智能傳感:增強(qiáng)對(duì)環(huán)境的感知
工廠安全可以通過相關(guān)人員對(duì)重要信息的適時(shí)獲取而得到加強(qiáng)。在這方面，智能傳感技術(shù)可以改進(jìn)工廠人員的對(duì)環(huán)境的感知，進(jìn)而提高操作效率和安全性。——Jonas Berge，艾默生過程控制公司應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)
我們偶爾會(huì)在新聞中看到一些工廠的災(zāi)難性事故報(bào)道，這些事故常常就是由于誤認(rèn)為一個(gè)本來開啟的閥門是關(guān)閉的而引起。在換班時(shí)，信息沒有傳遞給新的班組人員。如果他們事先知道這個(gè)閥門是開啟的，如果他們事先知道這一條關(guān)鍵的信息，災(zāi)難就不會(huì)發(fā)生。我們常常告訴自己說，如果我事先知道就好了，但是往往都只能有后見之明。
WirelessHART技術(shù)提供了一種增加重要的測(cè)點(diǎn)并把測(cè)量數(shù)據(jù)傳遞給操作員，以改進(jìn)對(duì)環(huán)境的感知的方式。通過這種技術(shù)，使得他們可以更好地通過實(shí)際信息做出決策，而不是從其他過程數(shù)據(jù)推斷和猜測(cè)。采用這種技術(shù)的傳感器可以很方便地安裝在陳舊的工廠里。
提升對(duì)環(huán)境感知
IEC62591（WirelessHART）是用于過程行業(yè)無線技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它已經(jīng)廣泛地在很多維護(hù)相關(guān)的應(yīng)用中被使用，例如監(jiān)測(cè)換熱器、風(fēng)機(jī)、翅式風(fēng)冷機(jī)、泵、閥門、以及其他資產(chǎn)的健康，同時(shí)也被用來降低操作巡檢次數(shù)。
這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同樣也通過提供給操作員新的視野來改進(jìn)了操作。這使得他們可以通過調(diào)整流程來延長(zhǎng)資產(chǎn)壽命，降低能源消耗，加強(qiáng)人員安全。
例如，泵的氣蝕現(xiàn)象如果不被發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致泵的損壞，引起計(jì)劃外的停車，導(dǎo)致昂貴的維修或更換費(fèi)用。如果工廠的操作員不知道泵存在氣蝕，就不能采取任何應(yīng)對(duì)措施。
為了避免這樣的問題，可以安裝一個(gè)壓力變送器來測(cè)量泵的出口壓力。重要資產(chǎn)監(jiān)測(cè)軟件通過計(jì)算和監(jiān)視測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來發(fā)現(xiàn)泵氣蝕前的早期信號(hào)。
不僅如此，具有PeakVue振動(dòng)加速度檢測(cè)功能的振動(dòng)變送器可以有效地在整體振動(dòng)速度明顯加快前就發(fā)現(xiàn)將要發(fā)生的故障。
通過使用基于這些工具的泵監(jiān)測(cè)方案，操作員就可以得到問題的早期警告。這就使得他們可以采取必要的過程調(diào)整來避免問題的發(fā)生，也就確保了更長(zhǎng)的泵壽命和更少的停車。
以冷卻塔中的風(fēng)扇為例。在冷卻塔具有多余的冷卻能力時(shí)，有時(shí)為了降低能耗，即使關(guān)掉一個(gè)或幾個(gè)風(fēng)扇也是可以滿足冷卻需求的。雖然如此，操作員往往不會(huì)愿意關(guān)掉定速風(fēng)扇，因?yàn)樗麄儾⒉恢缹?shí)際需要幾個(gè)冷卻單元，也不知道為變速風(fēng)扇設(shè)定多少的速度才可以提供足夠的冷卻能力。
在這種情況下，可以使用變送器來給重要資產(chǎn)管理軟件提供輸入信息，進(jìn)而對(duì)冷卻塔效率進(jìn)行分析。這同時(shí)也給操作員提供了冷卻效率以及單元的熱負(fù)荷的信息。軟件可以建議操作員哪些定速風(fēng)扇可以關(guān)閉，或是可以平衡變速風(fēng)扇負(fù)載的最優(yōu)速度設(shè)定。這么做的目標(biāo)就是在提供足夠冷卻能力的情況下最小化電能消耗，也就降低了能源的消耗。
第三個(gè)例子與人員安全相關(guān)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有化學(xué)物質(zhì)濺灑到人員身上時(shí)，工人需要尋找安全淋浴和洗眼器站。受傷人員可能沒有能力在這同時(shí)通過對(duì)講電臺(tái)尋求幫助。因此其他人員就不會(huì)知曉，也不會(huì)跑來為受傷人員提供幫助。
