盡管目前無線技術(shù)主要用于監(jiān)控和診斷，但隨著能源收集、無線適配器以及先進(jìn)控制算法等領(lǐng)域的發(fā)展，無線技術(shù)將適用于更多應(yīng)用的實(shí)時(shí)控制。

無線傳感技術(shù)正被用在全球數(shù)以萬計(jì)的過程工業(yè)的應(yīng)用當(dāng)中，而且制造商反映無線網(wǎng)絡(luò)的需求很大，是工業(yè)領(lǐng)域中增長(zhǎng)快速的一個(gè)部分。將儀表與過程工業(yè)的控制和監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，普遍使用了來自于FieldComm集團(tuán)的WirelessHART技術(shù)以及國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA）的ISA100標(biāo)準(zhǔn)。

盡管無線技術(shù)主要用于監(jiān)控設(shè)備和診斷問題，但目前的趨勢(shì)顯示很快就會(huì)在更大的范圍內(nèi)使用無線控制了，特別是有了新工具以后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和使用會(huì)更加簡(jiǎn)便。

使用無線設(shè)備的好處

使用無線技術(shù)的首要理由是低成本。相比較之下，安裝無線變送器并將其與控制系統(tǒng)連接的成本僅僅是使用有線變送器的一小部分。安裝一臺(tái)無線變送器并與控制系統(tǒng)連接的成本僅僅是有線變送器的五分之一到三分之一。

使用無線技術(shù)的另一個(gè)主要原因是安裝簡(jiǎn)便，特別是使用電池供電的無線變送器。無線變送器不需要通過信號(hào)線將信息傳送給相應(yīng)的無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)需要通過硬接線與一個(gè)或多個(gè)控制監(jiān)控系統(tǒng)連接。電池供電的設(shè)備不需要供電接線，因此事實(shí)上它們可以安裝在任何地方、對(duì)任何設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

這意味著例如蒸汽疏水閥（請(qǐng)見圖1）、熱交換器、泵、壓縮機(jī)以及泄壓閥都可以通過無線輕松地監(jiān)控。在許多情況下，采用有線儀表對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控太昂貴了，通常是因?yàn)樗鼈兯幍奈恢脹]有可以用于接線的設(shè)施。

圖1：監(jiān)控蒸汽疏水閥的一臺(tái)羅斯蒙特708無線聲波變送器可以安裝在那些對(duì)于有線儀表接線安裝來說太貴或太困難的位置。圖片來源：艾默生

無線設(shè)備真的可以在偏遠(yuǎn)的地點(diǎn)工作，例如海上平臺(tái)、井口、抽水站、泵站、管線、罐區(qū)、以及石油終端。在這些情況下，無線儀表連接到一個(gè)網(wǎng)關(guān)上，網(wǎng)關(guān)可以通過硬接線連接到本地的控制監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)也可以通過硬接線連接到長(zhǎng)距離無線傳輸系統(tǒng)上。

低成本和安裝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，讓無線技術(shù)能夠更好地滿足工廠優(yōu)化生產(chǎn)、節(jié)約能源、提高效率以及降低維護(hù)成本等需求。

例如，無線傳感器和專屬的軟件（請(qǐng)見圖2）可以檢測(cè)蒸汽疏水閥的問題。這些系統(tǒng)能夠診斷故障、確定可能的誘因、并且通知維護(hù)人員有一臺(tái)設(shè)備即將故障或運(yùn)行不規(guī)律。當(dāng)維護(hù)人員進(jìn)入工廠進(jìn)行故障排除時(shí)，會(huì)對(duì)問題了然于心。與此類似，因?yàn)閃irelessHART為工廠工程師和技術(shù)人員提供了訪問HART儀表上所有診斷和狀態(tài)信息的功能，使他們可以在問題導(dǎo)致工藝停機(jī)之前檢測(cè)到未解決的問題。

圖2：無線蒸汽疏水閥聲波傳感器與艾默生的資產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用軟件組合在一起，使用傳感器的數(shù)據(jù)提供可操作的信息并且在小故障惡化成大問題之前將其發(fā)現(xiàn)。

用于快速過程控制的無線技術(shù)

