無(wú)線技術(shù)提高采礦效率的研究

　　無(wú)線方案的成本結(jié)構(gòu)讓人驚嘆，用戶對(duì)于它帶來(lái)的節(jié)省可以一目了然--- 由于沒(méi)有了接線和相關(guān)的工程及文檔費(fèi)用，無(wú)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(guò)去需要花費(fèi)高昂成本，而現(xiàn)在可以通過(guò)無(wú)線技術(shù)變得經(jīng)濟(jì)可行。讓我們來(lái)舉2個(gè)例子，一個(gè)是對(duì)安全噴淋進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，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(cè)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(wú)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的困境。例如監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐的溫度或是在嚴(yán)酷工況中測(cè)量過(guò)程參數(shù)。操作人員還可通過(guò)無(wú)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(duì)微波工業(yè)中監(jiān)測(cè)及控制設(shè)備的無(wú)線頻率研究顯示，正是無(wú)線通訊的這些特性推動(dòng)了工業(yè)無(wú)線應(yīng)用的升溫，他們認(rèn)為工業(yè)無(wú)線的應(yīng)用在2007年到2012年之間將以每年19%的速度增長(zhǎng)。

　　無(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

    采用無(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)，工廠中的移動(dòng)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(chǎng)操作人員和維護(hù)人員可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)筆記本電腦或掌上電腦無(wú)線訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。在現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(wú)線跟蹤系統(tǒng)就能自動(dòng)識(shí)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(chǎng)所和禁區(qū)的情況。

    艾默生的位置跟蹤系統(tǒng)是專門(mén)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(hào)接受器、激勵(lì)器和RFID標(biāo)簽可精確地監(jiān)測(cè)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(guò)無(wú)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。與派遣人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡視相比，無(wú)線高數(shù)據(jù)流視頻系統(tǒng)是一種更快、更簡(jiǎn)單而且成本更低的過(guò)程監(jiān)視方法。

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

    語(yǔ)音無(wú)線局域網(wǎng)更適合于移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)車(chē)和停車(chē)階段的溝通和協(xié)調(diào)。語(yǔ)音IP電話使現(xiàn)場(chǎng)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(hào)，救援小組也能立刻收到實(shí)時(shí)信息。

    語(yǔ)音無(wú)線局域網(wǎng)使無(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)的使用得到了推進(jìn)，它可以提供語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)，而無(wú)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(wú)線方案的可靠性、低安裝成本和工業(yè)級(jí)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(guò)無(wú)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(chē)。無(wú)線技術(shù)還具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　可以從無(wú)法到達(dá)的測(cè)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(guò)程狀況 
　　無(wú)需電纜和接線，降低安裝成本 
　　降低維護(hù)成本 
　　對(duì)于變化的響應(yīng)更靈活 
　　據(jù)分析，采用無(wú)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(wú)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(wú)線設(shè)備和控制系統(tǒng)于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)供應(yīng)商。艾默生不僅能提供智能無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而且還提供智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)，它能夠接收至多99臺(tái)變送器發(fā)送的信息，并將這些信息集成到自動(dòng)化系統(tǒng)中。此外，通過(guò)AMS Suite預(yù)測(cè)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(wú)線技術(shù)，艾默生推出了SmartPack無(wú)線啟動(dòng)包，它配置了基本的無(wú)線變送器、一臺(tái)智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)和調(diào)試自組織無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的說(shuō)明書(shū)，有了這些就能搭建起一個(gè)功能齊備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)了。

　　無(wú)線的定義

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

    無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)- 具有自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)基于WirelessHART通訊標(biāo)準(zhǔn)，安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)勘查，可輕松獲取測(cè)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(huì)成員公司共同通過(guò)，它是專為過(guò)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(dòng)化3大趨勢(shì)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(wú)線通訊采用的是經(jīng)過(guò)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(chǎng)儀表的相互通訊提供了平臺(tái)，最大限度地確保了網(wǎng)絡(luò)的集成，不讓任何一個(gè)信號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)中每臺(tái)設(shè)備都可以是一個(gè)連接點(diǎn)，它們會(huì)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)建立新的通訊路徑繼續(xù)傳遞信號(hào)，使數(shù)據(jù)傳遞的可靠性達(dá)到99%以上。

    在規(guī)劃無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無(wú)需預(yù)先對(duì)無(wú)線電頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，自組織網(wǎng)絡(luò)可令通訊暢通無(wú)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(wú)線設(shè)備都可設(shè)置成省電模式，以延長(zhǎng)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(cè)量?jī)x器，可使大多數(shù)應(yīng)用于溫度和液位測(cè)量的無(wú)線設(shè)備電池壽命延長(zhǎng)到10年。無(wú)線工廠結(jié)構(gòu)非常經(jīng)濟(jì)而且可方便地將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與自動(dòng)化系統(tǒng)或資產(chǎn)管理進(jìn)行整合。無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)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(chē)、船支及卡車(chē)等移動(dòng)平臺(tái)上，用以收集過(guò)程信息，這是有線設(shè)備無(wú)法做到的。 

