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無線技術:期待與IT技術深層融合

http://m.henanjusheng.com 2011-03-07 17:32 來源:中國自動化學會專家咨詢工作委員會

   最近幾年,工業(yè)自動化技術領域出現(xiàn)了一個很明顯的趨勢,即傳統(tǒng)自動化技術與IT技術加速了融合的過程,IT技術也正在快速地進入工業(yè)自動化系統(tǒng)的各個層面。上海工業(yè)自動化儀表研究院教授級高工繆學勤對此評價道:“目前,IT技術已經(jīng)快速滲入工業(yè)自動化領域。但在之前的幾年,我們過多地強調了自動化領域要求的特殊性,而忽視了兩者的關系,導致兩者沒有得到很好的結合,制約了IT信息技術在工業(yè)自動化領域的同步發(fā)展。”

  過程制造業(yè)中的無線網(wǎng)絡可能會與用戶IT的技術范圍關聯(lián)性較強,因此,如何將兩者有機結合這一問題顯得至關重要。但目前的現(xiàn)狀是,IT部門對于無線技術在工廠環(huán)境下的工作機制并不熟悉。那么,如何將IT部門中頗有價值的經(jīng)驗和相關資源運用到無線網(wǎng)絡的設計與啟動中,十分值得探討與研究。

  從表面看,過程自動化與辦公自動化網(wǎng)絡之間,似乎不存在任何交集。因此,過程自動化系統(tǒng)一般都獨立于信息技術部門,同時IT方面的相關政策也不影響工廠的運營。

  但是,2010年7月19日,德國西門子公司證實,其廣泛應用的工業(yè)控制系統(tǒng)受到了黑客制造的惡意代碼攻擊。這個名為Stuxnet的惡意代碼利用了微軟最新曝出的“Microsoft Windows快捷方式自動執(zhí)行漏洞”這一高危漏洞,并借助U盤進行傳播,目標是入侵西門子的Simatic WinCC和PCS 7數(shù)據(jù)采集與SCADA系統(tǒng),竊取工業(yè)設計和控制文件。這個事件的發(fā)生,也為工業(yè)網(wǎng)絡安全敲響了警鐘。

  這一事件的發(fā)生也解釋了無線技術在監(jiān)測領域得到推廣,而在控制與安全領域存在諸多限制的原因??妼W勤介紹,目前,無線Hart變送器普遍用于現(xiàn)場層,正處于推廣應用階段,推進速度相對較快;而執(zhí)行器在安全性與可靠性方面存在許多尚未解決的問題,因此其應用還十分有限。據(jù)了解,在工業(yè)自動化企業(yè),IT部門的職責大概包括確保信息安全與相關基礎設施安全等方面,同時他們也會關注無線網(wǎng)絡項目后續(xù)的維護與支持工作,以此來判斷是否會對他們的工作內容產生影響。因此,繆學勤建議說:“要盡早與企業(yè)中IT部門的工程師進行密切溝通與合作,這對于現(xiàn)場和工廠無線網(wǎng)絡的有效實施大有裨益。”

  在工業(yè)領域,無線網(wǎng)絡的安全性是否要比有線網(wǎng)絡差?其實,并不盡然。事實上,有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡都容易受到攻擊,一個設計合理、制作精良、安裝正確、運行正常的無線網(wǎng)絡實際上要比一般的有線網(wǎng)絡更為安全、可靠。目前工業(yè)用的絕大部分無線解決方案,完全不同于以往的辦公和自動化網(wǎng)絡。中國儀器儀表學會名譽理事夏德海介紹,這些應用領域的無線解決方案在設計時都將安全性放在首位,提升安全性的措施大致包括加密技術、鑒定和驗證、密鑰管理和抗干擾設計等等,這些都可防止任何未經(jīng)授權而進行的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)訪問。其實在以往的有線網(wǎng)絡中,這些安全功能往往被忽略掉,單純地依賴于機械隔離并不能使安全水平提高。所以,正如繆學勤建議的那樣,只要IT部門與無線設備制造商通力合作,在具體的應用項目中才能夠設計出最適用的安全技術。

  IT領域的黑客行為往往出于經(jīng)濟目的,但工業(yè)網(wǎng)絡中信息侵入的目的就顯得更為復雜與危險。因此,工業(yè)網(wǎng)絡安全理應受到更多的關注。IT領域先進的安全理念,也應該更多地在無線網(wǎng)絡中得以應用與發(fā)展。

  解讀無線技術發(fā)展走向如何提高電池壽命?

