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发表于 2012/5/14 17:53:24

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标签: 无线HART 无线现场设备 智能无线网关 无线HART适配器 设计要点

艾默生公司的无线HART系统及其设计要点

      摘  要: IEC 62591无线HART技术是工业过程测量和控制领域的首个无线国际标准,而艾默生过程管理公司是推行无线HART技术力度最大的厂家之一,本文先介绍了艾默生过程管理公司无线HART技术的系统构,然后探讨了无线HART系统设计要点。        

        1 概述
        无线技术对于过程工业中的某些领域来说并不是新事物,例如带GSM/GPRS模块的远程测控终端将监控的数据以短信息方式,通过电信部门提供的短信业务定时将数据传送到控制中心,再如无线数传电台通过无线电波来传送监测数据都利用了无线技术,还有Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等等。
        2010年4月12日国际电工委员会(IEC)全票表决通过无线HART技术(Wireless HART)成为工业过程测量和控制领域的无线国际标准IEC 62591。这一新标准由非营利机构HART通讯基金会开发完成,该基金会成员包括艾默生过程管理公司在内超过200家会员的大型过程控制厂商。
        用户越来越多地将无线产品用到了采用有线技术过于昂贵或者不可行的场合,比如监视行进中轨道机车的温度或者远程离岸石油平台的井口压力。据艾默生公司介绍:客户采用艾默生WirelessHART技术产品,目前已经超过了2000套,2007年9月艾默生公司在中国正式推出WirelessHART系统工业无线产品,目前已有宝钢化工公司梅山分公司、上海赛科石油化工有限责任公司、江西卡博特蓝星化工公司、中石油塔西南化肥厂、中海油友谊号平台输油船、华能上海石洞口第一电厂、昆明红云红河烟厂等数十家中国用户。
        与其他新推出的系统或仪表类似,最先采用WirelessHART无线系统的不是设计院,而是用户,但随着用户大范围的使用,设计院在工程设计中也会逐渐采用这项逐步成熟起来的技术,本文根据相关的资料和一部分用户的经验就艾默生公司的无线HART系统构成及设计要点作了初步的探讨。
        2  IEC 62591 WirelessHART标准的特点
        自组织、自适应网状结构
        · 不要求用户具有无线技术方面的专门知识,设备在网络中会自动查找最佳的通讯路径;
        · 网络具有自适应功能,无需人员干预就可以可靠运行,网络的扩展和重组能力强;
        · 同时支持星形和网状拓扑
        具有自修复功能
        · 网络具有连续监视通讯路径的功能,当某个节点通讯性能下降时,它能自行修复;
        · 如果网状网络出现障碍,设备将自动寻找其它最佳替换通讯路径,创建新的通讯路径以保证信息继绩畅通
        符合工业标准,带信道跳频
        · 符合IEEE 802.15.4无线标准;
        · 采用2.4 GHz通用频率,可细分成16信道;
        · 增加了扩展跳频(FHSS)技术,具有极离的可靠性
        与现有主机系统实现无缝连接
        · 网关与现有主机系统的集成是透明和无缝的;
        · 主机控制系统无需升级和特别软件;
        · 网关的接入采用标准的接口协议
        3  WirelessHART系统构成
        图1是现阶段艾默生WirelessHART系统构成示意图,无线现场设备、带WirelessHART适配器的普通HART设备由智能无线网关通过用户选用的通讯协议(Modbus、TCP/IP、OPC、以太网等)将现场设备的信息传送到数据采集系统或控制系统。部分HART设备在增加WirelessHART适配器后,一方面通过智能无线网关以无线方式传送数据,另一方面又可保留原有的HART总线方式传送数据。


        图1   艾默生WirelessHART系统构成示意图


        由图1可见,艾默生WirelessHART系统由以下设备构成:无线现场设备、     WirelessHART适配器、智能无线网关。
        3.1无线现场设备  
        现阶段艾默生公司推出的无线现场设备的品种有(见图2):
        Rosemount 无线压力和温度变送器
        Rosemount无线分析变送器
        Fisher 无线阀门位置变送器
        Rosemount机械健康状态变送器
        Rosemount 无线开关量变送器


