來源：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、驅動器以及其他重要的機電設備的機械故障是工廠停產的最常見原因。幸而，在震動監測和數據分析技術上的改進使環境監測系統能在故障發生前準確地探測到設備問題，因此能降低設備停止造成的昂貴成本，進而使產量最大化。無線環境監測系統安裝在機電設備上，常與中心計算機聯網以實現數據分析和報警。因為機器可能安裝在不能提供網絡基礎設施的遠程位置，或安裝在硬接線網絡連接不現實的移動式平臺上，無線通信網絡在一定環境下提供節省成本的、快速應用的甚至更高可靠性的替代解決方案。 實施的挑戰 在很多工業領域，環境監測系統的采購很容易用簡單的投資回報周期計算來證明是正確的。對相對固定的成本來說，環境監測系統可改進重要設備以降低運行故障。然而，當網絡基礎設施不能提供或應用不現實時，要考慮額外的成本。額外成本包括安裝光纖、設計/安裝管道、建筑物之間挖溝、遠程站點租用電話線、安裝移動式設備的懸掛或滑環等。這些額外成本導致投資回報周期延長，以致超出管理層接受的范圍。 如果監測設備在工廠內網絡基礎設施不能達到的遠程位置，必須安裝電纜。在工廠內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$6,000/米。實際電纜成本由設備位置相對于現存網絡基礎設施、需要的電纜類型（例如光纖）、導管設計（如果需要）、勞動力費率和挖溝（如果需要）決定。 如果設備在幾千米外或更遠的位置，需要租用電話線。租用電話線的成本常包括初始開通/安裝費和根據服務速度的月租。因為震動監測具有連續性、數據量大的特點，因此電話線服務必須支持足夠高的速度。對遠程站點（例如泵站）的電話線服務由于差的電話線質量容易導致通信故障，因此必須考慮可靠性。無線單元式服務通常是遠程站點的一種選擇，但是受到可靠性和速度的限制。單元式數據采集成本也非常昂貴。 如果設備安裝在移動式平臺（例如行車、轉運車、搬運系統）上，連接環境監測系統到廠級網絡非常具有挑戰性。根據平臺行進的速度和距離，可用傳統的接線方法（例如懸掛）。然而，懸掛受制于磨壞和撕裂，當電纜斷路時，懸掛自身的可靠性值得關注。對旋轉的平臺來說，可采用支持以太網的滑環，但是成本昂貴且需要周期性的維護。某些設備移動的非常快以致現實的通信方法僅能采用無線RF(無線電)。 假如網絡環境監測系統面臨挑戰，則無線通信提供低的安裝成本（縮短投資回報周期），消除電話線和以前不現實的遠程監測設備的成本。但是無線技術和設備在工業安裝中性能和可靠性差異很大。設計一個成功的無線網絡要求檢查當前的無線應用、RF路徑和工廠的環境挑戰。 工業無線技術 連接到無線以太網最常用的方法是在擴展頻譜帶中用射頻(RF)傳輸。在大多數國家，2.4 GHz 和 5.8 GHz兩個頻段是不需授權即可使用的。 擴展頻譜字面上意思是把射頻（RF）能量擴展到整個頻譜或大部分頻譜。當設計的系統運行在噪聲環境下，即多個射頻（RF）系統存在時，這種技術允許高速通信。有兩種主要的擴展射頻（RF）的方法：直接序列和跳頻。這兩種工業無線通信擴展射頻（RF）的方法都有優缺點。 直接序列是在一個波段中使用寬信道同時調制高度編碼的位格式，見圖1。 圖1.直接序列波形 當寬信道允許復雜調制方案的發送時，直接序列提供最快的擴展頻譜數據速率。正交頻域調制（OFDM）是一種具有快速數據速率的復雜的調制技術，它廣泛用于支持射頻數據速率高達54 Mbps的IEEE 802.11g規范。 圖2.802.11b 直接序列信道 直接序列是由所有流行的、開放的Wi-Fi標準，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 由于工廠內信道的重疊和Wi-Fi系統的流行，擁擠和惡劣的射頻環境下的波段常導致不好的無線性能。 