　　無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)為各種固定和移動(dòng)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(guò)程監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)跟蹤、視頻監(jiān)視、音頻通訊等。典型的無(wú)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(wú)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(wú)線工廠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。為了防止無(wú)線竅聽(tīng)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(wú)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(lái)建立和維護(hù)無(wú)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(wú)線電頻率的干擾，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量最大化。

　　問(wèn)答 

　　無(wú)線到底可以做什么？在有線設(shè)備無(wú)法到達(dá)的區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域，沒(méi)有電源或是無(wú)法布線的區(qū)域，無(wú)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(duì)設(shè)備故障的響應(yīng)時(shí)間，甚至可預(yù)測(cè)即將發(fā)生的問(wèn)題，從而避免非計(jì)劃停車(chē)。隨之帶來(lái)的好處還包括更多地了解過(guò)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(wú)線技術(shù)為獲取有用信息提供了更為有效和簡(jiǎn)單的方法。例如，工作人員可在任何地方訪問(wèn)和操作各種數(shù)據(jù)；可對(duì)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(wèn)都經(jīng)過(guò)授權(quán)；攝像頭不但用來(lái)監(jiān)測(cè)圍墻，還可監(jiān)測(cè)過(guò)程。無(wú)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(guò)程狀況。 

　　無(wú)線數(shù)據(jù)是否可靠？任何一種無(wú)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(wú)線系統(tǒng)不同，艾默生的智能無(wú)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(wú)線設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間無(wú)論是出現(xiàn)了臨時(shí)的還是永久性的障礙，都不會(huì)影響通訊。事實(shí)上，自組織無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線設(shè)備曾用來(lái)監(jiān)測(cè)卸船用海上瀝青輸送管道上的加熱裝置；在西弗吉尼亞，無(wú)線設(shè)備抵御了軋鋼機(jī)的高溫和潮濕。無(wú)論面對(duì)怎樣的挑戰(zhàn)，無(wú)線裝置的可靠性始終高于90%。 

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

　　無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 

　　目前無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要應(yīng)用于以下2個(gè)方面：

　　必須新增加的測(cè)量點(diǎn) 
　　希望增加的測(cè)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(cè)點(diǎn)，例如根據(jù)法律要求測(cè)量遠(yuǎn)程區(qū)域的流量、儲(chǔ)罐液位以及排污質(zhì)量。法規(guī)的制定者不會(huì)考慮因此帶來(lái)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(cè)排放到河道的冷卻水溫度，這時(shí)只需一臺(tái)羅斯蒙特?zé)o線變送器就能監(jiān)測(cè)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(wú)線網(wǎng)關(guān)上。 

　　希望增加的測(cè)點(diǎn)是指以前需要花費(fèi)高昂成本才能實(shí)現(xiàn)的測(cè)量，通常情況，在建設(shè)過(guò)程工廠時(shí)，往往有一些設(shè)計(jì)好的測(cè)量點(diǎn)因成本原因，最終就不連了，但之后，操作人員還是會(huì)覺(jué)得有很多參數(shù)需要連續(xù)測(cè)量，以提高工廠性能。由于無(wú)線設(shè)備的安裝不需高昂的成本，從這些測(cè)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(chǎng)記錄遠(yuǎn)程設(shè)備的測(cè)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(duì)加熱溶出液的熱交換爐進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)防止內(nèi)部結(jié)圬，然而過(guò)去獲得數(shù)據(jù)的速度不夠快，而且現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄儀無(wú)法對(duì)異常狀況進(jìn)行提示，也不能提供趨勢(shì)信息。安裝無(wú)線壓力變送器后，可對(duì)4臺(tái)溶出液加熱裝置之間的壓差進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳至艾默生智能無(wú)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(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，過(guò)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(chǎng)記錄，新的無(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程電機(jī)和泵的進(jìn)一步掌控，這將有望成為無(wú)線在采礦行業(yè)的主要應(yīng)用。 

　　無(wú)線閥位監(jiān)測(cè)器在礦石加工中也起到了積極的作用，在很多工廠中，閥門(mén)都是手動(dòng)操作或半自動(dòng)的，基本無(wú)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(huì)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(wú)線通訊功能的另一個(gè)原因是希望獲得閥門(mén)的狀態(tài)信息。對(duì)于在運(yùn)行過(guò)程中的控制閥，由于無(wú)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(mén)的行程偏差是無(wú)法通過(guò)外部觀察進(jìn)行判斷的，除非是借助智能閥門(mén)控制器或?qū)㈤y門(mén)拆下，當(dāng)偏差超過(guò)5%而且持續(xù)5秒以上才可以斷定有故障了。 

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