來(lái)源：ProSoft Mechanical failure of motors, drives and other vital electromechanical equipment are among the most common reasons for production stoppages. Fortunately, recent advancements in vibration monitoring and data analysis have lead to condition monitoring systems that can accurately detect a problem before failure, thus reducing costly machine shutdowns and maximizing production output. These systems are installed on the monitored equipment and are typically networked back to a central computer for data analysis and alarm annunciation. Because the machines may be in remote locations where network infrastructure is not available, or on moving platforms where hardwired network connectivity is not practical, wireless communications is a networking alternative that offer installation cost savings, quicker deployment and even improved reliability in certain situations. 電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及其他重要的機(jī)電設(shè)備的機(jī)械故障是工廠停產(chǎn)的最常見(jiàn)原因。幸而，在震動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)上的改進(jìn)使環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在故障發(fā)生前準(zhǔn)確地探測(cè)到設(shè)備問(wèn)題，因此能降低設(shè)備停止造成的昂貴成本，進(jìn)而使產(chǎn)量最大化。無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在機(jī)電設(shè)備上，常與中心計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和報(bào)警。因?yàn)闄C(jī)器可能安裝在不能提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的遠(yuǎn)程位置，或安裝在硬接線網(wǎng)絡(luò)連接不現(xiàn)實(shí)的移動(dòng)式平臺(tái)上，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在一定環(huán)境下提供節(jié)省成本的、快速應(yīng)用的甚至更高可靠性的替代解決方案。 實(shí)施的挑戰(zhàn) 在很多工業(yè)領(lǐng)域，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采購(gòu)很容易用簡(jiǎn)單的投資回報(bào)周期計(jì)算來(lái)證明是正確的。對(duì)相對(duì)固定的成本來(lái)說(shuō)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可改進(jìn)重要設(shè)備以降低運(yùn)行故障。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不能提供或應(yīng)用不現(xiàn)實(shí)時(shí)，要考慮額外的成本。額外成本包括安裝光纖、設(shè)計(jì)/安裝管道、建筑物之間挖溝、遠(yuǎn)程站點(diǎn)租用電話線、安裝移動(dòng)式設(shè)備的懸掛或滑環(huán)等。這些額外成本導(dǎo)致投資回報(bào)周期延長(zhǎng)，以致超出管理層接受的范圍。 如果監(jiān)測(cè)設(shè)備在工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不能達(dá)到的遠(yuǎn)程位置，必須安裝電纜。在工廠內(nèi)安裝電纜的成本隨工廠的類型和布局不同而相差很大。例如，研究表明在化工廠安裝電纜的平均成本是$120/米，而在核電站高達(dá)$6,000/米。實(shí)際電纜成本由設(shè)備位置相對(duì)于現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、需要的電纜類型（例如光纖）、導(dǎo)管設(shè)計(jì)（如果需要）、勞動(dòng)力費(fèi)率和挖溝（如果需要）決定。 如果設(shè)備在幾千米外或更遠(yuǎn)的位置，需要租用電話線。租用電話線的成本常包括初始開(kāi)通/安裝費(fèi)和根據(jù)服務(wù)速度的月租。因?yàn)檎饎?dòng)監(jiān)測(cè)具有連續(xù)性、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，因此電話線服務(wù)必須支持足夠高的速度。對(duì)遠(yuǎn)程站點(diǎn)（例如泵站）的電話線服務(wù)由于差的電話線質(zhì)量容易導(dǎo)致通信故障，因此必須考慮可靠性。無(wú)線單元式服務(wù)通常是遠(yuǎn)程站點(diǎn)的一種選擇，但是受到可靠性和速度的限制。單元式數(shù)據(jù)采集成本也非常昂貴。 