工厂级网络架构的集成

Jonas Berge 介绍如何将无线传感器和无线网络集成至同一工厂级网络架构。

大多数工厂已经在其应用中部署了无线传感器来应对他们特定的运营挑战,例如提升设备可靠性问题、避免能源损失、减少事故和提升操作员对于现场的知情度。这些工程师已经了解到如何通过创新的方式来应对现有的工厂挑战,通过部署无线传感器来快速捕捉关键问题并提供前所未有的现场可见性来最终解决现有问题。

现场市场上拥有多种无线传感器技术,其中大多数都采用专有协议并且相互不兼容。不兼容的无线网络非常难于管理 ,并且这种分段式的管理方法会带来诸多问题,例如部署成本和运营成本高昂,并且更难确保可靠性和网络安全型。随着无线传感器的不断增加和网络的不断扩展,将这些分散独立的技术集成至公共工厂级网络架构非常有益,这样一来可以更便于服务支持和网络扩展。

工厂中的各个部门都拥有不同的监测需求,他们需要获得特定所需数据来解决他们面临的问题。例如,DCS中可能没有某些重要的数据,因为工厂中的设备部署并未完全实现全面仪表覆盖,由于I/O卡件的成本以及铺设4-20mA信号电缆的费用都较为高昂。

l  维护和可靠性部门对于频繁、自动化采集和分析泵状态、振动、轴承温度以及密封冲洗液位等数据非常感兴趣,以便延长大修和部件替换周期;同时通过基于设备状态的预测性维护以避免定期预防性维护,从而降低维护成本并提高设备利用率。

l  工艺完整性经理非常关注腐蚀信息,以便优化原油混合、腐蚀拟制剂的使用和避免管道破裂。

l  能源部门非常关注疏水阀故障、泄压阀阀座泄漏、热交换器结垢、风扇速度以及水平衡等,以便降低能源消耗、损失和碳排放。

l  HS&E部门非常关注安全喷淋装置的激活、阀位、碳氢化合物泄漏和溢出 等,以便减少安全事故、加快事故响应时间、减少排放并确保工厂符合日益严苛的法规要求。

l  运营部门非常关注罐区库存和工艺数据点 ,以便提高生产率。

通过部署数字化网络转变其业务模式,无线仪表网络可以解决以上各部门的问题。通过部署工厂级WirelessHART网络 架构,工厂可以实现自动化,无需替换历史数据库、资产管理系统(AMS)或控制系统,因为这一自动化层独立于控制系统之外。

 

避免混乱的无线部署 

无线传感器已经推出市场十余年了。最初只有一些 制造商提供的专有无线传感器网络,现在市场上推出了通用标准。如果每个部门都独立地部署专有无线网络以满足他们的特定需求,那么工厂将在混乱的不兼容的无线网路中停滞不前。例如,可靠性部门可能部署了一种适用于 振动监测的无线网络;工艺完整性部门部署了另一种适用于腐蚀监测的网络。多种网络的总投资可能会非常高昂,因为由于每种网络都需要其自己的一套接入点和网关架构、电源布线、网络布线以及系统集成,因此每一种网络的部署成本都价格不菲。对于I&C(仪控)部门来说,维护多种网络并非易事,因为这将涉及各种不同的硬件、网络管理工具、网络组态规则和故障排查方式。

专有网络只与单个供应商产品兼容。虽然最初投资专有网络的价格较为经济,但是长期来看备件和网络扩展成本将非常高昂,因为一旦工厂受困于专有解决方案,那么价格将不再基于市场定价。

开放式无线技术

采用基于国际标准IEC 52591 (WirelessHART)标准的无线仪表网络架构意味着工厂的所有职能部门都可以共享 同一网络。工厂只需一种工厂级无线传感器网络技术即可满足各个部门的数据采集需求。WirelessHART经多年时间验证并且诸多工厂都已经部署了这样的无线传感器。基于实践经验 ,工厂现在可以轻松地扩展工厂级网络架构。仪表部门可以精确地通过最佳方式来管理无线传感器网络,因为这一网络架构可以让所有工厂职能部门受益。

对于工厂来说,对于来自多个生产商的的广泛的传感器实现无线网络技术标准化非常重要。WirelessHART就是一种适用于以上需求的开放式标准。它适用于多个供应商的产品,无线传感器,例如 压力、差压流量、差压液位、阀位、开关接触、导波雷达液位、振动、温度、腐蚀、壁厚、声波噪音、涡街流量以及液位开关。此外,还拥有符合这一需求的可以将有线设备接入这一公共网络的开关阀执行机构以及无线适配器。这样一来就解决了工厂范围内的诸多运营挑战。

