無線技術在流程控制中的應用

1、無線技術在流程控制中的應用運行運行設備管理設備管理工廠網絡工廠網絡控制網絡控制網絡工廠網絡工廠網絡現場網絡現場網絡無線標準無線標準:802.11802.16802.11802.16802.15.4Wireless HART*現場設備現場設備控制網絡控制網絡設備跟蹤設備跟蹤流動工作人員流動工作人員自組織網絡自組織網絡ISA100 標準還在研發(fā)中標準還在研發(fā)中3/19/2022l針對無線現場網絡l總結我們的科研工作l討論無線應用的挑戰(zhàn)3/19/2022l無線流程控制的歷史l無線流程控制的現狀l無線流程控制的標準化l實時流程控制l實時無線流程控制l結語 3/19/2022l無線流程控制的歷史l無線流

2、程控制的現狀l無線流程控制的標準化l實時流程控制l實時無線流程控制l結語 3/19/2022l70年代: 分布式計算機系統(tǒng) -分布式流程控制系統(tǒng) l90年代: 個人電腦 - 基于工作站的流程控制系統(tǒng)l90年代: 微軟的COM技術 - OPCl90年代: 英特網 - 現場網絡化l21世紀: 無線技術 - ?3/19/2022lWINAlZigBeelBluetooth (藍牙)lISA100lWirelessHART (無線HART)3/19/2022l無線流程控制的歷史l無線流程控制的現狀l無線流程控制的標準化l實時流程控制l實時無線流程控制l結語 3/19/2022l關于有線與無線的爭議已經

3、結束l無線的兩大作用: 替代有線 全新應用l技術上已經成熟l市場上已經有很多成功實例3/19/2022l安全和加密l電池壽命l可靠性和魯棒性l自組織網絡l關鍵是市場, 而不是技術!3/19/2022“自從八月安裝好后這些無線設備沒有丟失一個數據 . ” Chris Geen, BP Managerl應用項目: 鉆井頭圓環(huán)壓力監(jiān)測l歐洲最大的陸地油井之一l采用艾默生的智能無線技術方案, 包括40個壓力傳感器l在密集的鉆管工作和過程堆積中實現了快速安裝 2天內安裝完所有設備 30分鐘內所有設備成功在線3/19/2022l應用項目: 可移動平臺的數據采樣l避免對隨平臺移動的設備的持續(xù)重新組態(tài) 泵,

4、過濾, 壓磨, CIP/SIP 套等l8小時內完成所有設備的安裝和啟動l初用艾默生的智能無線方案達到了100% 的可靠度的可靠度, 系統(tǒng)安裝在擁有系統(tǒng)安裝在擁有12英吋加英吋加固水泥的五層建筑固水泥的五層建筑 系統(tǒng)從未丟失移動平臺的數據 從另外一個儲藏建筑搬來的平臺自動加入了網絡, 不需要操作員介入.3/19/2022l應用項目: 碳化單元泵過濾器堵塞檢查 對防止由吸力減弱造成的泵損壞非常重要l現有的液壓傳動儀器需要人工讀表來檢查吸力減弱,這很不準確, 維護也復雜. l艾默生的智能無線技術提供了便宜的方案, 提高了測量準確度和維護效率 傳統(tǒng)工藝難以實現, 因為通信和電源布線太貴l增加了碳化操作

5、的可運行率“預防性的無線過濾堵塞警報避免了一次生產中斷. 操作員能夠在幾小時內關掉泵, 清理過濾器, 然后重新啟動泵. 如果沒有警報,過濾器泵會被損壞而被完全替換掉.” Project Manager, Major Refining Company3/19/2022l無線流程控制的歷史l無線流程控制的現狀l無線流程控制的標準化l實時流程控制l實時無線流程控制l結語 3/19/2022l用戶在觀望 擔心被鎖定在獨家非標準系統(tǒng)上l市場規(guī)模是根本 單價必須降下來3/19/2022l缺少足夠的實時支持l不是針對流程控制制定的lZigBee Pro 面向工業(yè)控制的改進版3/19/2022lWireles