如果設(shè)備安裝在移動(dòng)式平臺(tái)（例如行車、轉(zhuǎn)運(yùn)車、搬運(yùn)系統(tǒng)）上，連接環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)非常具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)平臺(tái)行進(jìn)的速度和距離，可用傳統(tǒng)的接線方法（例如懸掛）。然而，懸掛受制于磨壞和撕裂，當(dāng)電纜斷路時(shí)，懸掛自身的可靠性值得關(guān)注。對(duì)旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)來(lái)說(shuō)，可采用支持以太網(wǎng)的滑環(huán)，但是成本昂貴且需要周期性的維護(hù)。某些設(shè)備移動(dòng)的非?？煲灾卢F(xiàn)實(shí)的通信方法僅能采用無(wú)線RF(無(wú)線電)。 假如網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)，則無(wú)線通信提供低的安裝成本（縮短投資回報(bào)周期），消除電話線和以前不現(xiàn)實(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本。但是無(wú)線技術(shù)和設(shè)備在工業(yè)安裝中性能和可靠性差異很大。設(shè)計(jì)一個(gè)成功的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求檢查當(dāng)前的無(wú)線應(yīng)用、RF路徑和工廠的環(huán)境挑戰(zhàn)。 工業(yè)無(wú)線技術(shù) 連接到無(wú)線以太網(wǎng)最常用的方法是在擴(kuò)展頻譜帶中用射頻(RF)傳輸。在大多數(shù)國(guó)家，2.4 GHz 和 5.8 GHz兩個(gè)頻段是不需授權(quán)即可使用的。 擴(kuò)展頻譜字面上意思是把射頻（RF）能量擴(kuò)展到整個(gè)頻譜或大部分頻譜。當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行在噪聲環(huán)境下，即多個(gè)射頻（RF）系統(tǒng)存在時(shí)，這種技術(shù)允許高速通信。有兩種主要的擴(kuò)展射頻（RF）的方法：直接序列和跳頻。這兩種工業(yè)無(wú)線通信擴(kuò)展射頻（RF）的方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。 直接序列是在一個(gè)波段中使用寬信道同時(shí)調(diào)制高度編碼的位格式，見(jiàn)圖1。 圖1.直接序列波形 當(dāng)寬信道允許復(fù)雜調(diào)制方案的發(fā)送時(shí)，直接序列提供最快的擴(kuò)展頻譜數(shù)據(jù)速率。正交頻域調(diào)制（OFDM）是一種具有快速數(shù)據(jù)速率的復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，它廣泛用于支持射頻數(shù)據(jù)速率高達(dá)54 Mbps的IEEE 802.11g規(guī)范。 圖2.802.11b 直接序列信道 直接序列是由所有流行的、開(kāi)放的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE 802.11b、802.11g（兩種都在2.4 GHz頻段中傳輸）和802.11a（在5.8 GHz頻段中傳輸）所使用的一種傳輸方式。 圖3. 非重疊 802.11b 信道 由于工廠內(nèi)信道的重疊和Wi-Fi系統(tǒng)的流行，擁擠和惡劣的射頻環(huán)境下的波段常導(dǎo)致不好的無(wú)線性能。 跳頻是一種用于工業(yè)系統(tǒng)的流行的技術(shù)，因?yàn)樗歇?dú)特的噪聲隔離技術(shù)。不像直接序列，跳頻是在頻譜中使用很多小的信道，快速的改變信道或在信道間跳躍。 圖4.跳頻信道 通過(guò)集成錯(cuò)誤校驗(yàn)技術(shù)，當(dāng)發(fā)送器使用不同的信道重復(fù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包直到接收到響應(yīng)，跳頻為成功的數(shù)據(jù)傳輸提供最大的可能。 跳頻的缺點(diǎn)是：它比直接序列慢，即有更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)延遲。但是如果在應(yīng)用中數(shù)據(jù)速率足夠快，特別是，如果在將來(lái)擴(kuò)展更多的RF系統(tǒng)時(shí)，則很難降低跳頻的可靠性。 跳頻貓（modem）是專用的，即每個(gè)制造商使用他們自己的技術(shù)，導(dǎo)致供應(yīng)商X通常不能和供應(yīng)商Y通信。對(duì)商業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)潛在的缺陷。它在工業(yè)系統(tǒng)中能令人滿意有兩個(gè)原因：安全和與無(wú)線IT系統(tǒng)隔離。 因?yàn)樘l技術(shù)不是基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，制造商能使用獨(dú)特的認(rèn)證程序和復(fù)雜的加密技術(shù)。當(dāng)在Wi-Fi系統(tǒng)中用WPA和WPA2標(biāo)準(zhǔn)非常大地改進(jìn)安全時(shí)，黑客會(huì)連續(xù)尋找漏洞?，F(xiàn)在，許多工業(yè)Wi-Fi產(chǎn)品都包括一種通過(guò)非傳輸自己的SSID標(biāo)志去隱藏訪問(wèn)點(diǎn)的選項(xiàng)。這項(xiàng)技術(shù)有效地隱藏訪問(wèn)點(diǎn)以致黑客不能訪問(wèn)系統(tǒng)。 跳頻也使工廠管理人員有能力操作自己的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以隔離IT部門的網(wǎng)絡(luò)。