        图2  无线现场设备


        上排从左到右:3051S无线压力(差压等)变送器、848T无线温度变送器、648无线温度变送器、6081-P无线pH/ORP分析变送器;
        下排从左到右:4310 无线位置变送器、4320 无线位置变送器、CSI 9420 机械健康状态变送器、702型无线开关量变送器
        无线压力和温度变送器包括3051S无线压力(差压等)变送器、848T无线温度变送器(4个独立可组态输入通道,支持TC、RTD、 mV、Ω 和4~20mA输入)、648无线温度变送器(单点)。
        无线分析变送器有6081-P无线pH/ORP分析变送器和6081-C电导率分析变送器。
        无线阀门位置变送器有4320 无线位置变送器和4310 无线位置变送器,4320 无线位置变送器用于阀门开度的连续监视,4310 无线位置变送器用于阀门的开/关状态监视。
        CSI 9420 机械健康状态变送器为无线振动变送器,可对机械设备进行无线振动频谱分析。常用于电机、风机、泵、压缩机、变速箱等机械设备的不平衡、错位或连接松动、滚动轴承缺陷、齿轮缺陷、泵气穴现象等故障进行检测,用于机械设备状态监控并提供预测诊断信息,从而以提高工厂的可靠性和安全性。
        702型无线开关量变送器接受各种非电源式开关量信号输入,如以压力、流量和液位的上下限信号作为输入信号,可提供单、双通道2种选项。
        无线变送器是通过射频天线传送信号的,其工作电源则采用超长使用寿命的内置电池。电池寿命为1~10年,取决于传送数据的刷新速度。
        3.2  WirelessHART 775适配器
        WirelessHART  THUM(英文名:大拇指)适配器(见图3)可应用于HART 5.0或以上版本的任何2线或4线制HART设备,实现测量和诊断信息的无线传输。775适配器是利用现有有线仪表的供电工作,本身无需电池。适配器的右端是带螺纹接口的,可直接插入HART设备上的电气接口获得回路供电。


        图3   WirelessHART  THUM 775适配器


        通过THUM 775适配器,用户可以方便、经济有效地将任何一个HART设备转换为无线设备,以扩大应用范围,如储罐液位、雷达液位、超声波液位、流量、阀门、液体和气体分析、压力和温度的测量。例如,目前虽然无线分析变送器只有pH值和电导率两类参数的变送器,但由于Rosemount Analytical的水质分析仪均具有HART通讯功能,所以,当他们选配了THUM 775适配器后,都可以升级成准无线设备接入无线网络,如酸/碱浓度、溶解氧、氯、臭氧、浊度等水质分析仪,可以最大限度地满足市政、水处理及工业领域各行业的应用需求。虽然THUM适配器从HART设备上获得回路供电及HART信息,但他不影响HART设备原先的模拟信号的传送。
        THUM 775适配器还可以给HART设备增加以下功能:
        获取先进诊断信息:THUM 775适配器通过AMS Suite访问先进的诊断信息,实现电磁流量计和科氏流量计的现场仪表校验功能;
        增强阀门能力:THUM 775适配器与AMS ValveLink 软件可以很容易地实现Fisher? FIELDVUE数字阀门控制器的新增功能,包括数字阀门控制器在线阀门测试、报警监控和阀门的位置趋势功能。
        远程设备管理和健康监测:用户通过THUM 775适配器和AMS设备管理组合,在控制室就可以检测HART设备的故障,不间断地监测设备,以优化维护时间表,减少停机时间并减少人员在危险区的滞留时间。
        据介绍,目前已安装使用的HART仪表有2600万台以上且种类繁多,THUM 775     适配器给这样一些仪表的功能增加和应用扩展提供了一条新的途径。
        3.3智能无线网关
        1420智能无线网关(Wireless GateWay,见图4)是现场无线网络和主机控制系统多种通讯协议的接口,1420智能无线网关类型有Modbus,、TCP/IP、OPC、以太网等。与DeltaV或Ovation的集成可以选择Modbus或OPC的方式,如果DeltaV是10.3以后的版本,智能无线网关可以像控制器一样直接挂在DeltaV 的控制网络上。在DeltaV和Ovation的画面上可以用清晰直观的操作员界面获得无线设备的过程和设备诊断信息。1420智能无线网关的数据刷新速率:8s、16s、32s或1~60min可选,一台智能无线网关最多可连接100台设备。