  隨著無線技術的推廣應用與技術本身逐漸成熟,無線產品的成本已經(jīng)在逐步走低。據(jù)繆學勤介紹,低功耗芯片的制造、電池的可再生能源開發(fā)以及供電方式都在改善之中。為了增強電池壽命,各大公司也紛紛采取了措施,如艾默生將無線變送器的電子元件和發(fā)射元件進行了低功耗改造,相比原來傳統(tǒng)的有線變送器,耗電量大大降。同時,在網(wǎng)關的統(tǒng)一管理下,自組織網(wǎng)絡中的節(jié)點,也就是現(xiàn)場無線變送器,只有收發(fā)信息時才會耗電,其他情況均保持休眠狀態(tài),幾乎沒有電能消耗,這也大大增強了電池的壽命。

  物聯(lián)網(wǎng)深化無線技術發(fā)展

  目前,物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的火熱也在一方面助推了無線技術的發(fā)展,拓寬了無線技術的應用領域。據(jù)夏德海介紹,物聯(lián)網(wǎng)為無線傳感器帶來了新的發(fā)展空間。在感知層,無線技術應用的比較多;網(wǎng)絡層中,有線技術應用較為普遍,無線技術也逐漸加入其中。同時,無線傳輸技術非常豐富,其中許多方式具有價格低廉、功耗低等特點,在一些行業(yè)中能被大規(guī)模應用,如GPRS。另外,Wi-Fi憑借組網(wǎng)結構簡單、建設方便快捷等特點,得到了人們的關注。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,Wi-Fi作為目前應用最廣泛的無線通信技術之一,將會發(fā)揮重要作用。基于Wi-Fi無線技術,構建無線傳輸網(wǎng)與傳感網(wǎng)相結合的融合應用,將成為物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)鏈中非常重要的組成部分。

  應用領域更為廣闊

  隨著越來越多的公司加入到無線產品應用行列中來,各大公司開始專門定制工廠環(huán)境下堅固耐用的無線產品。這些公司通過選用正確的基礎設施和無線技術,提高其工業(yè)網(wǎng)絡的性能。無線產品價格下降,也促進了公司將現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡轉化為無線網(wǎng)絡,或將兩者同時配合使用。

  繆學勤舉例說:“一個污水處理廠從離中控室?guī)装倜椎牡胤郊乘?,用無線網(wǎng)絡能節(jié)省大量的費用。狀況監(jiān)視應用無線網(wǎng)絡同樣能減少部件費用,例如用于監(jiān)視旋轉功能的集電環(huán)在無線條件下就無須購買,可以用一個無線傳感器代替。”這樣,通過無線網(wǎng)絡就可以對污水處理設備的運行狀態(tài)進行同步監(jiān)測和控制。當監(jiān)控中心出現(xiàn)現(xiàn)場污水處理報警時,報警內容和報警地點將以中文短信方式發(fā)送到管理人員的手機上。因此,許多用戶已經(jīng)將無線技術看做是下一個技術騰飛的基礎,因為這一方面提升了工廠效能,另一方面也提高了用戶使用的便利性。

  觀察:無線工廠的新進展

  喬燦

  無線工廠解決方案的進展速度是怎樣的?這并不是一個容易回答的問題。盡管當技術的發(fā)展速度與應用的推廣速度并不完全匹配時,實際的潛在用戶似乎更關注后者,同時也關注有可能對未來決策產生影響的示范性實例。

  的確,相比之下,既有的成功案例對工業(yè)用戶的說服力極為可觀,越來越多的無線應用實例也正在敲響用戶的大門,但這并不意味著技術的循序漸進對人們失去了吸引力。

  當前的改善要點是什么?