由于802.11技術(shù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的流行，對(duì)工業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，倉(cāng)庫(kù)條形碼系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，專用跳頻系統(tǒng)可能是在部門經(jīng)理間保持和諧的最好的選擇。 無(wú)線與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成 大部分環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有以太網(wǎng)通信接口選項(xiàng)。如果考慮數(shù)據(jù)速率（帶寬）和數(shù)據(jù)延遲的話，以太網(wǎng)是最容易接受的接口。 當(dāng)監(jiān)測(cè)多個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備時(shí)，這些考慮將變成現(xiàn)實(shí)。當(dāng)保持足夠的數(shù)據(jù)速率時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)RF網(wǎng)絡(luò)有效實(shí)現(xiàn)所有遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通信非常重要。如果遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)量非常大，為最大化每個(gè)系統(tǒng)的性能，最好安裝隔離的RF系統(tǒng)。 設(shè)備地點(diǎn)和建筑物結(jié)構(gòu)決定天線的布置，這也許是考慮多RF系統(tǒng)的另一個(gè)原因。當(dāng)創(chuàng)建自愈網(wǎng)絡(luò)時(shí)，許多工業(yè)系統(tǒng)為幫助RF信號(hào)傳播也支持?jǐn)?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。最終，用于工業(yè)安裝的專門設(shè)計(jì)的無(wú)線設(shè)備非常重要。檢查的關(guān)鍵的規(guī)范是RF輸出功率（越高越好）、運(yùn)行溫度、內(nèi)嵌診斷、危險(xiǎn)認(rèn)證（如果需要）以及，也許是最重要的，能進(jìn)行工業(yè)聯(lián)網(wǎng)的人員水平。 無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用例子 對(duì)生產(chǎn)非常重要的機(jī)電設(shè)備工業(yè)領(lǐng)域幾乎都能受益于遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)。一些無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，包括廢水處理廠的泵、油/氣鉆探平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)器、汽車廠的生產(chǎn)線上的驅(qū)動(dòng)器以及冶金廠的行車，都特別有效。 一個(gè)特別令人感興趣的應(yīng)用是電廠冷卻風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)。一個(gè)燃媒火電廠想監(jiān)測(cè)安裝在冷卻塔上的冷卻風(fēng)機(jī)。冷卻風(fēng)機(jī)安裝在到處存在熱蒸汽的惡劣環(huán)境下。當(dāng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)，有時(shí)在用電高峰期間，不得不關(guān)閉冷卻塔讓技術(shù)人員修理，從而降低電廠的發(fā)電量。通過(guò)安裝環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電廠能在非用電高峰期間關(guān)閉冷卻塔以定期修理風(fēng)機(jī)。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很容易安裝，除非冷卻塔缺少以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。拉光纖的成本估計(jì)超過(guò)$100,000，要6個(gè)多月才能安裝完畢。電廠使用無(wú)線以太網(wǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：僅花一小段光纖的成本，在三周內(nèi)即可裝完。安裝進(jìn)行的非常順利，系統(tǒng)已可靠性的運(yùn)行超過(guò)5年，見(jiàn)圖5。 圖5. 無(wú)線冷卻塔應(yīng)用 總結(jié) 震動(dòng)分析技術(shù)的進(jìn)步能在很大程度上改進(jìn)工廠生產(chǎn)的現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。不幸的是，這些設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)成本非常高或不現(xiàn)實(shí)。工業(yè)無(wú)線技術(shù)提供獨(dú)立于硬接線聯(lián)網(wǎng)的另一種方法，具有低的成本和更好的可靠性。但是，必須注意：選擇最好的技術(shù)和無(wú)線硬件確保建立一個(gè)成功的系統(tǒng)。 關(guān)于作者 Jim Ralston，具有超過(guò)10年的工業(yè)無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在是ProSoft 技術(shù)公司的無(wú)線通信銷售工程師。Jim居住在美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡，詳情可聯(lián)系：jralston@psft.com