美国斯坦福德水污染防治公司(SWPCA)最近升级了其工厂的无线网络系统以及监控和数据采集系统（SCADA），这是一项为期5年，耗资4700万美元的改善计划的一部分。
　　SWPCA公司运营管理着一个具有2,400万加仑/天处理能力的污水厂。该厂通过总计长达275英里的收集系统，为20,000名纳税人服务，涉及排放区域近12,000英亩。过去两年，SWPCA公司董事会已经同意升级工厂，并促进员工参与运营政策的制定。升级后，工厂的工艺流程及能源利用效率都得到提高，运营成本也在逐步降低。
　　升级污水处理流程，使污水厂的运行能够满足美国州政府最新的排放要求。升级换代现有SCADA系统：分布式控制单元以及相关的通讯设备将被替换或升级。
　　在升级换代中，覆盖全厂的无线网络是目标之一，这样就可以将无线现场设备集成到过程控制网络而不需要费用昂贵的布线。
　　工厂现有布线和管道系统的状况已经纳入考虑。由于工厂恶劣的环境，有些布线和管道处于年久失修或者是退化的状态。现场情况包括从破损、金属退化以及将PVC管和接线盒接入到过分拥挤的管道和受损的电线等各种情况。低压系统，包括通讯和仪表，是受损最严重的部分。
　　表格1：有线和无线连接的费用比较

■ 无线应用为斯坦福德水污染防治公司的升级改造项目节约了大量的费用，从30,200美元降低到5,420美元。本文所有图标和图片来源：SWPCA公司。

　　SWPCA公司决定探索与过程仪表接口的其它途径，以便消除由于物理接线所带来的高昂成本，包括维修或更换的费用。无线技术所具有的先进功能，以及实施这样的无线系统可以带来的成本节省，使得在市政污水处理环境下采用无线系统变得具有可行性，SWPCA公司董事会于2014年2月批准了该工程。

图1: 此图展示了SWPCA公司的厂区布置图。了解布局对于无线网络的设计至关重要。

　　无线系统的设计
　　项目的第一步首先是要验证概念，以及验证无线网络在类似污水处理厂这样严酷的环境下的可连接性能。目标是设计一个在工厂范围内满足IEEE 802.11标准的WLAN网络，为无线仪表、通用网络资源接入和安全等提供通讯。无线设备的选择标准是基于设备的可靠性、可用性、是否易于管理以及是否满足开放标准。
　　典型的污水处理厂非常适合无线传播。各种处理工艺所需要的罐子一般布置在地面，或者即使抬升到高于地平面，也是在同一水平；这就为视距传输提供了广阔、没有障碍的开放空间。几个高架构筑物为收发器提供了非常好的安装位置，这进一步改善了本已有利的传输环境。钢筋混凝土结构可能会导致信号衰减和射频死区。正确的网络结构可以尽可能减少其影响。

图2: SWPCA公司的WiFi覆盖范围预测图，展示了
厂区布置图和无线接入点（AP）位置以及预期的信号强度。

　　设计时非常重要的一点是系统要开放，也就是说，不能是专用封闭的，就像广泛采用的工业以太网（IEEE 802.3 以太网）一样。需要非专用的电缆、软件或接口，以满足系统增加或扩展的要求；基本上就是“即插即用”型。IEEE 802.11 WLAN标准的发展及完善，使得全厂范围的无线网络成为未来工厂通讯扩展的最佳选择之一。
　　但是，在仪表层并没有现成的标准，各种各样的低层级通讯协议正在争取成为标准。这些通讯协议的“半-专有”性质意味着一般需要专门电缆和电缆标准、单独的接口和驱动器、专用的测试设备、经培训的设计人员以及技术员。所有这些都会增加项目费用，无论是在项目开始前的准备阶段、执行阶段、还是在实施完成后的收尾阶段。

图3：SWPCA工厂现场安装的WiFi接入点并不是厂区的最高点。

　　WLAN遵循开放标准IEEE 802.11 WiFi。在实施时，并没有仪表具有IEEE 802.11通讯功能。为了和现场仪表接口，需要一个机柜用于模拟量信号接线并将其转换成所需的IEEE 802.11无线信号；实施所需的时间和费用基本上抵消了无线所带来的好处。
　　另外一个无线系统，使用智能网关和模块来实现仪表层的无线通讯。HART（可寻址远程传感器高速通道）是众所周知的仪表层有线通讯方案。利用HART可以对现场设备进行远程管理；无线传感器与具有HART功能的仪表使用，这就产生了WirelessHART。该系统遵循IEEE 802.15（个人区域网络）标准，在仪表间组建一个单独的网络。

