无线环境监测系统改进工厂生产

来源：ProSoft Mechanical failure of motors, drives and other vital electromechanical equipment are among the most common reasons for production stoppages. Fortunately, recent advancements in vibration monitoring and data analysis have lead to condition monitoring systems that can accurately detect a problem before failure, thus reducing costly machine shutdowns and maximizing production output. These systems are installed on the monitored equipment and are typically networked back to a central computer for data analysis and alarm annunciation. Because the machines may be in remote locations where network infrastructure is not available, or on moving platforms where hardwired network connectivity is not practical, wireless communications is a networking alternative that offer installation cost savings, quicker deployment and even improved reliability in certain situations. 电机、驱动器以及其他重要的机电设备的机械故障是工厂停产的最常见原因。幸而，在震动监测和数据分析技术上的改进使环境监测系统能在故障发生前准确地探测到设备问题，因此能降低设备停止造成的昂贵成本，进而使产量最大化。无线环境监测系统安装在机电设备上，常与中心计算机联网以实现数据分析和报警。因为机器可能安装在不能提供网络基础设施的远程位置，或安装在硬接线网络连接不现实的移动式平台上，无线通信网络在一定环境下提供节省成本的、快速应用的甚至更高可靠性的替代解决方案。 实施的挑战 在很多工业领域，环境监测系统的采购很容易用简单的投资回报周期计算来证明是正确的。对相对固定的成本来说，环境监测系统可改进重要设备以降低运行故障。然而，当网络基础设施不能提供或应用不现实时，要考虑额外的成本。额外成本包括安装光纤、设计/安装管道、建筑物之间挖沟、远程站点租用电话线、安装移动式设备的悬挂或滑环等。这些额外成本导致投资回报周期延长，以致超出管理层接受的范围。 如果监测设备在工厂内网络基础设施不能达到的远程位置，必须安装电缆。在工厂内安装电缆的成本随工厂的类型和布局不同而相差很大。例如，研究表明在化工厂安装电缆的平均成本是$120/米，而在核电站高达$6,000/米。实际电缆成本由设备位置相对于现存网络基础设施、需要的电缆类型（例如光纤）、导管设计（如果需要）、劳动力费率和挖沟（如果需要）决定。 如果设备在几千米外或更远的位置，需要租用电话线。租用电话线的成本常包括初始开通/安装费和根据服务速度的月租。因为震动监测具有连续性、数据量大的特点，因此电话线服务必须支持足够高的速度。对远程站点（例如泵站）的电话线服务由于差的电话线质量容易导致通信故障，因此必须考虑可靠性。无线单元式服务通常是远程站点的一种选择，但是受到可靠性和速度的限制。单元式数据采集成本也非常昂贵。 如果设备安装在移动式平台（例如行车、转运车、搬运系统）上，连接环境监测系统到厂级网络非常具有挑战性。根据平台行进的速度和距离，可用传统的接线方法（例如悬挂）。然而，悬挂受制于磨坏和撕裂，当电缆断路时，悬挂自身的可靠性值得关注。对旋转的平台来说，可采用支持以太网的滑环，但是成本昂贵且需要周期性的维护。某些设备移动的非常快以致现实的通信方法仅能采用无线RF(无线电)。 假如网络环境监测系统面临挑战，则无线通信提供低的安装成本（缩短投资回报周期），消除电话线和以前不现实的远程监测设备的成本。但是无线技术和设备在工业安装中性能和可靠性差异很大。设计一个成功的无线网络要求检查当前的无线应用、RF路径和工厂的环境挑战。 工业无线技术 连接到无线以太网最常用的方法是在扩展频谱带中用射频(RF)传输。