凌韋偉,李 靜
LING Wei-wei, LI Jing
(北京科技大學(xué) 高效軋制國(guó)家工程中心,北京 100083)
冶金及相近行業(yè)的生產(chǎn)線有著大量的傳感器,其中許多傳感器安裝位置特殊,不適合布線或需要較長(zhǎng)電纜,而工業(yè)無(wú)線傳感器成本低、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性和擴(kuò)展性好、便于維護(hù),有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì);另外,在一些易燃、易爆、有毒物質(zhì)的檢測(cè)中,采用工業(yè)無(wú)線傳感器將會(huì)更加安全[1]。隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展,冶金業(yè)的規(guī)模和生產(chǎn)能力得到不斷擴(kuò)大和提升,有時(shí)需要對(duì)已投產(chǎn)的生產(chǎn)線采集新的工藝參數(shù)作為參考,或因設(shè)備故障需臨時(shí)增添一個(gè)測(cè)試點(diǎn),傳統(tǒng)的有線方式會(huì)帶來(lái)較大的人力和資金成本輸出;同時(shí)對(duì)于冶金行業(yè)的廠區(qū)耗費(fèi)較多人工成本的定時(shí)巡檢,工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)都提供了一種新的解決途徑。
現(xiàn)下國(guó)內(nèi)外有很多針對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究,但因沒(méi)有一個(gè)國(guó)際統(tǒng)一的工業(yè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)而沒(méi)有推廣應(yīng)用[2],本文以國(guó)際上使用率最高的ISA100.11a協(xié)議為核心,針對(duì)冶金行業(yè)高溫、高濕、高危、高灰塵、震動(dòng)、不間斷生產(chǎn)等一系列冶金特有工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的適冶金行業(yè)的無(wú)線設(shè)備模塊,結(jié)合傳感器技術(shù)或嵌入操作箱、手持設(shè)備等在冶金行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試,取得較好的性能結(jié)果,為工業(yè)無(wú)線技術(shù)在冶金行業(yè)的推廣奠定了基礎(chǔ)。
ISA100.11a協(xié)議由美國(guó)儀器儀表(ISA)下屬的工業(yè)無(wú)線委員會(huì)制定,以用戶需求為導(dǎo)向,希望工業(yè)無(wú)線設(shè)備以低復(fù)雜度、合理的成本和低能耗、適當(dāng)?shù)耐ㄐ潘俾蕽M足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用,是第一個(gè)開放的、面向于多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。
該協(xié)議定義了五種類型的設(shè)備角色:上位機(jī)控制系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)、骨干路由器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、手持設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓?fù)?。ISA100.11a協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)7層模型為基礎(chǔ)。其關(guān)鍵技術(shù)如同步的時(shí)隙通信、跳信道、時(shí)間同步和路由等有效的保證了網(wǎng)絡(luò)的健康運(yùn)行。ISA100.11a構(gòu)建骨干網(wǎng),可以更直接地?zé)o線傳遞數(shù)據(jù)信息,減少無(wú)線傳輸跳數(shù),在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)優(yōu)勢(shì)更加突出。骨干網(wǎng)路減少和避免了多跳網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸部確定時(shí)不可靠、高風(fēng)險(xiǎn)、能耗大等問(wèn)題。對(duì)于非自身的數(shù)據(jù)包需要在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時(shí),ISA100.11a也提供了有效的措施與之共存并傳遞數(shù)據(jù)包,從而能很好的與現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議兼容。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)平面圖
