在先期應(yīng)用的基礎(chǔ)上，2010年、2011年、2014年國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)先后批準(zhǔn)IEC62591 WirelessHART、IEC62601 WIA-PA和IEC62734 ISA100.11a三個(gè)工業(yè)過程測(cè)量和控制領(lǐng)域的無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。WirelessHART通信協(xié)議是由HART通信基金會(huì)發(fā)布，得到艾默生過程管理公司、ABB、E+H、MACTek、P+F和西門子在內(nèi)的過程控制廠商的支持；WIA-PA通信協(xié)議是由中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)提出，得到中國(guó)工業(yè)無線聯(lián)盟的支持；ISA100.11a通信協(xié)議是由國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)(ISA)的ISA100工業(yè)無線委員會(huì)提出，得到霍尼韋爾、橫河、埃克森美孚、GE、山武在內(nèi)的過程控制廠商的支持。
上述屬于過程自動(dòng)化領(lǐng)域的無線通信網(wǎng)絡(luò)目前已得到較為廣泛的應(yīng)用，僅WirelessHART在2012年就有1萬套智能無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在全球運(yùn)行，而生產(chǎn)WIA-PA的主力廠商沈陽(yáng)中科奧維科技公司的用戶應(yīng)用規(guī)模非常大，如在沈陽(yáng)供電局用電信息采集系統(tǒng)用戶規(guī)模就達(dá)兩萬戶，在遼河油田的油井遠(yuǎn)程計(jì)量與優(yōu)化控制系統(tǒng)中采集規(guī)模達(dá)1500點(diǎn)。
無線通信網(wǎng)絡(luò)像現(xiàn)場(chǎng)總線一樣，可以看成是采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程I/O設(shè)備。可能一部分用戶對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)還較為陌生，本文將先介紹涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，然后就無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用談幾點(diǎn)作者的想法。
1、最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)
我們先從最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)入手，以后再?gòu)?fù)雜的無線通信網(wǎng)絡(luò)無非是在最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)上增加設(shè)備、擴(kuò)展功能，差別就不是很大。圖1所示為最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)，由一臺(tái)網(wǎng)關(guān)和數(shù)臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備兩種設(shè)備類型組成。無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集工藝生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)或接收控制系統(tǒng)指令指揮現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，網(wǎng)關(guān)(Gateway)是一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一方面它以無線通信方式接收無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，或向無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制系統(tǒng)指令，另一方面網(wǎng)關(guān)帶多種有線通信接口，如串行口或以太網(wǎng)口，通過這些接口與控制系統(tǒng)通信。
圖1 最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)
一般來說，一臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與一臺(tái)網(wǎng)關(guān)這樣的一對(duì)一通信也是可行的，但通常還是用在多對(duì)一的應(yīng)用，一般一臺(tái)網(wǎng)關(guān)可以連接100臺(tái)或200臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，具體連接數(shù)量取決于網(wǎng)關(guān)型號(hào)及無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的刷新率，如果無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的刷新率太快，例如4s、2s、1s甚至0.5s，那么一臺(tái)網(wǎng)關(guān)可以連接無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的臺(tái)數(shù)將只有三五十臺(tái)到十臺(tái)左右。
2、較大規(guī)模的無線通信網(wǎng)絡(luò)
再大的現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)要么是由多個(gè)最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)疊加，要么是在最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)中擴(kuò)充一些設(shè)備，如中繼器、接入點(diǎn)等等。
為了適應(yīng)較大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，一種方式是采用多個(gè)最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)平行接入控制系統(tǒng)，另一種方式是采用先通過多個(gè)接入點(diǎn)將大規(guī)模無線通信網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)小型無線通信網(wǎng)絡(luò)，然后由多個(gè)接入點(diǎn)構(gòu)成回傳(Backhaul)網(wǎng)絡(luò)。接入點(diǎn)分為2類：網(wǎng)格接入點(diǎn)和根接入點(diǎn)，網(wǎng)格接入點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)有線連接，用于采集該網(wǎng)關(guān)所連接無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，多個(gè)網(wǎng)格接入點(diǎn)又以無線Wi-Fi方式將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳送到根接入點(diǎn)，根接入點(diǎn)以有線Modbus TCP/IP、OPC等方式通過管理型交換機(jī)與控制系統(tǒng)連接(見圖2)。