  對于用戶來說,及時了解主流無線解決方案廠商正在努力改善的方向,以及他們的實時進展,這些行為是不無裨益的。從一定程度上來說,這些也能夠為用戶判斷這些無線方案的優(yōu)勢與不足提供參考。

  艾默生過程控制有限公司智能無線部門高級無線技術經(jīng)理姚永斌指出,艾默生的智能無線現(xiàn)場方案分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)集成等幾大功能,而考察艾默生智能無線現(xiàn)場方案的新進展,也可以參照這幾方面來一一歸納。

  他指出,在數(shù)據(jù)采集方面,艾默生大量無線儀表的應用已經(jīng)非常普及,而艾默生今后在這方面的主要工作是進一步豐富無線儀表的種類,其目標是實現(xiàn)測量類型多樣、產品性能分檔以及覆蓋多種應用。

  而在數(shù)據(jù)傳輸及控制功能這方面,是由智能無線網(wǎng)關產品來實現(xiàn)的,在這方面的進展則主要是性能持續(xù)優(yōu)化以及進一步提高可靠性,以達到常規(guī)控制的要求,比如網(wǎng)關冗余等。

  現(xiàn)場數(shù)據(jù)的集成,則主要是指與上位機DCS、PLC等無縫集成。在這方面,除了與艾默生自己的專家控制系統(tǒng)和過程控制軟件可以實現(xiàn)無縫集成外,其網(wǎng)關在現(xiàn)場也能與各主流系統(tǒng)順利集成,另外由于支持IEC62591(WirelessHART)開放協(xié)議,艾默生智能網(wǎng)關還能夠對支持相同協(xié)議的非艾默生儀表兼容并蓄。

  此外,姚永斌也指出,盡管無線現(xiàn)場方案一直是艾默生的重點,但目前工廠用戶要求現(xiàn)場方案和工廠方案一體化的傾向越來越明顯,這促使艾默生與IT供應商也展開聯(lián)合,共同推出從下層到上層的一體化無線網(wǎng)絡。據(jù)他介紹:“當前由艾默生主導的一體化無線方案已在國內很多用戶處成功發(fā)揮效能。”

  而對于霍尼韋爾而言,此時討論無線方案的進展問題似乎正逢其時。在不久之前的用戶大會上,霍尼韋爾(中國)有限公司發(fā)布了其最新版本的無線解決方案Onewireless R200,霍尼韋爾過程控制部無線業(yè)務經(jīng)理江天生對這一最新版本的改善之處作了如下的概括。

  首先,用戶可以藉由OneWireless主干網(wǎng)絡,使其無線現(xiàn)場儀表達到與有線系統(tǒng)幾乎相當?shù)男阅埽@些性能包括與有線方式相當?shù)乃⑿滤俣群蜁r間滯后范圍、無線通訊的冗余設計和跳頻設計、無線網(wǎng)關的冗余設計、與系統(tǒng)的內嵌式數(shù)據(jù)集成,以及現(xiàn)場無線儀表的組態(tài)和升級。

  其次,新版本網(wǎng)絡的規(guī)模更加靈活。無線網(wǎng)絡既可以應用于簡單的、無線變送器本身具有路由功能的現(xiàn)場儀表無線網(wǎng)絡;也可以應用于覆蓋全廠的、多無線應用的場合。據(jù)此,用戶可以靈活設計出最有效和最經(jīng)濟的無線網(wǎng)絡。而最后一個變化之處則是用戶使用的簡易性,這種簡易性體現(xiàn)在對無線變送器、無線模塊、現(xiàn)場接入點及無線管理平臺的自由設置之上。

  市場推廣的進展如何?

  近年來無線應用實例的不斷增加,應該有理由使無線方案提供商保持相對樂觀的態(tài)度。不難看到,在今天,廠商們在談到國內的無線應用情況時,可展示的案例與信息越來越充分,這與一開始供應商們缺乏國內實證的情況是有區(qū)別的。這似乎也可以佐證,無線方案的市場的確在向樂觀的方向發(fā)展。

  談到這一話題,艾默生智能無線部門高級無線技術經(jīng)理姚永斌認為,與三年前的情況相比,大多數(shù)流程行業(yè)的用戶已經(jīng)具備了認可和接收智能無線方案的條件,轉而開始在新建項目和改造項目中爭相使用。