图4：SWPCA工厂控制室内的有线接入点不需要安装在屋顶上。

　　选择该系统，因其便于将现有仪表集成到无线系统中，只需较少的接线工作以及工厂电气人员的介入。收发器串联安装到现有的电流回路中，由回路供电。仪表层网状结构可以主动的重复从任何设备收到的信号，发送到网关。该功能可以完美的与整个系统的概念相匹配。即使遵循了标准，大多数仪表，在某种程度上都是专有的。每个仪表或设备内部，物理或电气特性对设备的功能来讲，都是独特的。

图5：SWPCA工厂内压力和液位仪表配有无线接收器。

　　该项目的目标是尽可能地使用开放系统以便于未来的扩展。由于WLAN系统的使用日益广泛，IEEE 802.11结构将会成为标准特性；新仪表或移动设备将可以更容易的连接到网络，即使需要配置，也会非常少。
　　成本和效率分析
　　在考量升级改造项目时，成本是一个主要因素。成本的节约不容忽视。数据采集是探索在这种环境下使用无线技术的原因之一。可以预见的是，最终安装的系统将在安全性、集成到计算机维护管理系统的可行性、实现低成本或无成本场内通讯、全厂范围内操作人员的移动性方面具有更多的选择和便利性。
　　所有这些应用都会带来更高的效率和运行成本的降低。使用无线通讯系统所节省的成本，可以用于更换失效的布线系统，并将其升级到更先进的系统。
　　被选择做试验台的异味控制系统拥有一个便利条件：距离控制室大概有330英尺，这样就可以在无线和有线两种技术间做同类比较（一个以太网网段被限制在328英尺或100米内）。
　　实验发现，达到同样的连接功能，所有环节都算上的话（设备、设计、管理、IT和安装），采用无线连接费用最多为5,420美元。与之相较，有线连接系统需要30,200美元。仅仅是这种简单的连接所节省的费用就接近25,000美元，节约了总费用的83%。如果工厂有4条有线线路，那么替换为无线后节省的费用更加明显。
　　此外，有线操作系统的安装完工时间大概需要两周左右，而无线系统只需要两天时间。有线系统只能在两点之间连接，无线系统则可以与多个仪表和移动客户端连接。
　　与传统的有线连接相比，无线连接的安装不是劳动密集型的。无线连接需要两个户外防护等级为IP68的无线接入点（AP）；一个AP安装在控制室户外的墙上，另外一个则安装在异味控制系统的洗涤塔维护平台上；两个距离地面的高度都约为12英尺。两个AP都可以实现PoE（以太网供电），所以单线即可，利用CAT5电缆穿过建筑物的墙，提供数据和电源。在异味控制系统那一侧，配置了PoE发射器，为AP提供电源。
　　在异味控制系统中安装了5个变送器。其中3个安装在洗涤塔上的污水液位、pH/ORP(氧化还原电位)、以及差压（DP）测量装置上，为验证提供实时信号。另外两个变送器则安装在其它两个区域以提供额外的网点。安装非常简单，不需要特殊的工具或设备，工厂人员安装，所需的时间不超过3个小时。没有网线连接到位于洗涤塔的传感器网络；AP完全依赖无线网络来实现通讯。洗涤塔上的AP主要负责和洗涤塔仪表的通讯。
　　一旦通电，AP就会自动组成一个网状网络，开始实现数据交换和控制流量。每个AP都有一个秘钥，可以使AP自动配置到网状网络中。至少有一个设备应该通过有线连接到网络中。如果没有有线连接，要实现和维护安全接入到有线网络资源非常困难。
　　利用无线网络在线管理系统，通过两个无线网络接入点，在数分钟内就可完成管理仪表盘的填充。当网管/热点完成配置和供电后，就会出现在管理接口的用户清单上。网络的安装和设置，包括解决网络协议的转换问题，所需要的时间不超过两天。在这样的应用场合，类似的有线网络安装、配置估计可能需要两周的时间。

