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        基于ISA100.11a協(xié)議的工業(yè)無線應(yīng)用在冶金行業(yè)的研究與測試

        2014-10-10 09:45:26凌韋偉
        制造業(yè)自動化 2014年15期
        關(guān)鍵詞:冶金網(wǎng)關(guān)無線

        凌韋偉,李 靜

        LING Wei-wei, LI Jing

        (北京科技大學(xué) 高效軋制國家工程中心,北京 100083)

        0 引言

        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電纜,而工業(yè)無線傳感器成本低、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性和擴(kuò)展性好、便于維護(hù),有著得天獨厚的優(yōu)勢;另外,在一些易燃、易爆、有毒物質(zhì)的檢測中,采用工業(yè)無線傳感器將會更加安全[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,有時需要對已投產(chǎn)的生產(chǎn)線采集新的工藝參數(shù)作為參考,或因設(shè)備故障需臨時增添一個測試點,傳統(tǒng)的有線方式會帶來較大的人力和資金成本輸出;同時對于冶金行業(yè)的廠區(qū)耗費(fèi)較多人工成本的定時巡檢,工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)都提供了一種新的解決途徑。

        現(xiàn)下國內(nèi)外有很多針對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究,但因沒有一個國際統(tǒng)一的工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)而沒有推廣應(yīng)用[2],本文以國際上使用率最高的ISA100.11a協(xié)議為核心,針對冶金行業(yè)高溫、高濕、高危、高灰塵、震動、不間斷生產(chǎn)等一系列冶金特有工業(yè)環(huán)境設(shè)計的適冶金行業(yè)的無線設(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)場進(jìn)行測試,取得較好的性能結(jié)果,為工業(yè)無線技術(shù)在冶金行業(yè)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

        1 ISA100.11a協(xié)議概述

        ISA100.11a協(xié)議由美國儀器儀表(ISA)下屬的工業(yè)無線委員會制定,以用戶需求為導(dǎo)向,希望工業(yè)無線設(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)場的應(yīng)用,是第一個開放的、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)洹SA100.11a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)如同步的時隙通信、跳信道、時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,減少無線傳輸跳數(shù),在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時優(yōu)勢更加突出。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)傳輸部確定時不可靠、高風(fēng)險、能耗大等問題。對于非自身的數(shù)據(jù)包需要在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸時,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)場協(xié)議兼容。

        圖1 現(xiàn)場平面圖

        2 現(xiàn)場無線設(shè)備應(yīng)用效果

        對于上述的無線設(shè)備在冶金現(xiàn)場進(jìn)行了先后兩次的實地測試,對測試中出現(xiàn)的不可預(yù)測的問題進(jìn)行針對性的優(yōu)化改進(jìn)?,F(xiàn)場環(huán)境存在很多不可確定因素如:1)手臺的使用頻率較高;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)場的各種紅外等檢測設(shè)備;5)大型電機(jī)的強(qiáng)磁干擾。現(xiàn)場以大型設(shè)備為主以及很多的可移動設(shè)備,均會對設(shè)備的通信過程造成一定的影響,故需對現(xiàn)場的位置做針對性的規(guī)劃和調(diào)整,適當(dāng)規(guī)避障礙。圖1為現(xiàn)場車間的簡圖。

        2.1 前期測試方案與結(jié)果

        測試中,YTA系列設(shè)備為國外某知名公司已投放市場產(chǎn)品,WF系列及網(wǎng)關(guān)為所研發(fā)設(shè)備。針對熱軋車間具體的空間位置,將網(wǎng)關(guān)放置于電氣室,通過以太網(wǎng)連接上位機(jī),通過界面程序觀測實時數(shù)據(jù)。將YTA-49和一臺WF設(shè)備至于常關(guān)閉的主傳動控制室內(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號機(jī)頂。圖2為設(shè)備在7個小時內(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)測界面中沒有此設(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,即水流對其通信有一定的干擾,相比較國外設(shè)備則無此影響。其他兩臺設(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。

        2.2 測試問題的分析及相應(yīng)修改策略

        通過對前期測試的通信結(jié)果分析,認(rèn)為前期WF設(shè)備存在著運(yùn)行過程中會自動離開網(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)的時間變長。因此設(shè)備的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的健壯性不能保證;測試中設(shè)備的電量消耗不均,有些路由設(shè)備電量消耗過快。針對出現(xiàn)的問題進(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)上降低了對算法資源的消耗。

        修改算法對正在加入網(wǎng)絡(luò)但未能正確加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理機(jī)制,增加對已離開網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的算法資源回收機(jī)制,對多設(shè)備加入時的算法資源分配進(jìn)行了改進(jìn),對已加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的算法資源進(jìn)行了優(yōu)化。

        工業(yè)現(xiàn)場無線設(shè)備大部分是不需移動的,而冶金現(xiàn)場是24小時生產(chǎn),因此就需要無線系統(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,提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

        2.3 修改后的設(shè)備測試情況

        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,粗軋傳動,卷取機(jī)機(jī)腳處,同時將新一代的國外設(shè)備同時置于加熱爐處,測試1星期得到的測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

        WF系列的3號設(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,從測試結(jié)果中可以看出WF設(shè)備比國外設(shè)備要有更好的穩(wěn)定性和通信質(zhì)量,WF設(shè)備沒有出現(xiàn)前期測試時出現(xiàn)的無法加入網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象,且丟包率(PER)較低,測試過程中沒有出現(xiàn)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)重新加入的情況;而國外設(shè)備在相同測試時間內(nèi)還是會出現(xiàn)設(shè)備的重啟以及較高的丟包率。在前期測試中因?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。

        無線信號的強(qiáng)度在穿越墻體和大型機(jī)械時都會有相應(yīng)的衰減,而現(xiàn)場有些需要測量的區(qū)域較為狹小、封閉。而WF系列設(shè)備在有較多的障礙物時,通信距離會相應(yīng)減小,就會造成有些區(qū)域內(nèi)的設(shè)備無法加入網(wǎng)絡(luò),此時需要針對不同的現(xiàn)場和應(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)能覆蓋整個的工業(yè)車間,滿足現(xiàn)場的各種需監(jiān)測的環(huán)境,形成穩(wěn)定、實時且安全性較高的無線網(wǎng)絡(luò)。

        3 結(jié)束語

        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)備擁有與國外設(shè)備相接近的運(yùn)行能力,在某些性能上猶有過之,但在成本上比國外設(shè)備具有很大的優(yōu)勢。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、實時地將數(shù)據(jù)反饋給上位系統(tǒng),而且移動性較好,安裝、拆卸都比較便捷。能協(xié)助對現(xiàn)場生產(chǎn)線的監(jiān)測,幫助現(xiàn)場人員更早地發(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)備還缺少更為長期的現(xiàn)場使用體驗,對長期環(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ISA100.11a協(xié)議的進(jìn)一步針對性優(yōu)化,會使得設(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)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)的儲油罐監(jiān)測系統(tǒng)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報,2011,3(5):444-447.

        [2]張建奇,黨洪濤,工業(yè)無線關(guān)鍵技術(shù)ISA1001.11a概述[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2012,31(11):33-36.

        [3]王平,王泉.工業(yè)無線技術(shù)ISA100.11a的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國儀器儀表,2009,10:59-63.

        [4]霍尼韋爾過程控制部.工業(yè)無線在煉廠等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].自動化博覽,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)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2012,4.

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