圖2 通過多個(gè)接入點(diǎn)連接的較大規(guī)模無線通信網(wǎng)絡(luò)
3、無線通信網(wǎng)絡(luò)的安全性
無線信號(hào)在空間傳播，其傳播信號(hào)可能會(huì)擴(kuò)張到裝置范圍以外。必須禁止外人甚至是敵手加入網(wǎng)絡(luò)、竊聽、修改、延遲或發(fā)送數(shù)據(jù)，破壞網(wǎng)絡(luò)安全，否則生產(chǎn)數(shù)據(jù)與庫(kù)存數(shù)據(jù)將會(huì)泄露，危及信息安全。因此任何應(yīng)用中的無線通信都要求采取加密，驗(yàn)證和其它安全措施。
相對(duì)于一般的無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，過程自動(dòng)化無線通信網(wǎng)絡(luò)采用了更多的安全措施來保障無線通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全。這些安全措施有：跳頻擴(kuò)頻、定義設(shè)備黑名單、加密算法、設(shè)備認(rèn)證、信息認(rèn)證、通信信息新鮮度等。
以安全措施中的設(shè)備認(rèn)證為例，防止未經(jīng)設(shè)備認(rèn)證的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)是無線通信網(wǎng)絡(luò)安全的關(guān)鍵，每個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都擁有各自的入網(wǎng)密鑰，用于設(shè)備入網(wǎng)過程中的加密和認(rèn)證，以確保加入過程中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的機(jī)密性。入網(wǎng)密鑰還用于向安全管理器證明設(shè)備屬于該網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)密鑰為每臺(tái)設(shè)備所獨(dú)有或在給定的無線通信網(wǎng)絡(luò)中共用，但每個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的入網(wǎng)密鑰是不同的，入網(wǎng)密鑰應(yīng)被視為保密的，并滿足有關(guān)方安全政策的要求。設(shè)備的入網(wǎng)密鑰不能以物理或數(shù)字方式讀取，既不能被非預(yù)期的用戶讀取，也不能被用戶讀取，入網(wǎng)密鑰被存儲(chǔ)在網(wǎng)關(guān)的文件中。
4、無線通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無線通信網(wǎng)絡(luò)具有易于安裝、應(yīng)用規(guī)模可大可小、與各類現(xiàn)有控制系統(tǒng)連接方便等特點(diǎn)，所以相對(duì)容易實(shí)施，也就是說，只要您對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)感興趣，有想法，從嘗試開始到正式投運(yùn)的過程是比較快，也比較簡(jiǎn)單。以下無線應(yīng)用的一些思路或許會(huì)對(duì)您有參考價(jià)值：
①可以試用
有兩種方式可以在做決策之前試用無線通信網(wǎng)絡(luò)，一種是幾乎所有無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商都提供無線通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)包(或啟動(dòng)套件)，啟動(dòng)包提供最基本的工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如一個(gè)網(wǎng)關(guān)、5臺(tái)或5臺(tái)以上無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(見圖3)。進(jìn)口設(shè)備啟動(dòng)包的價(jià)格不超過十萬元，國(guó)產(chǎn)約在二三萬元。
圖3 Awia Tech公司W(wǎng)irelessHART的啟動(dòng)套件
一個(gè)啟動(dòng)包相當(dāng)于我們前面所說最簡(jiǎn)單的無線通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)貨時(shí)啟動(dòng)包已預(yù)先組態(tài)，開箱后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)即可搭建一個(gè)安全的、堅(jiān)固的自組織網(wǎng)絡(luò)。啟動(dòng)包提供了一些功能選擇，使用戶能夠快速而方便地提高運(yùn)行性能，同時(shí)體驗(yàn)無線技術(shù)，獲取無線技術(shù)的操作經(jīng)驗(yàn)，并為未來實(shí)現(xiàn)更大范圍的無限應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。由于啟動(dòng)包的點(diǎn)數(shù)不多，價(jià)格較低，可降低用戶投資風(fēng)險(xiǎn)。
第二種試用方法是當(dāng)您規(guī)劃應(yīng)用無線通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大、與無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商關(guān)系較好時(shí)，或許有的廠商就會(huì)愿意自帶設(shè)備到您的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)。
②可以逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍
無線通信網(wǎng)絡(luò)安裝簡(jiǎn)單，管線敷設(shè)量很少甚至沒有，所以系統(tǒng)擴(kuò)展特別方便。只要前期網(wǎng)關(guān)容量有富余，再增加數(shù)十臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一般問題都不大。即使要增加網(wǎng)關(guān)，相對(duì)控制系統(tǒng)增加I/O卡也還是要簡(jiǎn)便得多。
