無線技術(shù)提高采礦效率的研究

無線方案的成本結(jié)構(gòu)讓人驚嘆，用戶對于它帶來的節(jié)省可以一目了然--- 由于沒有了接線和相關(guān)的工程及文檔費(fèi)用，無線方案與有線方案相比，可節(jié)省90%以上的安裝成本。 許多應(yīng)用過去需要花費(fèi)高昂成本，而現(xiàn)在可以通過無線技術(shù)變得經(jīng)濟(jì)可行。讓我們來舉2個(gè)例子，一個(gè)是對安全噴淋進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，以提示操作人員其是否處于可用狀態(tài)；另一個(gè)是監(jiān)測臭氣，以確保排放符合環(huán)境法規(guī)。

在許多應(yīng)用案例中，無線變送器可解決以往安裝有線設(shè)備費(fèi)用高昂或技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)的困境。例如監(jiān)測旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐的溫度或是在嚴(yán)酷工況中測量過程參數(shù)。操作人員還可通過無線技術(shù)從難以到達(dá)的區(qū)域獲得遠(yuǎn)程信息，大大提高了工作的靈活性。

根據(jù)Venture Development公司在2008年底對微波工業(yè)中監(jiān)測及控制設(shè)備的無線頻率研究顯示，正是無線通訊的這些特性推動了工業(yè)無線應(yīng)用的升溫，他們認(rèn)為工業(yè)無線的應(yīng)用在2007年到2012年之間將以每年19%的速度增長。

　　無線工廠網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

采用無線工廠網(wǎng)絡(luò)，工廠中的移動作業(yè)人員能夠始終與控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)保持有效和及時(shí)的通訊。例如，現(xiàn)場操作人員和維護(hù)人員可在現(xiàn)場通過筆記本電腦或掌上電腦無線訪問過程數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。在現(xiàn)場的工作人員還可以根據(jù)實(shí)時(shí)的工作指令進(jìn)行操作，利用過程數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)排除故障；直接把工作報(bào)告存檔；獲取材料和設(shè)備的條形碼信息。這一切都將提高工廠工作人員的工作效率，尤其是采礦廠，工作人員通常都在現(xiàn)場工作。

位置跟蹤。位置跟蹤融合了多種視頻技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)的WiFi通訊協(xié)議和先進(jìn)的定位引擎，對廠區(qū)內(nèi)的人員和設(shè)備進(jìn)行跟蹤。這項(xiàng)功能提高了人員和工廠資產(chǎn)的安全性，優(yōu)化了對危險(xiǎn)區(qū)域重要設(shè)備的管理。如果發(fā)布了緊急撤離指令，無線跟蹤系統(tǒng)就能自動識別和記錄有哪些工作人員已經(jīng)趕到召集站了。這種功能還可用于記錄工作人員進(jìn)出危險(xiǎn)場所和禁區(qū)的情況。

艾默生的位置跟蹤系統(tǒng)是專門為危險(xiǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，采用標(biāo)準(zhǔn)的WiFi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳遞實(shí)時(shí)的位置信息。位置信號接受器、激勵(lì)器和RFID標(biāo)簽可精確地監(jiān)測采礦廠內(nèi)的人員和設(shè)備位置，WiFi、超寬帶、GPS、阻塞點(diǎn)（choke-pint）以及RFID等技術(shù)都被整合到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。尋找設(shè)備的時(shí)間大大節(jié)省了，由于檢修、突發(fā)事件和新的工程項(xiàng)目引起的生產(chǎn)中斷和延遲也將顯著減少。

關(guān)鍵業(yè)務(wù)的視頻文件可通過無線技術(shù)靈活地傳送到控制室、辦公室和其它地方，這是有線技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。與派遣人員進(jìn)行現(xiàn)場巡視相比，無線高數(shù)據(jù)流視頻系統(tǒng)是一種更快、更簡單而且成本更低的過程監(jiān)視方法。

語音無線局域網(wǎng)可支持無線工廠網(wǎng)絡(luò)的移動語音通訊。IP電話的使用就像一般的手機(jī)，只不過通話是采用網(wǎng)絡(luò)語音協(xié)議通過無線工廠網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。

