使用公共系統。每個網絡都用于特定的目的，諸如控制數據傳送，高帶寬通信和視頻監視。工程師和操作員正面對集成無線儀表網絡、現場其他總線的挑戰。對現場操作員來說，管理和調試分布的無線網絡需要更高的水平，所以他們不愿意采用無線儀表，盡管能大大降低了成本。
無線網絡集成是一種進退兩難的選擇，尤其在SCADA系統中。因為無線儀表網絡被假設成捆綁在同一個SCADA體系架構中的，為了把有價值的操作數據傳遞到SCADA主站，把所有相關網絡做為一個整體架構來管理是基本的能力要求。
而且，有能力訪問難以到達的區域和以前認為是不劃算收集信息的數據點，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，為了監視和分析這些數據，系統必須在某些地方結束。SCADA系統通常設計成：處理一定數量的數據點或者標簽。對系統增加處理額外的數據點、并把它們集成到趨勢和報告中，需要更多的花費。
盡管現在在過程控制市場有著豐富的工具，可用于捕捉、處理和分析數據，確保數據的完整性仍然是一項重要的任務。做為增加無線儀表網絡的結果，一些SCADA系統甚至有一種分開的歷史數據庫模塊，做為選件購買，專門處理海量數據。
針對無線和數據集成的挑戰
多種先進的無線儀表基站或者網關設備現在正在市場中涌現，它們是針對這種需求應運而生。新一代的網關，在同一個設備上集成了無線儀表基站和長距離的工業無線電。無線儀表基站具有一個Modbus數據端口，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、現場單元的狀態和過程值信息。它還有一個診斷口，可以連接網絡設備管理軟件，可對傳感器進行配置和診斷。這兩個數據流通過一個先進的長距離串行線或者以太網無線網絡被同時發送。這就是它實際的工作原理。
無線儀表基站和所有現場單元必須有RF通道和設置成一致的波特率。
每個現場單元必須有它的RF標識（ID），設置成獨一無二的值。這個值將用于而后的Modbus 數據輪詢。
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。
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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據同時到無線儀表主站。通過現有的長距離SCADA體系架構，允許操作員管理和診斷無線儀表網絡。用于所有現場單元的實時數據和狀態信息可以在分布的HMI和集成的SCADA主站上顯示。
在數據集成前端，現代SCADA主站軟件提供了一個完整的集成環境，包括一個集成的和伸縮的歷史數據庫，專門處理海量數據，不需要通過昂貴和經常的升級過程。基于模板的SCADA屏幕開發允許工程師在他們的系統中，容易和快速地加入數據點。
結論
隨著無線儀表網絡使用的不斷增加，用戶將面臨多個挑戰，對他們現有的網絡架構，要確保可靠性、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。留下的無線和數據的集成，對現有的SCADA架構提出了一個艱巨的任務要完成。幸運的是，混合網關，傳感器網絡基站和長距離無線電已經集成，允許用戶從一個點監視、管理和診斷他們的分散無線系統。同樣的，先進的SCADA主站軟件，帶有一個集成的歷史數據庫和使用模板的快速開發環境，可以促進無線傳感器網絡增加的新數據點的集成。
（羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕）