通過在安全淋浴和洗眼器上安裝開關(guān)量變送器，控制室內(nèi)的操作員就可以在這些設(shè)備被使用的第一時(shí)間知曉。于是他們就可以呼叫急救人員去為受傷者提供幫助，也就縮短了反應(yīng)時(shí)間。
第四個(gè)例子是一些偏遠(yuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，例如海上無人平臺(tái)以及由于無法供電而沒有監(jiān)測(cè)或自動(dòng)化手段的井場(chǎng)。中控的操作員如果不來到偏遠(yuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)就無法知道哪一口井在生產(chǎn)，哪一口是停產(chǎn)。而人員的巡檢由于時(shí)間、成本限制以及以及行程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)而不可能很頻繁。
同樣的，在注水和化學(xué)試劑的井口現(xiàn)場(chǎng)或是通過氣舉和水洗提高采收率的現(xiàn)場(chǎng)，操作員通常都看不到是多少的注射增加了產(chǎn)量。所以他們也就無法通過優(yōu)化注射流程來改進(jìn)生產(chǎn)和降低消耗。
盡管如此，通過在每一個(gè)井口安裝壓力、差壓以及溫度變送器可以使得操作員在中控區(qū)域就監(jiān)測(cè)到生產(chǎn)和注射流程。通過對(duì)哪些井在生產(chǎn)、哪些停產(chǎn)，以及產(chǎn)量如何隨著注射而變化的感知，可以優(yōu)化生產(chǎn)，降低消耗。還可以實(shí)施其它的一些測(cè)量，例如測(cè)量截止閥的閥位或是測(cè)量套壓來監(jiān)測(cè)泄露，以及分離器和儲(chǔ)罐的監(jiān)測(cè)。
最后，操作員通常無法判斷手動(dòng)閥門的實(shí)際閥位，除非到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查看閥門是開啟還是關(guān)閉。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員有時(shí)可以通過其它過程測(cè)量值來說出閥門是開還是關(guān)，但是沒有什么經(jīng)驗(yàn)的操作員做不到這一點(diǎn)。
如果閥門處在錯(cuò)誤的位置上，有時(shí)就會(huì)發(fā)生失誤或事故。但是如果在重要的閥門上加裝閥位反饋?zhàn)兯推?，操作員就能得到閥位的真實(shí)位置反饋，知道閥門處于什么狀態(tài)。
簡(jiǎn)而言之，WirelessHART技術(shù)提供了一系列的方式去增加我們對(duì)環(huán)境的感知，因此操作員就可以獲得更多的信息，做出更好的決策。
適用于任何系統(tǒng)
要獲得這些WirelessHART帶來的好處，通常需要將他們帶來的信息集成進(jìn)入控制系統(tǒng)中。特別是對(duì)于大規(guī)模的工廠和具有1000個(gè)以上無線變送器的現(xiàn)場(chǎng)。
但是如果現(xiàn)有的控制系統(tǒng)不能提供內(nèi)置的WirelessHART支持呢？我們依然可以通過在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中的智能設(shè)備管理軟件來進(jìn)行全廠范圍的智能傳感器管理。那么，用戶又通過怎樣的方式才能把信息傳遞給需要的地方呢？
幸運(yùn)的是，Modbus/RTU，Modbus/TCP，OPC以及HART-IP協(xié)議使得過程變量集成入系統(tǒng)成為可能。HART-IP也可以讓所有的來自WirelessHART變送器的設(shè)置和診斷信息進(jìn)入任何系統(tǒng)。
過程變量的集成
來自變送器的過程變量可以在諸如集散控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）或是遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)（RTU）的控制系統(tǒng)中被用到。它們也可以在諸如人機(jī)界面（HMI）或是資產(chǎn)監(jiān)視、機(jī)械健康監(jiān)視、歷史采集系統(tǒng)等軟件中被直接使用。既然有那么多的方式可以通過網(wǎng)關(guān)得到程變量，那么就沒有系統(tǒng)會(huì)因?yàn)檫^于陳舊而不能得到數(shù)據(jù)。
集成的一個(gè)方法就是通過RS485電纜將網(wǎng)關(guān)連接進(jìn)入具有支持Modbus/RTU協(xié)議的串行接口卡的主機(jī)系統(tǒng)中去。很多個(gè)網(wǎng)關(guān)可以連接入同一個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)以支持全廠范圍應(yīng)用。這是將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入陳舊的控制系統(tǒng)的最常見方式。