在大多数国家，2.4 GHz 和 5.8 GHz两个频段是不需授权即可使用的。 扩展频谱字面上意思是把射频（RF）能量扩展到整个频谱或大部分频谱。当设计的系统运行在噪声环境下，即多个射频（RF）系统存在时，这种技术允许高速通信。有两种主要的扩展射频（RF）的方法：直接序列和跳频。这两种工业无线通信扩展射频（RF）的方法都有优缺点。 直接序列是在一个波段中使用宽信道同时调制高度编码的位格式，见图1。 图1.直接序列波形 当宽信道允许复杂调制方案的发送时，直接序列提供最快的扩展频谱数据速率。正交频域调制（OFDM）是一种具有快速数据速率的复杂的调制技术，它广泛用于支持射频数据速率高达54 Mbps的IEEE 802.11g规范。 图2.802.11b 直接序列信道 直接序列是由所有流行的、开放的Wi-Fi标准，包括IEEE 802.11b、802.11g（两种都在2.4 GHz频段中传输）和802.11a（在5.8 GHz频段中传输）所使用的一种传输方式。 图3. 非重叠 802.11b 信道 由于工厂内信道的重叠和Wi-Fi系统的流行，拥挤和恶劣的射频环境下的波段常导致不好的无线性能。 跳频是一种用于工业系统的流行的技术，因为它有独特的噪声隔离技术。不像直接序列，跳频是在频谱中使用很多小的信道，快速的改变信道或在信道间跳跃。 图4.跳频信道 通过集成错误校验技术，当发送器使用不同的信道重复地发送数据包直到接收到响应，跳频为成功的数据传输提供最大的可能。 跳频的缺点是：它比直接序列慢，即有更长的数据延迟。但是如果在应用中数据速率足够快，特别是，如果在将来扩展更多的RF系统时，则很难降低跳频的可靠性。 跳频猫（modem）是专用的，即每个制造商使用他们自己的技术，导致供应商X通常不能和供应商Y通信。对商业系统来说，这是一个潜在的缺陷。它在工业系统中能令人满意有两个原因：安全和与无线IT系统隔离。 因为跳频技术不是基于开放标准，制造商能使用独特的认证程序和复杂的加密技术。当在Wi-Fi系统中用WPA和WPA2标准非常大地改进安全时，黑客会连续寻找漏洞。现在，许多工业Wi-Fi产品都包括一种通过非传输自己的SSID标志去隐藏访问点的选项。这项技术有效地隐藏访问点以致黑客不能访问系统。 跳频也使工厂管理人员有能力操作自己的无线网络以隔离IT部门的网络。由于802.11技术对无线网络访问的流行，对工业系统来说，仓库条形码系统和视频监控系统，专用跳频系统可能是在部门经理间保持和谐的最好的选择。 无线与环境监测系统集成 大部分环境监测系统都有以太网通信接口选项。如果考虑数据速率（带宽）和数据延迟的话，以太网是最容易接受的接口。 当监测多个远程设备时，这些考虑将变成现实。当保持足够的数据速率时，设计一个RF网络有效实现所有远程站点的通信非常重要。如果远程设备的数量非常大，为最大化每个系统的性能，最好安装隔离的RF系统。 设备地点和建筑物结构决定天线的布置，这也许是考虑多RF系统的另一个原因。当创建自愈网络时，许多工业系统为帮助RF信号传播也支持数据包转发。最终，用于工业安装的专门设计的无线设备非常重要。检查的关键的规范是RF输出功率（越高越好）、运行温度、内嵌诊断、危险认证（如果需要）以及，也许是最重要的，能进行工业联网的人员水平。 无线环境监测应用例子 对生产非常重要的机电设备工业领域几乎都能受益于远程环境监测。一些无线环境监测的应用，包括废水处理厂的泵、油/气钻探平台上的驱动器、汽车厂的生产线上的驱动器以及冶金厂的行车，都特别有效。 一个特别令人感兴趣的应用是电厂冷却风机的监测。一个燃媒火电厂想监测安装在冷却塔上的冷却风机。冷却风机安装在到处存在热蒸汽的恶劣环境下。当风机故障时，有时在用电高峰期间，不得不关闭冷却塔让技术人员修理，从而降低电厂的发电量。通过安装环境监测系统，电厂能在非用电高峰期间关闭冷却塔以定期修理风机。 相对来说，环境监测系统很容易安装，除非冷却塔缺少以太网基础设施。拉光纤的成本估计超过$100,000，要6个多月才能安装完毕。电厂使用无线以太网调查发现：仅花一小段光纤的成本，在三周内即可装完。安装进行的非常顺利，系统已可靠性的运行超过5年，见图5。 图5. 无线冷却塔应用 总结 震动分析技术的进步能在很大程度上改进工厂生产的现代环境监测系统。不幸的是，这些设备的联网成本非常高或不现实。工业无线技术提供独立于硬接线联网的另一种方法，具有低的成本和更好的可靠性。但是，必须注意：选择最好的技术和无线硬件确保建立一个成功的系统。 关于作者 Jim Ralston，具有超过10年的工业无线通信系统经验，现在是ProSoft 技术公司的无线通信销售工程师。Jim居住在美国宾夕法尼亚州匹兹堡，详情可联系：jralston@psft.com