對(duì)于上述的無(wú)線設(shè)備在冶金現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了先后兩次的實(shí)地測(cè)試,對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的不可預(yù)測(cè)的問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在很多不可確定因素如:1)手臺(tái)的使用頻率較高;2)鋼錠鋼帶的強(qiáng)紅外輻射;3)電焊機(jī)等機(jī)械的大量使用;4)現(xiàn)場(chǎng)的各種紅外等檢測(cè)設(shè)備;5)大型電機(jī)的強(qiáng)磁干擾?,F(xiàn)場(chǎng)以大型設(shè)備為主以及很多的可移動(dòng)設(shè)備,均會(huì)對(duì)設(shè)備的通信過(guò)程造成一定的影響,故需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的位置做針對(duì)性的規(guī)劃和調(diào)整,適當(dāng)規(guī)避障礙。圖1為現(xiàn)場(chǎng)車間的簡(jiǎn)圖。
測(cè)試中,YTA系列設(shè)備為國(guó)外某知名公司已投放市場(chǎng)產(chǎn)品,WF系列及網(wǎng)關(guān)為所研發(fā)設(shè)備。針對(duì)熱軋車間具體的空間位置,將網(wǎng)關(guān)放置于電氣室,通過(guò)以太網(wǎng)連接上位機(jī),通過(guò)界面程序觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。將YTA-49和一臺(tái)WF設(shè)備至于常關(guān)閉的主傳動(dòng)控制室內(nèi),與網(wǎng)關(guān)之間有三堵輕體墻和精軋機(jī)組的阻礙。WF001和YTA-N至于層流冷卻另側(cè),WF002和003分別至于飛剪機(jī)和粗軋2號(hào)機(jī)頂。圖2為設(shè)備在7個(gè)小時(shí)內(nèi)的通信情況。
從數(shù)據(jù)中可以看出在常關(guān)閉的主電氣傳動(dòng)控制室內(nèi)的YTA-N設(shè)備能與網(wǎng)關(guān)建立通信,但通信狀況較差,丟包率較高,安全性和穩(wěn)定性不能得到保障,而位于同一位置的WF設(shè)備不能搜索并加入網(wǎng)絡(luò)中,因此在監(jiān)測(cè)界面中沒(méi)有此設(shè)備信息。WF001設(shè)備至于層流冷卻側(cè),雖能與網(wǎng)關(guān)良好通信,但其重加入網(wǎng)絡(luò)的次數(shù)為4次,即水流對(duì)其通信有一定的干擾,相比較國(guó)外設(shè)備則無(wú)此影響。其他兩臺(tái)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間可視傳輸,丟包率均較低,通信情況良好。
通過(guò)對(duì)前期測(cè)試的通信結(jié)果分析,認(rèn)為前期WF設(shè)備存在著運(yùn)行過(guò)程中會(huì)自動(dòng)離開網(wǎng)絡(luò)和出現(xiàn)干擾離開網(wǎng)絡(luò),在離開網(wǎng)絡(luò)后重新加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間變長(zhǎng)。因此設(shè)備的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的健壯性不能保證;測(cè)試中設(shè)備的電量消耗不均,有些路由設(shè)備電量消耗過(guò)快。針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了修改優(yōu)化。主要修改策略如下:
圖2 設(shè)備通信情況
圖3 修改后WF系列設(shè)備狀態(tài)
圖4 新一代國(guó)外產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)
修改了ISA100協(xié)議中規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)確認(rèn)包即HRCO數(shù)據(jù)幀的接發(fā)機(jī)制,在確保網(wǎng)絡(luò)健康性的基礎(chǔ)上降低了對(duì)算法資源的消耗。
修改算法對(duì)正在加入網(wǎng)絡(luò)但未能正確加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理機(jī)制,增加對(duì)已離開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的算法資源回收機(jī)制,對(duì)多設(shè)備加入時(shí)的算法資源分配進(jìn)行了改進(jìn),對(duì)已加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的算法資源進(jìn)行了優(yōu)化。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備大部分是不需移動(dòng)的,而冶金現(xiàn)場(chǎng)是24小時(shí)生產(chǎn),因此就需要無(wú)線系統(tǒng)的節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)壽命有著較為嚴(yán)格的要求。增加路由算法的能量均衡機(jī)制,協(xié)調(diào)利用處于關(guān)鍵路由位置的節(jié)點(diǎn),提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
分別將優(yōu)化后的WF設(shè)備依次置于層流區(qū),飛剪機(jī),加熱爐、精軋傳動(dòng),粗軋傳動(dòng),卷取機(jī)機(jī)腳處,同時(shí)將新一代的國(guó)外設(shè)備同時(shí)置于加熱爐處,測(cè)試1星期得到的測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。