  他透露,艾默生已經(jīng)積累了三百余個無線用戶,而其中五十多家用戶已經(jīng)正式投運,且效果非常顯著?;谶@一事實,他進一步談到:“今后,艾默生會不斷加大對無線的投資,繼續(xù)推進和完善無線業(yè)務,我們可以毫不夸張地預言,無線技術必將在未來進入流程行業(yè)的主流,大行其道。”

  而霍尼韋爾的江天生同樣保持了樂觀的態(tài)度,他認為在現(xiàn)階段,用戶對工業(yè)無線技術所帶來的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟節(jié)省已經(jīng)完全認可。而談到未來對無線技術的定位,江天生談到:“工業(yè)無線技術不僅可以用于監(jiān)測,還可以用于控制,因此無線技術今后在工業(yè)領域的應用潛力非常大。無線技術可以應用在很多場合,和有線的方案相互相承,共同融合。”

  具體到應用的實例,罐區(qū)顯然成為了無線方案的一個熱門應用場合。江天生表示,霍尼韋爾在國內剛剛贏得的一個大項目中,無線變送器被大規(guī)模應用在原料罐區(qū)、中間罐區(qū)乃至產品罐區(qū)的數(shù)據(jù)采集,主要的好處是節(jié)省了大量的安裝費用和時間,實現(xiàn)了成本的節(jié)約。而艾默生的姚永斌對無線方案在罐區(qū)的規(guī)模應用,也感到非常欣慰,他談到,在一些石化的油庫罐區(qū),尤其是貿易交接的國家戰(zhàn)略性儲備油庫,無線技術的使用還可以大大增強關鍵數(shù)據(jù)的可靠性,完善罐區(qū)的管理。

  這些問題是否仍需解決?

  應該承認,對于無線解決方案而言,用戶觀念方面的進展是喜人的。至少,大多數(shù)人已不再會以安全性問題為理由,將無線方案生硬地拒之門外。盡管一些相關的討論仍在繼續(xù),但人們已經(jīng)更多地把注意力轉向具體的應用問題,例如提升設備傳輸距離或是增強電池壽命等,這也從側面表明情況開始向好的方向加速。

  而以上被提及的兩個問題,即提升設備傳輸距離以及增強電池壽命,也的確值得討論,這些方面的改進,將意味著更靈活的組網(wǎng)、更便捷的維護和成本的進一步節(jié)省,這對用戶意義重大。

  針對這方面可能出現(xiàn)的擔憂,江天生表示,Onewireless R200版本無線架構非常靈活,用戶可以根據(jù)特定的需求場合和傳輸距離,設計最優(yōu)的工業(yè)無線架構,這使單個儀表的傳輸距離已不再是問題。而經(jīng)過發(fā)展和改進,無線變送器的電池壽命也已達到足夠令使用者滿意的程度,如在1秒刷新常溫情況下可達4.5年,5秒刷新情況下則可達10年。不僅如此,無線變送器配置獨特的自適應功能,可以自動調節(jié)最優(yōu)的發(fā)射功率,進一步降低功耗。

  而在這些方面,艾默生也在進行持續(xù)改進。姚永斌指出,在傳輸距離方面,艾默生推出了兩種無線天線,一種是普通天線,傳輸距離一般可以達到300米,另一種是增強型天線,收發(fā)信號更強,距離可達到800米。

  他透露,艾默生在中東巴林一家油田的現(xiàn)場,使用增強型天線的變送器傳輸距離實際達到了1700米。此外,為了進一步增加設備傳輸距離,滿足空曠地區(qū)的應用,設備之間可以增加路由,具體數(shù)量則視情況而定。

  他進一步指出,無線方案中使用的電池為非充電、高性能、高密度、長壽命的鋰電池。一般情況下,可以在現(xiàn)場正常工作5~10年。為了增強電池壽命,艾默生還采取了如下措施。一方面,無線變送器的電子元件和發(fā)射元件進行了低功耗改造,相比原來傳統(tǒng)的有線變送器,耗電量大大降低;另一方面,自組織網(wǎng)絡中的節(jié)點在網(wǎng)關的統(tǒng)一管理下,只有收發(fā)信息時才會耗電,其他情況均保持休眠狀態(tài),幾乎沒有電能消耗。同時,網(wǎng)關可以進行獨特的最小化能源管理,動態(tài)優(yōu)化整個網(wǎng)絡的電源消耗,以平衡各設備的負荷。

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