語音無線局域網(wǎng)更適合于移動的現(xiàn)場作業(yè)人員接受工作指令和緊急命令。管理人員和操作人員之間的即時(shí)通訊能夠促進(jìn)開車和停車階段的溝通和協(xié)調(diào)。語音IP電話使現(xiàn)場人員能夠始終保持聯(lián)絡(luò)，一旦發(fā)生緊急情況，可立即發(fā)送求救信號，救援小組也能立刻收到實(shí)時(shí)信息。

語音無線局域網(wǎng)使無線工廠網(wǎng)絡(luò)的使用得到了推進(jìn)，它可以提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，而無需支付網(wǎng)絡(luò)月租費(fèi)，它的投資成本要低于其它通訊方式。

　　目標(biāo) /結(jié)果

無線方案的可靠性、低安裝成本和工業(yè)級安全標(biāo)準(zhǔn)吸引了諸多采礦企業(yè)。和其它工業(yè)企業(yè)一樣，他們希望通過無線技術(shù)降低成本、提高效率和生產(chǎn)能力、減少非計(jì)劃停車。無線技術(shù)還具有以下優(yōu)勢：

　　可以從無法到達(dá)的測點(diǎn)獲取更多更好的數(shù)據(jù)
更快地響應(yīng)設(shè)備故障
進(jìn)一步了解過程狀況
無需電纜和接線，降低安裝成本
降低維護(hù)成本
對于變化的響應(yīng)更靈活
據(jù)分析，采用無線技術(shù)可提高質(zhì)量、產(chǎn)量和效率，同時(shí)降低運(yùn)行成本、維護(hù)成本以及安全健康環(huán)保的管理成本。

　　如何起步

大多數(shù)儀表供應(yīng)商都支持WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，并可為采礦企業(yè)的無線應(yīng)用提供服務(wù)。艾默生是目前唯一一家能夠提供集標(biāo)準(zhǔn)化無線設(shè)備和控制系統(tǒng)于一體的自動化系統(tǒng)供應(yīng)商。艾默生不僅能提供智能無線現(xiàn)場設(shè)備，而且還提供智能無線網(wǎng)關(guān)，它能夠接收至多99臺變送器發(fā)送的信息，并將這些信息集成到自動化系統(tǒng)中。此外，通過AMS Suite預(yù)測維護(hù)軟件的設(shè)備診斷信息，工作人員能夠確定設(shè)備何時(shí)需要維護(hù)，從而方便地管理工廠設(shè)備。

為了讓感興趣的用戶不需要做太多投資就能體驗(yàn)無線技術(shù)，艾默生推出了SmartPack無線啟動包，它配置了基本的無線變送器、一臺智能無線網(wǎng)關(guān)和調(diào)試自組織無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的說明書，有了這些就能搭建起一個(gè)功能齊備的無線網(wǎng)絡(luò)了。

　　無線的定義

無線技術(shù)可在以下兩大方面對采礦業(yè)產(chǎn)生重大影響：基于傳感器和現(xiàn)場儀表的無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用于業(yè)務(wù)管理的工廠網(wǎng)絡(luò)。

無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)- 具有自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)基于WirelessHART通訊標(biāo)準(zhǔn)，安裝簡便，無需現(xiàn)場勘查，可輕松獲取測量和診斷數(shù)據(jù)。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)于2007年9月由200多家HART通訊基金會成員公司共同通過，它是專為過程工業(yè)，包括采礦業(yè)而設(shè)計(jì)的。WirelessHART被著名的咨詢公司ARC譽(yù)為自動化3大趨勢之一。

WirelessHART 設(shè)備只需很小的帶寬，就能達(dá)到很高的通訊性能。無線通訊采用的是經(jīng)過驗(yàn)證的工業(yè)技術(shù)，并且在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了安全性和可靠性。其自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場儀表的相互通訊提供了平臺，最大限度地確保了網(wǎng)絡(luò)的集成，不讓任何一個(gè)信號點(diǎn)出現(xiàn)問題。網(wǎng)絡(luò)中每臺設(shè)備都可以是一個(gè)連接點(diǎn)，它們會自動尋找最佳的通訊路徑，如果出現(xiàn)臨時(shí)障礙擋住通訊路徑，鄰近的設(shè)備會自動建立新的通訊路徑繼續(xù)傳遞信號，使數(shù)據(jù)傳遞的可靠性達(dá)到99%以上。

