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)用過去需要花費高昂成本，而現(xiàn)在可以通過無線技術(shù)變得經(jīng)濟可行。讓我們來舉2個例子，一個是對安全噴淋進行連續(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)備費用高昂或技術(shù)上無法實現(xiàn)的困境。例如監(jiān)測旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐的溫度或是在嚴酷工況中測量過程參數(shù)。操作人員還可通過無線技術(shù)從難以到達的區(qū)域獲得遠程信息，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)保持有效和及時的通訊。例如，現(xiàn)場操作人員和維護人員可在現(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)實時的工作指令進行操作，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)，采用標準的WiFi通訊協(xié)議和先進的定位引擎，對廠區(qū)內(nèi)的人員和設(shè)備進行跟蹤。這項功能提高了人員和工廠資產(chǎn)的安全性，優(yōu)化了對危險區(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出危險場所和禁區(qū)的情況。

艾默生的位置跟蹤系統(tǒng)是專門為危險環(huán)境而設(shè)計的，采用標準的WiFi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳遞實時的位置信息。位置信號接受器、激勵器和RFID標簽可精確地監(jiān)測采礦廠內(nèi)的人員和設(shè)備位置，WiFi、超寬帶、GPS、阻塞點（choke-pint）以及RFID等技術(shù)都被整合到同一個網(wǎng)絡(luò)中。尋找設(shè)備的時間大大節(jié)省了，由于檢修、突發(fā)事件和新的工程項目引起的生產(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)無法實現(xiàn)的。與派遣人員進行現(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，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通訊能夠促進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時信息。

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，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，它的投資成本要低于其它通訊方式。

　　目標 /結(jié)果

無線方案的可靠性、低安裝成本和工業(yè)級安全標準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、減少非計劃停車。無線技術(shù)還具有以下優(yōu)勢：

　　可以從無法到達的測點獲取更多更好的數(shù)據(jù)
更快地響應(yīng)設(shè)備故障
進一步了解過程狀況
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，同時降低運行成本、維護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標準，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準化無線設(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)測維護軟件的設(shè)備診斷信息，工作人員能夠確定設(shè)備何時需要維護，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通訊標準，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標準于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)計的。WirelessHART被著名的咨詢公司ARC譽為自動化3大趨勢之一。

WirelessHART 設(shè)備只需很小的帶寬，就能達到很高的通訊性能。無線通訊采用的是經(jīng)過驗證的工業(yè)技術(shù)，并且在設(shè)計時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，不讓任何一個信號點出現(xiàn)問題。網(wǎng)絡(luò)中每臺設(shè)備都可以是一個連接點，它們會自動尋找最佳的通訊路徑，如果出現(xiàn)臨時障礙擋住通訊路徑，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)傳遞的可靠性達到99%以上。

在規(guī)劃無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)時，無需預(yù)先對無線電頻率進行現(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重要技術(shù)指標。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，電池的使用時間取決于設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)的頻率。當前的電池技術(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標準，采用網(wǎng)狀WiFi技術(shù)，以經(jīng)濟的成本為工廠運行搭建戶外無線網(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、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，安全是一個重要考慮因素。幸運的是，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)傳輸都進行加密和用戶授權(quán)，所采用的安全標準和協(xié)議均符合802.11i、WPA2和AES。

　　無線工廠網(wǎng)絡(luò)的另一個要求就是可靠。采用智能化的路徑協(xié)議來建立和維護無線網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)提供自愈合、自修復(fù)和抗干擾等功能。遠程接入點可在網(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)備無法到達的區(qū)域、危險區(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)時間，甚至可預(yù)測即將發(fā)生的問題，從而避免非計劃停車。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。與點到點的無線系統(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)了臨時的還是永久性的障礙，都不會影響通訊。事實上，自組織無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可實現(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標準最大的好處。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個方面：

　　必須新增加的測量點
希望增加的測量點

　　為了滿足環(huán)境和安全法規(guī)，有時必須增加新的測點，例如根據(jù)法律要求測量遠程區(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?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。

　　希望增加的測點是指以前需要花費高昂成本才能實現(xiàn)的測量，通常情況，在建設(shè)過程工廠時，往往有一些設(shè)計好的測量點因成本原因，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，從這些測量點獲取信息也隨即成為可能。

　　以前，技術(shù)人員需要定時前往現(xiàn)場記錄遠程設(shè)備的測量讀數(shù)，這樣做很費時。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行連續(xù)監(jiān)測，同時將數(shù)據(jù)傳至艾默生智能無線網(wǎng)關(guān)，使用至今運行良好，除了暴雨及極端惡劣天氣外，網(wǎng)絡(luò)的可靠性達到了100%。

　　另一個典型案例是對旋轉(zhuǎn)設(shè)備進行連續(xù)振動監(jiān)測，過去唯一獲取數(shù)據(jù)進行分析的途徑是定時去現(xiàn)場記錄，新的無線振動監(jiān)測設(shè)備可實現(xiàn)對遠程電機和泵的進一步掌控，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原因是希望獲得閥門的狀態(tài)信息。對于在運行過程中的控制閥，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行良好。例如，閥門的行程偏差是無法通過外部觀察進行判斷的，除非是借助智能閥門控制器或?qū)㈤y門拆下，當偏差超過5%而且持續(xù)5秒以上才可以斷定有故障了。

　　對于處在偏遠或難以到達地區(qū)的閥門來說，無線無疑是最佳的也是最經(jīng)濟的一種提高響應(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%的安裝費用，這使得無線的應(yīng)用到了越來越多的關(guān)注。