圖4示例了無線通信網(wǎng)絡(luò)逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍的過程，它分成4個(gè)階段：第一階段，您可以從某個(gè)遠(yuǎn)程無線現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用開始，選用點(diǎn)數(shù)較少的無線現(xiàn)場(chǎng)變送器，然后通過接入點(diǎn)使用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到位于控制室附近的網(wǎng)關(guān)；第二階段，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，添加小規(guī)模的無線移動(dòng)作業(yè)人員的應(yīng)用；第三階段，擴(kuò)展無線通信網(wǎng)絡(luò)的范圍，并利用RFID標(biāo)牌進(jìn)行位置跟蹤和添加無線視頻傳輸；第四階段，添加更多設(shè)備，并繼續(xù)擴(kuò)展無線通信網(wǎng)絡(luò)的范圍。
圖4 無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大示意圖
③更適合項(xiàng)目后期改造時(shí)應(yīng)用
項(xiàng)目后期改造時(shí)，會(huì)碰到原有控制系統(tǒng)I/O卡、接線箱、電纜橋架富余量不夠或現(xiàn)場(chǎng)施工難度大等問題，而采用無線通信網(wǎng)絡(luò)的改造方案，不必增加I/O卡、接線箱、電纜橋架的數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)施工方便快捷，也不致因改造而長(zhǎng)期停產(chǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)往往是項(xiàng)目后期改造時(shí)最優(yōu)先考慮的問題。
項(xiàng)目原有設(shè)備可以利用，因?yàn)橐粋€(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)僅相當(dāng)于控制系統(tǒng)的一個(gè)遠(yuǎn)程I/O，所以原有的控制系統(tǒng)肯定保留，而原有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如變送器、熱電偶、熱電阻等，可保留其原有線傳輸方式，也可用增加無線適配器或無線溫度變送器等設(shè)備后，改用無線傳輸。
④裝置的配線可以無線和有線結(jié)合
裝置的配線原來都是有線傳輸，增加了無線通信網(wǎng)絡(luò)后，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，靈活選擇有線或無線的配線方式。霍尼韋爾公司的無線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回傳解決方案中采用多功能節(jié)點(diǎn)或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它們相互之間的通信通常采用Wi-Fi無線方式。由于多功能節(jié)點(diǎn)或Cisco Aironet 1552S Outdoor AP節(jié)點(diǎn)設(shè)備都提供了有線以太網(wǎng)的通信接口，因此單一設(shè)備之間或兩種設(shè)備之間也可以通過以太網(wǎng)方式有線連接。據(jù)霍尼韋爾公司介紹：通過有線以太網(wǎng)方式有線連接，能夠更好地改善數(shù)據(jù)集成的速度和通信帶寬。
無線視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于無需布線，還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)是終端攝像頭移動(dòng)方便，新建項(xiàng)目施工投運(yùn)過程中這種優(yōu)勢(shì)非常明顯。但無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供應(yīng)商的意見是不鼓勵(lì)所有的視頻信號(hào)都占用廠區(qū)的無線骨干網(wǎng)絡(luò)，而且即使視頻信號(hào)采用無線傳輸，視頻數(shù)據(jù)的傳輸速度也受限制，這就限制了視頻信號(hào)的清晰度或無線視頻的節(jié)點(diǎn)數(shù)，限制的目的是為了確保無線骨干網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性，所以在終端攝像頭布置較多時(shí)，可以考慮部分無線、部分有線的傳輸方式。
⑤小型獨(dú)立的無線通信網(wǎng)絡(luò)
圖5 GX20W無線無紙記錄儀組成的小型獨(dú)立的無線通信網(wǎng)絡(luò)
a、必須采用防止常用制動(dòng)與停放制動(dòng)疊加的裝置，避免由于制動(dòng)力過大對(duì)機(jī)車造成損害。
b、優(yōu)先采用雙脈沖電磁閥控制停放制動(dòng)的施加與緩解，提高停放制動(dòng)控制的可靠性。
c、優(yōu)先采用關(guān)斷主控鑰匙自動(dòng)施加停放制動(dòng)的方案，防止機(jī)車溜逸。
d、設(shè)置停放制動(dòng)指示燈顯示雙脈沖電磁閥的狀態(tài)，通過取樣停放制動(dòng)缸壓力顯示停放制動(dòng)缸的實(shí)際工作狀態(tài)，方便司機(jī)操作。
e、設(shè)置隔離塞門，排出停放制動(dòng)缸壓力空氣，通過其聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙脈沖電磁閥的自動(dòng)控制，增加旁路開關(guān)，實(shí)現(xiàn)停放制動(dòng)隔離狀態(tài)下維持運(yùn)行。
本文通過分析比較，對(duì)機(jī)車停放制動(dòng)設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化方案，提高了停放制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，可以作為今后機(jī)車停放制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。
因?yàn)樾枰ㄟ^對(duì)停放制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，所以本方案未能解決以下問題：一是隔離停放制動(dòng)后，需要緩解常用制動(dòng)后，手動(dòng)拉環(huán)緩解停放制動(dòng)，再晃動(dòng)閘片確認(rèn)停放制動(dòng)人工緩解成功，這是純機(jī)械的操作，如何通過技術(shù)設(shè)備保證操作正確。二是庫(kù)內(nèi)調(diào)車作業(yè)，人工緩解停放制動(dòng)后，調(diào)車結(jié)束仍需使用鐵鞋制動(dòng)，如何方便地恢復(fù)停放制動(dòng)。
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