WF系列的3號(hào)設(shè)備與YTA同置于離網(wǎng)關(guān)200多米處的加熱爐出口處,與網(wǎng)關(guān)間較空曠,但有鋼培的熱輻射影響,從測(cè)試結(jié)果中可以看出WF設(shè)備比國(guó)外設(shè)備要有更好的穩(wěn)定性和通信質(zhì)量,WF設(shè)備沒(méi)有出現(xiàn)前期測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的無(wú)法加入網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象,且丟包率(PER)較低,測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)重新加入的情況;而國(guó)外設(shè)備在相同測(cè)試時(shí)間內(nèi)還是會(huì)出現(xiàn)設(shè)備的重啟以及較高的丟包率。在前期測(cè)試中因?qū)恿魉挠绊懚斐稍O(shè)備離線的情況和因墻體的阻礙和電機(jī)影響而造成的設(shè)備離線情況也均未出現(xiàn),且都具有較低的丟包率。
無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度在穿越墻體和大型機(jī)械時(shí)都會(huì)有相應(yīng)的衰減,而現(xiàn)場(chǎng)有些需要測(cè)量的區(qū)域較為狹小、封閉。而WF系列設(shè)備在有較多的障礙物時(shí),通信距離會(huì)相應(yīng)減小,就會(huì)造成有些區(qū)域內(nèi)的設(shè)備無(wú)法加入網(wǎng)絡(luò),此時(shí)需要針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)和應(yīng)用環(huán)境適當(dāng)?shù)臄[放部分路由角色設(shè)備,從而組建成多跳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),但跳數(shù)越多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)延時(shí)性和不穩(wěn)定性較大,一般在車間內(nèi)推薦兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),除特殊區(qū)域外,星型網(wǎng)絡(luò)能覆蓋整個(gè)的工業(yè)車間,滿足現(xiàn)場(chǎng)的各種需監(jiān)測(cè)的環(huán)境,形成穩(wěn)定、實(shí)時(shí)且安全性較高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
從以上數(shù)據(jù)可以看出,基于ISA100.11a協(xié)議和冶金環(huán)境所開發(fā)出的設(shè)備擁有與國(guó)外設(shè)備相接近的運(yùn)行能力,在某些性能上猶有過(guò)之,但在成本上比國(guó)外設(shè)備具有很大的優(yōu)勢(shì)。研制出的設(shè)備具有較強(qiáng)的穿透性以及抗干擾能力,能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)反饋給上位系統(tǒng),而且移動(dòng)性較好,安裝、拆卸都比較便捷。能協(xié)助對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè),幫助現(xiàn)場(chǎng)人員更早地發(fā)現(xiàn)一些惡性事故的發(fā)生,減少因設(shè)備故障造成的損失。但此次設(shè)備還缺少更為長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)使用體驗(yàn),對(duì)長(zhǎng)期環(huán)境下的設(shè)備健康度和電池使用壽命等缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著對(duì)ISA100.11a協(xié)議的進(jìn)一步針對(duì)性優(yōu)化,會(huì)使得設(shè)備的成本進(jìn)一步下降,為大規(guī)模的使用與推廣打下更優(yōu)的前提。
[1]劉揚(yáng),曾鵬,尚志軍,等.基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)的儲(chǔ)油罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,3(5):444-447.
[2]張建奇,黨洪濤,工業(yè)無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)ISA1001.11a概述[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2012,31(11):33-36.
[3]王平,王泉.工業(yè)無(wú)線技術(shù)ISA100.11a的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)儀器儀表,2009,10:59-63.
[4]霍尼韋爾過(guò)程控制部.工業(yè)無(wú)線在煉廠等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽,2010,10:48-49.
[5]王恒,楊麗華,王平.基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012,4.