在規(guī)劃無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無需預(yù)先對無線電頻率進(jìn)行現(xiàn)場勘查，自組織網(wǎng)絡(luò)可令通訊暢通無阻，尤其在金屬密度很高的工廠環(huán)境中，自組織網(wǎng)絡(luò)更可以大顯伸手。

　　電池壽命也是需要考慮的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。所有無線設(shè)備都可設(shè)置成省電模式，以延長其使用壽命，電池的使用時(shí)間取決于設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)的頻率。當(dāng)前的電池技術(shù)結(jié)合了能效測量儀器，可使大多數(shù)應(yīng)用于溫度和液位測量的無線設(shè)備電池壽命延長到10年。無線工廠結(jié)構(gòu)非常經(jīng)濟(jì)而且可方便地將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與自動化系統(tǒng)或資產(chǎn)管理進(jìn)行整合。無線現(xiàn)場設(shè)備可廣泛分布在工廠的邊緣地區(qū)，穿越公路、河道或安裝在鐵路槽車、船支及卡車等移動平臺上，用以收集過程信息，這是有線設(shè)備無法做到的。

　　無線工廠網(wǎng)絡(luò)基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，采用網(wǎng)狀WiFi技術(shù)，以經(jīng)濟(jì)的成本為工廠運(yùn)行搭建戶外無線網(wǎng)絡(luò)。無線工廠網(wǎng)絡(luò)為各種固定和移動應(yīng)用提供了安全、高帶寬、可靠和靈活的獲取信息的方式，如過程監(jiān)測、資產(chǎn)跟蹤、視頻監(jiān)視、音頻通訊等。典型的無線工廠結(jié)構(gòu)一般由網(wǎng)狀接入點(diǎn)、局域網(wǎng)控制器和網(wǎng)絡(luò)管理軟件組成。

　　在使用無線工廠網(wǎng)絡(luò)時(shí)，安全是一個(gè)重要考慮因素。幸運(yùn)的是，應(yīng)用于工業(yè)的無線工廠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。為了防止無線竅聽和其它外部攻擊，所有數(shù)據(jù)傳輸都進(jìn)行加密和用戶授權(quán)，所采用的安全標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議均符合802.11i、WPA2和AES。

　　無線工廠網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)要求就是可靠。采用智能化的路徑協(xié)議來建立和維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)提供自愈合、自修復(fù)和抗干擾等功能。遠(yuǎn)程接入點(diǎn)可在網(wǎng)絡(luò)中選擇最佳通訊路徑，降低無線電頻率的干擾，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量最大化。

　　問答

　　無線到底可以做什么？在有線設(shè)備無法到達(dá)的區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域，沒有電源或是無法布線的區(qū)域，無線設(shè)備可以更快更方便地進(jìn)行安裝。由此獲取的數(shù)據(jù)將縮短工作人員對設(shè)備故障的響應(yīng)時(shí)間，甚至可預(yù)測即將發(fā)生的問題，從而避免非計(jì)劃停車。隨之帶來的好處還包括更多地了解過程狀況和更高的工廠性能，最終達(dá)到了節(jié)省成本提高效率的目的。

　　無線技術(shù)為獲取有用信息提供了更為有效和簡單的方法。例如，工作人員可在任何地方訪問和操作各種數(shù)據(jù)；可對廠區(qū)內(nèi)的人員和設(shè)備進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視；安全系統(tǒng)確保所有訪問都經(jīng)過授權(quán)；攝像頭不但用來監(jiān)測圍墻，還可監(jiān)測過程。無線技術(shù)以方便經(jīng)濟(jì)地方式讓工作人員更好地了解過程狀況。

　　無線數(shù)據(jù)是否可靠？任何一種無線系統(tǒng)的可靠性都取決于其信息的傳遞能力，尤其是遇到設(shè)備故障或視線距離路徑被阻擋的情況。與點(diǎn)到點(diǎn)的無線系統(tǒng)不同，艾默生的智能無線方案采用的是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它的通訊路徑不是唯一的，而是冗余的，這就大大提高了通訊的可靠性，在無線設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間無論是出現(xiàn)了臨時(shí)的還是永久性的障礙，都不會影響通訊。事實(shí)上，自組織無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)99%以上的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