在大多数工厂中,仪表部门负责部署工厂级的WirelessHART传感器网络,在有些工厂中则由IT部门来负责部署。在大多数工厂中,部署无线传感器网络都由仪控部门来负责,因为这是一个 仪表网络。但是在其他工厂中,IT部门走在仪控部门的前面,由IT部门来主导部署无线传感器网络。因为,通常来说IT部门对于数字化网络和无线技术更具经验 。在大多数工厂中,至今仪控部门已经部署了至少一个WirelessHART网络并且已经熟悉了WirelessHART仪表的调试和服务支持。 基于最佳实践,在新建工厂中一开始就部署WirelessHART 架构将会让工厂受益匪浅。一些新建工厂包括浮式生产船只已经搭建了工厂级的 WirelessHART网络。

节省时间

基于同一共享工厂级网络架构,在所有的应用中采用单一、共享传感器网络技术来满足所有工厂部门的需求,不但可以显著降低工厂的投资成本并且仪控部门也更加易于获得运营支持。更好地运营支持是指无线网络可以提升正常运行时间,降低非计划停车风险;并且仪控部门也将花费更少的工时。此外,单一网络的安全更新也将更加容易管理。

如果工厂部署了工厂级WirelessHART 网络;那么每个部门都可以利用无线架构,“按需”部署传感器来满足他们各自特定的职责需求。而无需周而复始地重新设计、购买或安装新的网络架构以便新增一个应用用于解决某一工厂问题。并且无需每次对控制系统、历史数据库或更高水平的IT系统进行规划和工程集成。一旦在工厂中部署了WirelessHART架构,工厂将可以显著节省每次部署新增测量点的成本、时间和人力;此外,部署新的应用也将变得易如反掌。借用客户的话来说就是:“无线无所不至”。通过采用同一共享的工厂级网络架构,部署新增变送器也将变得简单易行,工厂改善运营状况的一些良策将得以实现和落地,而不再由于高成本或高风险而望而却步,化为泡影。通过这些小小的改进,工厂即可已快速提升运营绩效。

网络部署

首先,建议在每一个工厂装置中,一开始即部署至少一台WirelessHART 网关用于为工厂装置中的无线传感器搭建无线网络架构。工厂中所有的装置都采用一个回传网络连接在一起。无线网关可以安装在工厂装置的边缘位置,而无需安装在工厂装置的中心位置。通常工厂在每一个装置区域都有一些小型建筑物(被称为现场机柜室(FAR)或其他名称),这些建筑物就是安装网关的理想位置,这样可以确保回传连接和供电非常方便。由于 WirelessHART 是全网状、拓扑结构,因此网络中的每台设备都可以作为一个路由器并且信息可以通过七次或更多次跳频进行分程传递,而无需主干路由器或主干网络。这样一来,即使对于正在运行的工厂来说,部署WirelessHART网络也非常快速、简单。

其次,需要考虑的是将这些新增的数据传输至哪里。通常一些数据将传输至控制系统——发送给控制室的操作人员。大多数数据将传输至工厂现有的历史数据库及AMS中,这些数据将提供给那些控制室之外的维护、可靠性 、工艺完整性及 HS&E人员。现有软件,例如历史数据库或HMI人机界面可以被特定的软件用于设备状态监测和能源管理等,也可以将这些原始数据转化为可执行化信息。

最后,需要考虑的是需要采用哪种协议进行集成。一些软件,例如振动分析、腐蚀监测、状态检测和疏水阀监测软件都支持HART-IP 协议用于将WirelessHART仪表和网关进行集成,即装即用。其他软件(例如历史数据库)通常通过OPC从网关获取数据。控制系统则通常通过Modbus/RTU或者Modbus/TCP 获取数据。

其他无线网络技术需要在工厂装置的中心位置安装多个主干路由器并部署一个主干网络,通常这样的部署方案成本高昂且难以实施,因为需要打开接线盒和电缆槽进行主干网络和供电线缆布线,有时可能还会需要额外安装接线盒。

工厂标准

通过部署标准的工厂级仪表网络,仪表部即可引导工厂的数字化升级。这样也是向着工业物联网和工业4.0 ——第四次工业革命迈出了重要的一步。还没有实施工厂数字化升级的工厂仪表经理可以考虑在工厂中部署无线网络。工厂可以通过工厂现代化升级调研,基于无线网络规划方案,确定现场的测量需求。在工厂现代化升级调研中,Emerson 可以指定专属的负责人与客户工厂所有部门的工程师团队进行协作。一旦客户后期提出了新的自动化需求,符合IEC 62691  标准的 WirelessHART 无线网络架构(例如网关)也都可以与所有的现场无线仪表进行成功通讯。

作者信息:Jonas Berge是艾默生自动化解决方案新加坡应用技术总监。

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