图6： WirelessHART (IEEE 802.15) 到WiFi (IEEE 802.11) 的
接口显示了网络在SWPCA公司内的覆盖范围。

　　无线通讯的实现
　　AP为双频段：2.4 GHz ISM 频段和5 GHz UNII 频段。为实现可靠性和可连接性目标，设计人员提出在两个AP上使用工业、科学和医疗（ISM）所用的通信频段来实现局部连接（仪表和移动客户端），同时，从异味控制系统返回信号到控制室则使用UNII频段。UNII频段并没有广泛使用，因此具有较安静的射频环境。这种方案消除了对周围的家庭和商业造成电磁干扰的可能性，因为他们使用ISM频段来实现WLAN连接的可能性比较大。UNII频段可以实现较高的可靠性，并且受到外界射频干扰的可能性比较小。
　　当影响到IEEE 802.15 设备和IEEE 802.11 AP，即从WiHART 到 WiFi之间通讯的时候，这个项目就比较有意思了。需要将来自仪表的数据从IEEE 802.15 WirelessHART协议转换成IEEE 802.11 WiFi数据流，以便通过无线回传，将过程数据传递给控制室。仪表层的接收器与IEEE802.15智能网关通讯，将数据转换成符合IEEE 802.3以太网协议的数据，然后经由有线网络连接到符合IEEE 802.11n的工业WiFi 热点，来实现与洗涤塔AP的通讯。
　　在两个系统之间，安装了一个“转换网桥”，这样洗涤塔AP就可以通过无线方式将数据发送给控制室。以简单形式呈现在网关的主页上的数据，会定时更新。接收到的没有错误的数据，与现有仪表所展现的过程数据一致。
　　最初，智能网关只能简单的与现有工厂网络骨干网接口并连接到现有的SCADA系统中。由于网状网结构以及其可以组建较大规模的网络，这个系统在生产制造以及炼油企业内的过程监控中获得了广泛的应用。然而，这个网络只能使用一种通信协议，基于IEEE 802.15标准协议的WirelessHART来传输数据。如果所有仪表均使用同一种通信协议和传输标准，那结果就是网络非常具有鲁棒性。在这种情况下，非常重要的一点就是维持和使用WLAN 802.11作为主要网络来实现除了数据采集之外的其它额外功能。
　　表2：有线与无线通讯之性能比较

■ SWPCA公司期望，随着时间的推移，无线网络
以其不易退化、可扩展、灵活性等特性使得工厂节约更多成本。

　　无线网络的性能和覆盖范围
　　在设计阶段，另外一个关注点是：射频溢出到周围邻居，并对周围的家庭和商业环境中的WLAN造成干扰，尤其是在ISM波段。工厂面积大约为800×1200英尺。AP大概在整个区域的中心，两个AP的WiFi网络可以有效的覆盖60%的厂区。在实施前，工程人员做了一个前瞻性的测试工作，并没有发现所关注的溢出区域。信号在围栏附近减弱。覆盖范围与预测吻合的很好；在现场使用移动电话原装接收信号强度指示器以及不同厂商的平板电脑进行了粗略调查，所有情况都和预测图相吻合。
　　系统的仪表段经过验证，并且数据也经过验证是可靠而准确的，然后就有几个班长被授予网络接入权限，并被要求“试着破坏它” 。从最初的担忧，运行人员开始赞赏系统的移动能力。在很多运行领域，系统被认为是稳定而有效的，性能也十分可靠。在整个覆盖区域内，视频性能（指导和信息视频）都比较可靠、流畅。在移动设备端，对智能网关和OCS仪表的远程访问也比较容易实现。即使在覆盖区域的边缘地带，因特网接入也能保持无错和可靠。
　　当系统达到650 MBPS的吞吐量时，被监视数据所占的带宽也非常低。根据一般的经验法则，过程数据变化的越快，所需要的带宽也就越高。异味控制系统的过程数据变化比较缓慢，经常是几个小时才能观察到变化。因此，在很大程度上，系统并没有被充分利用，这样网络通讯资源就可以用于执行其它任务。
　　经过6个月的运行，对系统进行初步评估的结果是：在稳定性和性能方面，升级后的系统已经超过了期望。来自异味控制系统的过程数据准确、可靠。工厂区域的覆盖范围具有令人吃惊的鲁棒性和可预测性，而且没有差错。工厂人员对系统的接受以及他们对使用网络的期望，使得接下来能够在实际环境中对其进行测试。测试并没有遇到大的困难或者缺陷，因此对扩展网络及其利用不会造成障碍。
　　如果实施恰当，无线应用会使工厂永不过时，这样就可以和未来的升级换代实现无缝整合，并且将投资降低到最小。将无线技术集成到工厂控制网络及系统中，可以减少资金开支和运行费用，降低用户的费用，尤其对于市政设施来说是一个值得期待的目标，最终必将惠及广大纳税人。（作者：Daniel Capano）