　　無線設(shè)備是否適用于采礦和礦石加工這種嚴(yán)酷工況？艾默生的無線設(shè)備已成功應(yīng)用于加拿大北部的油砂控制，這是全球環(huán)境最惡劣的地方之一；在澳大利亞無線設(shè)備曾用來監(jiān)測卸船用海上瀝青輸送管道上的加熱裝置；在西弗吉尼亞，無線設(shè)備抵御了軋鋼機(jī)的高溫和潮濕。無論面對怎樣的挑戰(zhàn)，無線裝置的可靠性始終高于90%。

　　對于采礦和礦石加工工業(yè)，無線是否具有足夠的靈活性？開放性是WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)最大的好處。無論是供應(yīng)商還是最終用戶都可以對無線產(chǎn)品及其應(yīng)用進(jìn)行有益的創(chuàng)新和開發(fā)。

　　無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

　　目前無線現(xiàn)場設(shè)備主要應(yīng)用于以下2個(gè)方面：

　　必須新增加的測量點(diǎn)
希望增加的測量點(diǎn)

　　為了滿足環(huán)境和安全法規(guī)，有時(shí)必須增加新的測點(diǎn)，例如根據(jù)法律要求測量遠(yuǎn)程區(qū)域的流量、儲罐液位以及排污質(zhì)量。法規(guī)的制定者不會考慮因此帶來的挑戰(zhàn)，他們只關(guān)心是否符合法規(guī)。

　　位于阿拉巴馬的一家煉油廠需要監(jiān)測排放到河道的冷卻水溫度，這時(shí)只需一臺羅斯蒙特?zé)o線變送器就能監(jiān)測回流水溫，以確保排放符合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)，并連續(xù)地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c集散控制系統(tǒng)相連的無線網(wǎng)關(guān)上。

　　希望增加的測點(diǎn)是指以前需要花費(fèi)高昂成本才能實(shí)現(xiàn)的測量，通常情況，在建設(shè)過程工廠時(shí)，往往有一些設(shè)計(jì)好的測量點(diǎn)因成本原因，最終就不連了，但之后，操作人員還是會覺得有很多參數(shù)需要連續(xù)測量，以提高工廠性能。由于無線設(shè)備的安裝不需高昂的成本，從這些測量點(diǎn)獲取信息也隨即成為可能。

　　以前，技術(shù)人員需要定時(shí)前往現(xiàn)場記錄遠(yuǎn)程設(shè)備的測量讀數(shù)，這樣做很費(fèi)時(shí)。例如在一家礦石加工廠內(nèi)，需要對加熱溶出液的熱交換爐進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測防止內(nèi)部結(jié)圬，然而過去獲得數(shù)據(jù)的速度不夠快，而且現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄儀無法對異常狀況進(jìn)行提示，也不能提供趨勢信息。安裝無線壓力變送器后，可對4臺溶出液加熱裝置之間的壓差進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳至艾默生智能無線網(wǎng)關(guān)，使用至今運(yùn)行良好，除了暴雨及極端惡劣天氣外，網(wǎng)絡(luò)的可靠性達(dá)到了100%。

　　另一個(gè)典型案例是對旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)振動監(jiān)測，過去唯一獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的途徑是定時(shí)去現(xiàn)場記錄，新的無線振動監(jiān)測設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程電機(jī)和泵的進(jìn)一步掌控，這將有望成為無線在采礦行業(yè)的主要應(yīng)用。

　　無線閥位監(jiān)測器在礦石加工中也起到了積極的作用，在很多工廠中，閥門都是手動操作或半自動的，基本無法進(jìn)行監(jiān)控，受成本和地理位置等限制，更談不上提供診斷信息了，由于錯(cuò)誤的閥位會引發(fā)安全事故，因此設(shè)備診斷非常重要。

　　給控制閥增加無線通訊功能的另一個(gè)原因是希望獲得閥門的狀態(tài)信息。對于在運(yùn)行過程中的控制閥，由于無法看到控制閥的內(nèi)部情況，所以不能判斷它是否運(yùn)行良好。例如，閥門的行程偏差是無法通過外部觀察進(jìn)行判斷的，除非是借助智能閥門控制器或?qū)㈤y門拆下，當(dāng)偏差超過5%而且持續(xù)5秒以上才可以斷定有故障了。

　　對于處在偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)地區(qū)的閥門來說，無線無疑是最佳的也是最經(jīng)濟(jì)的一種提高響應(yīng)速度和過程效率的通訊方法。與有線方案相比，無線方案可節(jié)省90%的安裝費(fèi)用，這使得無線的應(yīng)用到了越來越多的關(guān)注。