每個(gè)變送器需要被用到的過程變量和狀態(tài)信息都在網(wǎng)關(guān)內(nèi)選擇。導(dǎo)入和導(dǎo)出功能使得批量編輯和系統(tǒng)配置變得更快捷。
以太網(wǎng)提供了第二種選擇。它支持多種協(xié)議，可以用網(wǎng)關(guān)上的同一個(gè)網(wǎng)口集成接入具有以太網(wǎng)接口卡的主機(jī)系統(tǒng)。多個(gè)網(wǎng)關(guān)可以被接入相同的以太網(wǎng)以支持全廠范圍應(yīng)用。例如，它們可以接入支持Modbus/TCP協(xié)議的系統(tǒng)。這是對(duì)于現(xiàn)代的控制系統(tǒng)最常用的方式。
對(duì)于某些品牌的PLC，網(wǎng)關(guān)上的以太網(wǎng)接口還可以用來通過EtherNet/IP協(xié)議接入。
OPC-DA是第三種可用協(xié)議。OPC是兩個(gè)軟件應(yīng)用之間通訊的協(xié)議。操作站上的OPC代理/服務(wù)器軟件可以與網(wǎng)關(guān)通訊，使得諸如HMI軟件或系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫這樣的OPC-DA客戶端可以讀取數(shù)據(jù)。
智能設(shè)備管理的集成
變送器可以在智能設(shè)備管理軟件中進(jìn)行管理，以便進(jìn)行日常維護(hù)和大修計(jì)劃。這包括兩個(gè)方面：從設(shè)備獲取信息傳遞到軟件系統(tǒng)，以及在軟件系統(tǒng)中顯示或使用這些信息（特別是對(duì)于設(shè)備來自不同生產(chǎn)廠家的情況）?？梢允褂煤?span lang="EN-US">4~20mA/HART以及基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備相同的手持式通訊設(shè)備來配置和檢查傳感器健康狀況。但是對(duì)于大量的變送器的安裝，最好是使用集中式的監(jiān)測(cè)方式。Modbus，EtherNet/IP以及OPC-DA適合傳輸過程變量，但是并不支持傳輸診斷信息進(jìn)入智能設(shè)備管理軟件。
HART-IP協(xié)議提供了從第三方系統(tǒng)的智能設(shè)備管理軟件上獲取變送器上除了過程變量之外的所有配置和診斷信息的方法。
HART-IP協(xié)議采用和Modbus/TCP，EtherNet/IP以及OPC-DA相同的以太網(wǎng)線。它同時(shí)也使用和4-20 mA/HART以及WirelessHART相同的標(biāo)準(zhǔn)命令，因此不需要網(wǎng)關(guān)到軟件的數(shù)據(jù)映射。這就使得即使管理大量變送器的巨量配置信息也非常輕松。
有兩種方式可以在智能設(shè)備管理軟件中圖形化地顯示設(shè)備配置和診斷數(shù)據(jù)：電子設(shè)備描述語言（EDDL）以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工具/設(shè)備類型管理器（FDT/DTM）。
對(duì)于基于EDDL設(shè)備集成技術(shù)的IDM軟件，可以輕松下裝每個(gè)設(shè)備的EDDL文件。這使得IDM軟件可以通過HART-IP在網(wǎng)關(guān)上獲取變送器的所有信息。
對(duì)于基于FDT/DTM設(shè)備集成技術(shù)的IDM軟件，可以安裝網(wǎng)關(guān)的commDTM和gatewayDTM文件，以及每個(gè)設(shè)備的deviceDTM文件。這樣就使得IDM軟件可以通過HART-IP在網(wǎng)關(guān)上獲取變送器的所有信息。
使技術(shù)產(chǎn)生成效
現(xiàn)在可以通過流量、液位、閥位反饋、pH、電導(dǎo)率、振動(dòng)、溫度、壓力、聲波以及液位開關(guān)和開關(guān)量變送器來提供給操作員過去所沒有得到的視野。這些通常是P&ID圖紙之外的應(yīng)用。
感謝WirelessHART網(wǎng)關(guān)，工廠里不具備內(nèi)置WirelessHART支持功能的系統(tǒng)也可以通過技術(shù)帶來的能力獲利。帶來的結(jié)果是維護(hù)成本的降低、能源節(jié)省以及產(chǎn)量的提高。
為了開始工廠的現(xiàn)代化改造，可以首先安排一次對(duì)工廠資產(chǎn)和現(xiàn)有工作模式的調(diào)研，以確定在哪里可以增加對(duì)資產(chǎn)和生產(chǎn)流程的監(jiān)測(cè)。