跳頻是一種用于工業系統的流行的技術，因為它有獨特的噪聲隔離技術。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 通過集成錯誤校驗技術，當發送器使用不同的信道重復地發送數據包直到接收到響應，跳頻為成功的數據傳輸提供最大的可能。 跳頻的缺點是：它比直接序列慢，即有更長的數據延遲。但是如果在應用中數據速率足夠快，特別是，如果在將來擴展更多的RF系統時，則很難降低跳頻的可靠性。 跳頻貓（modem）是專用的，即每個制造商使用他們自己的技術，導致供應商X通常不能和供應商Y通信。對商業系統來說，這是一個潛在的缺陷。它在工業系統中能令人滿意有兩個原因：安全和與無線IT系統隔離。 因為跳頻技術不是基于開放標準，制造商能使用獨特的認證程序和復雜的加密技術。當在Wi-Fi系統中用WPA和WPA2標準非常大地改進安全時，黑客會連續尋找漏洞。現在，許多工業Wi-Fi產品都包括一種通過非傳輸自己的SSID標志去隱藏訪問點的選項。這項技術有效地隱藏訪問點以致黑客不能訪問系統。 跳頻也使工廠管理人員有能力操作自己的無線網絡以隔離IT部門的網絡。由于802.11技術對無線網絡訪問的流行，對工業系統來說，倉庫條形碼系統和視頻監控系統，專用跳頻系統可能是在部門經理間保持和諧的最好的選擇。 無線與環境監測系統集成 大部分環境監測系統都有以太網通信接口選項。如果考慮數據速率（帶寬）和數據延遲的話，以太網是最容易接受的接口。 當監測多個遠程設備時，這些考慮將變成現實。當保持足夠的數據速率時，設計一個RF網絡有效實現所有遠程站點的通信非常重要。如果遠程設備的數量非常大，為最大化每個系統的性能，最好安裝隔離的RF系統。 設備地點和建筑物結構決定天線的布置，這也許是考慮多RF系統的另一個原因。當創建自愈網絡時，許多工業系統為幫助RF信號傳播也支持數據包轉發。最終，用于工業安裝的專門設計的無線設備非常重要。檢查的關鍵的規范是RF輸出功率（越高越好）、運行溫度、內嵌診斷、危險認證（如果需要）以及，也許是最重要的，能進行工業聯網的人員水平。 無線環境監測應用例子 對生產非常重要的機電設備工業領域幾乎都能受益于遠程環境監測。一些無線環境監測的應用，包括廢水處理廠的泵、油/氣鉆探平臺上的驅動器、汽車廠的生產線上的驅動器以及冶金廠的行車，都特別有效。 一個特別令人感興趣的應用是電廠冷卻風機的監測。一個燃媒火電廠想監測安裝在冷卻塔上的冷卻風機。冷卻風機安裝在到處存在熱蒸汽的惡劣環境下。當風機故障時，有時在用電高峰期間，不得不關閉冷卻塔讓技術人員修理，從而降低電廠的發電量。通過安裝環境監測系統，電廠能在非用電高峰期間關閉冷卻塔以定期修理風機。 相對來說，環境監測系統很容易安裝，除非冷卻塔缺少以太網基礎設施。拉光纖的成本估計超過$100,000，要6個多月才能安裝完畢。電廠使用無線以太網調查發現：僅花一小段光纖的成本，在三周內即可裝完。安裝進行的非常順利，系統已可靠性的運行超過5年，見圖5。 圖5. 無線冷卻塔應用 總結 震動分析技術的進步能在很大程度上改進工廠生產的現代環境監測系統。不幸的是，這些設備的聯網成本非常高或不現實。工業無線技術提供獨立于硬接線聯網的另一種方法，具有低的成本和更好的可靠性。但是，必須注意：選擇最好的技術和無線硬件確保建立一個成功的系統。 關于作者 Jim Ralston，具有超過10年的工業無線通信系統經驗，現在是ProSoft 技術公司的無線通信銷售工程師。Jim居住在美國賓夕法尼亞州匹茲堡，詳情可聯系：jralston@psft.com