        图4   1420智能无线网关


        1420智能无线网关与所连接的多台无线设备的网络是自组织、自适应的网络结构,设备在网络中会自动查找最佳的通讯路径,当某个节点通讯性能下降时,它能自行修复,无需操作人员干预就可以可靠运行,网络的扩展和重组能力强。
        3.4 智能无线现场启动包SmartPack
        智能无线现场启动包SmartPack提供了一些功能选择,使用户能够快速而方便地提高运行性能,同时体验无线技术,获取无线技术的操作经验,并为未来实现更大范围的无限应用奠定基础。由于智能无线现场启动包的点数不多,价格较低,可降低用户风险。智能无线现场启动包发货时已预先组态,开箱即可搭建一个安全的、坚固的自组织网络。
        智能无线现场启动包包括:
        任意选择5台或更多无线压力、温度、差压液位、差压流量、振动、pH变送器和离散开关进行组合,任意组合无线THUM 775适配器和无线阀位检测器,获取未曾利用的过程和诊断信息;
        一台安全、稳定的1420 智能无线网关;
        从无线设备中获取诊断信息的AMS?预测维护软件;
         AMSWirelessSNAP-ON?应用软件,可方便地设计无线网络并获取网路及设备的诊断信息;
        SmartStart?服务软件,它可以对整个网络的状况进行评估,以确保通讯的稳定性和可靠性,同时还可以确认设备在用户选用的通讯协议中(Modbus,TCP/IP,以太网等)体现的功能性。
        采用艾默生智能无线现场启动包建立无线网络无需现场勘察,无需前期工程设计,更不需要特殊工具,安装和调试工作只需几分钟就可完成。用户可以方便地在自组织网络中添加新的设备,并可以无限扩充。
        4  WirelessHART系统设计
        4.1 设计要点
        · 通常需要得到有关的现场设备配置图,然后标出所需安装的无线仪表,在没有障碍的情况下,采用短天线的无线设备的最大有效信号传递距离是230m,采用长天线时,无线设备的最大有效信号传递距离是800m,在一般建筑物内,无线设备的最大有效信号传递距离是75m, 在厚实的建筑物内,无线设备的最大有效信号传递距离是30m;
        · 当网状网络中的无线设备能够和其它相邻的至少3台设备进行通讯时,网络的性能是最好的,这样可以确保在网络搭建好后至少有2条通讯路径。如果在设计过程中没有做到让1台无线设备与其它3台无线设备通讯,那么就需要增加无线设备或转发器来加强通讯,例如采用648无线温度变送器或702无线开关量变送器作为转发器;
        · 在以下情况下不要连接无线设备:无线设备处于封闭环境中、无线设备之间有大型建筑物或一整套工艺过程装置;
       · 目前WirelessHART系统仅用于监视、记录或远程维护的参数,对关键参数,例如重要PID回路的测量值或涉及过程安全的参数,因刷新速度不快及目前厂家提供的传送可靠性指标为99.9%,为可靠起见,最好采用4~20mA、HART、FF现场总线等方式传送;
        · 无线现场设备及WirelessHART 775适配器均为本安认证,可用在本安设备上,大多数智能无线设备都适用于ClassI  Division 1场合;
        · 1420智能无线网关电源为24VDC,耗电量0.5A,应由UPS供电;
        · 一台1420智能无线网关最多可连接100台设备,设计时考虑留有扩展的余地、传输速度及执行周期限制等因素建议最多连接50台;
        ·  一台1420智能无线网关可同时与多台主机相连,例如同时与主机系统(DCS/PLC)、AMS设备管理系统相连;
        ·  集成WirelessHART无线技术的主要通讯协议对DCS、PLC系统可采用Modbus,对数据历史可采用OPC,对资产管理和其他工厂局域网应用软件可采用以太网;
        ·  内置天线的网关应该安装在与自组织网络通讯最好的位置,如果无线设备接近地面,那么网关就应该安装在距离地面4~8m的高度,如果网关安装在室外建筑物的一侧,应该离开建筑物1m的距离,如果网关需要安装在建筑物的顶部,那么距离建筑物顶部应该2m以上,网关同时要安装接地和避雷装置;
        ·  带远程天线的网关天线长度通常为15m,如果网关安装在室外建筑物的一侧,远程天线应该距离建筑物1m,距离地面4~8m,网关安装在距离远程天线15m的范围内,15m的远程天线电缆不适合与地面垂直安装,网关同时要安装接地和避雷装置;
        · 1420智能无线网关也可以安装在控制室或机柜室内,但天线则要求安装在室外;
        · 工程设计中与WirelessHART无线系统有关的接线图、接线柜图、电缆表、电缆及桥架敷设图等可以省略。
        4.2 设计符号
        据“IEC62592 Wireless HART System Engineering Guide Revision 2.1”(无线HART系统工程导则2.1版)介绍了一下涉及无线HART系统设备的符号及图例(见图5、图6),规定用带锯齿的波形表示无线传输。
      


        参考资料:
        艾默生过程管理公司网站:http://www.ap.emersonprocess.com/API/China/Products/Wireless

系统分类: 工业无线   |   用户分类: 无分类   |   来源: 原创

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