到目前為止，無線技術(shù)幾乎無一例外地用于監(jiān)控和維護(hù)目的，主要是因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)更新速率。為了保證電池壽命，大部分工廠將無線變送器的更新時(shí)間設(shè)置到與有線變送器相比較低的速率。如果更新速率設(shè)置為每8秒鐘一次，電池可以使用5到7年。不幸的是，8秒的更新速率不適用于控制快速過程，例如流體或氣流。

如果不考慮更新速率，無線技術(shù)已經(jīng)可以用于快速過程控制。例如，無線技術(shù)正在用于偏遠(yuǎn)罐體的防溢流控制。如果無線液位計(jì)檢測(cè)到可能發(fā)生溢流的狀況，控制系統(tǒng)向安裝了無線適配器的閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送一個(gè)信號(hào)來切斷流量。在墨西哥，使用無線方式關(guān)閉遠(yuǎn)程泵的工作正在進(jìn)行當(dāng)中。近期的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)，使得無線技術(shù)更加適合一些應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制。

無線控制的新發(fā)展

各種技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展正匯聚到一起讓無線控制在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越可行。

能源收集能夠?qū)⒃谶^程工廠里發(fā)現(xiàn)的能源轉(zhuǎn)化成無線設(shè)備可以使用的電能。最近發(fā)布的熱能收集器是一款設(shè)計(jì)用來為無線儀表供電的能源收集設(shè)備（請(qǐng)見圖3）。熱能源收集器利用工業(yè)熱源與環(huán)境空氣之間的溫度差來發(fā)電。

圖3：熱能源收集器利用工業(yè)熱源與環(huán)境空氣之間的溫度差來發(fā)電。

在工廠中耗能比較大的旋轉(zhuǎn)設(shè)備（例如電機(jī)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和泵）以及運(yùn)載蒸汽或其他加熱的過程流體的管道上到處都可以發(fā)現(xiàn)熱源。多種配置可以用于大范圍的各種可能的熱源，包括溫度高達(dá)450攝氏度的平面或圓柱體面。由于熱能收集解決方案用電池供電，它們?cè)诠╇娙哂喾矫嬗蓄~外的安全保障，即在能源收集過程中發(fā)生熱量中斷的情況下電池可以繼續(xù)供電。

表1：有了能源收集，一臺(tái)無線變送器可以在更新速率為每秒一次的情況下工作超過10年而不需要更換電池。

表1中顯示了使用能源收集的無線壓力變送器的電池壽命（以年為單位）。只要熱源溫差在40攝氏度，一臺(tái)能源收集器就可以保證其在一秒鐘的更新速率下工作超過十年，而不需要使用后備電池。

更廣泛的可用性

下一輪趨勢(shì)是無線適配器不斷增加的可用性，這使得傳統(tǒng)的儀表和工廠設(shè)備可以連接到無線網(wǎng)絡(luò)上。已經(jīng)有幾家儀表供應(yīng)商提供可以將標(biāo)準(zhǔn)的4-20毫安變送器轉(zhuǎn)變?yōu)閃irelessHART或ISA100的適配器。

在世界范圍內(nèi)的過程工廠里，安裝了數(shù)以萬計(jì)的可以進(jìn)行HART通訊的4-20毫安儀表，可是許多工廠還沒有為每一臺(tái)儀表開發(fā)其全部HART功能。許多工廠使用手持式HART接口設(shè)備手動(dòng)檢測(cè)儀表的狀態(tài)和診斷信息，不過這些信息無法傳到控制室去。

要想在一臺(tái)傳統(tǒng)的儀表和控制系統(tǒng)之間建立接口，通常需要安裝HART調(diào)制解調(diào)器、為調(diào)制解調(diào)器提供電纜供電、以及控制室內(nèi)用來提取數(shù)據(jù)的軟件。一些傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)必須經(jīng)過大量的定制編程才能使用HART數(shù)據(jù)。無線HART協(xié)議適配器通過將HART協(xié)議轉(zhuǎn)變?yōu)镸odbus RTU或某一種以太網(wǎng)協(xié)議來解決這些問題。

例如，位于紐約州羅契斯特的門羅縣垃圾處理廠依賴操作員的巡檢為三條生產(chǎn)線抄錄流量表讀數(shù)。流量計(jì)位于這個(gè)一英里長(zhǎng)的工廠內(nèi)的另一個(gè)建筑內(nèi)，離控制室太遠(yuǎn)了，無法鋪設(shè)電纜連接。沒有可用的電纜導(dǎo)管，而且現(xiàn)有本地控制系統(tǒng)的輸入/輸出（I/O）機(jī)架都已經(jīng)用滿了。因此，操作員每小時(shí)去一次那個(gè)建筑，記錄下瞬時(shí)的流速讀數(shù)，然后手動(dòng)計(jì)算總的流量。

工廠購(gòu)買了三臺(tái)無線適配器用于三臺(tái)需要在線的電磁流量計(jì)以及一臺(tái)為無線網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)架構(gòu)的無線網(wǎng)關(guān)。現(xiàn)在工廠有了操作員從控制臺(tái)上可以監(jiān)控的實(shí)時(shí)的流量信息。

無線適配器也可以安裝在控制設(shè)備上。例如，在控制閥上，一臺(tái)無線適配器可以安裝在一臺(tái)電子閥門定位器上用于無線閉環(huán)控制。類似的安裝方式可以適用于調(diào)速電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備的控制。

另一項(xiàng)有趣的進(jìn)步是可以用于30秒以下響應(yīng)時(shí)間的控制過程的改進(jìn)版比例-積分-微分算法，例如用在蒸餾塔上。改進(jìn)過的程序調(diào)整了PID算法，使其可以自動(dòng)地適應(yīng)無線傳感器的更長(zhǎng)的更新時(shí)間。德克薩斯大學(xué)的研究顯示對(duì)于隔離壁蒸餾塔的實(shí)時(shí)控制來說，使用無線變送器先進(jìn)的PID控制的效果和使用有線變送器PID控制的效果不相上下。

無線控制即將到來

為許多應(yīng)用場(chǎng)合部署無線控制的條件已經(jīng)越來越成熟。圖4顯示了一個(gè)采用了無線傳感器、接入點(diǎn)以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)將它們與控制系統(tǒng)連在一起的典型無線系統(tǒng)。

圖4：一套來自艾默生的WirelessHART系統(tǒng)展示了無線傳感器、接入點(diǎn)以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)如何連接到控制系統(tǒng)上。在一種應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)無線液位變送器檢測(cè)到可能發(fā)生溢流的情況，控制系統(tǒng)向安裝有無線適配器的Fisher閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送一個(gè)信號(hào)來切斷流量。另一個(gè)工廠使用三臺(tái)配有艾默生無線THUM適配器的三臺(tái)電磁流量計(jì)和一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，創(chuàng)建了一個(gè)無線HART網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為操作員提供了可以在操作臺(tái)上監(jiān)控的實(shí)時(shí)流量信息。艾默生的PIDPlus程序?yàn)闊o線通訊優(yōu)化了PID控制。

無線變送器可以運(yùn)行在1到2秒的更新速率上，這對(duì)于大多數(shù)過程控制應(yīng)用來說已經(jīng)足夠快了。無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理員可以規(guī)劃需要無線傳感器提供什么樣的更新速率，因此關(guān)鍵的傳感器數(shù)據(jù)可以快速地到達(dá)控制系統(tǒng)。

如果控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線或4-20毫安來連接控制設(shè)備，那樣沒有問題?？墒?，如果控制信號(hào)是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)?，問題在于網(wǎng)絡(luò)管理員不能像規(guī)劃無線輸入信號(hào)那樣規(guī)劃無線輸出信號(hào)的傳輸時(shí)間。一個(gè)無線控制信號(hào)要到達(dá)一臺(tái)設(shè)備所需要的時(shí)間可能從10秒到幾分鐘。

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)管理員的工作有了一些進(jìn)展，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線輸出信號(hào)的規(guī)劃，完成無線控制難題的最后一部分。

無線系統(tǒng)低成本和安裝簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)幫助工廠提高效率、優(yōu)化運(yùn)行、減少維護(hù)成本以及找到小故障，從而有助于避免停機(jī)或?qū)⑼C(jī)時(shí)間縮到最短。

到目前為止，由于響應(yīng)時(shí)間慢以及電池壽命的問題，無線變送器還主要是用于監(jiān)控，而不是控制。包括能源收集、無線適配器以及先進(jìn)的控制算法等最近的發(fā)展意味著，無線控制幾乎適用于任何應(yīng)用。