6、sHART 2007年9月正式公布 與以往的HART協議兼容 被現有HART工具完全支持 由自動化工業(yè)的領袖成員開發(fā), 包括ABB, E+H, Emerson, Honeywell, Siemens 和其它成員 艾默生已開始接受首批Wireless HART的訂單lISA100 一系列的標準 第一個完全的初稿預計于2008年底出來, 2009年中有產品出來3/19/2022lHART的歷史 (Highway Addressable Remote Transducer)3/19/2022lMesh 網絡拓卜結構方便,自組織Mesh網絡結構所有節(jié)點都是路由允許對應用和環(huán)境的調整不需要特別的設計或安

7、裝可覆蓋大的地理范圍l可靠網關和設備節(jié)點存在冗余路徑設備節(jié)點采用不同的數據路徑來保證冗余路徑的持續(xù)性l動態(tài)頻寬安排 設備節(jié)點申請固定的流程和控制頻寬可申請額外的頻寬(如傳送震動頻幅)當維護設備節(jié)點時調高或調低頻寬l自組織,自修復所有節(jié)點提供統(tǒng)計數據給網絡管理程序信號強度與鄰居節(jié)點的通信可靠度發(fā)現新鄰居節(jié)點網絡管理程序挑選鏈接和路由 調整鏈接和路由以增強可靠度增加鏈接以增強抵抗力平面化網絡以增強速度, 節(jié)省能耗設備節(jié)點越多越可靠3/19/2022l自組織技術幾乎無限的數據傳輸路徑 網絡不斷地自我平衡和優(yōu)化超出現場射頻調研的局限無線無線現場網絡現場網絡無線無線工廠網絡工廠網絡3/19/2022l無

8、線流程控制的歷史l無線流程控制的現狀l無線流程控制的標準化l實時流程控制l實時無線流程控制l結語 3/19/2022l帶時間要求的計算機系統(tǒng)l不一定非?？? 但要有確定性 快速是好的 但快速不能解決所有問題 保證性(滿足截止期要求)更重要l例子: 航空 流程控制 嵌入式系統(tǒng) 3/19/2022l在災難發(fā)生前挑戰(zhàn)者號航天飛機上的計算機系統(tǒng)來不及檢測到其結構上動態(tài)壓力的異常.l洛衫磯時報新聞: “兩個獨立的人為錯誤在2004年9月下午大約4:30造成無線通訊的癱瘓. 它持續(xù)了3小時, 造成南加州幾個主要機場幾乎完全停頓. 在通訊癱瘓的頭15分鐘內起碼有五次飛機幾乎相撞.”3/19/2022l截止期

9、最早優(yōu)先調度算法 針對周期性進程的最優(yōu)算法l頻率單調優(yōu)先級附值 最優(yōu)進程固定優(yōu)先級算法3/19/2022l一個瀑布式控制模塊l對應在現場總線上的實時調度3/19/2022l無線流程控制的歷史l無線流程控制的現狀l無線流程控制的標準化l實時流程控制l實時無線流程控制l結語 3/19/2022lWirelessHART 和 ISA 100.11a在無線流程控制領域只是剛剛開始.l早期應用包括設備監(jiān)測和診斷.l但在無線網絡上實現真正意義上的流程控制還存在很大的挑戰(zhàn).l以下13頁是我們的早期科研成果 改進 PID 算法以應付不穩(wěn)定通訊3/19/2022l為減少控制變化, 一個基本原則是反饋算法的執(zhí)行必

10、須是4到10倍快于過程回應時間加過程時間常量加遲滯時間.l由于數據采樣與控制算法執(zhí)行不同步, 采樣頻率比控制算法快很多. l如果數據采樣與控制算法能夠同步, 我們可以減少數據的過度采樣和傳送.l更進一步, 我們可以通過只傳送變化的數據來節(jié)省能源. 3/19/20223/19/2022l丟失輸入數據 積分成份線性增長 當通訊恢復時差分成份產生尖刺l丟失輸出數據 驅動器得到突變lyrespective gains, derivative and integral al,proportion theare, )()()()( DIpDIP, K KKwheredttdeKtdteKteKOutput

11、3/19/20223/19/20223/19/20223/19/20223/19/2022l丟失輸入數據 改變設定值 流程擾動l丟失輸出數據 改變設定值 流程擾動3/19/20223/19/20223/19/2022Communication LossModified PID OUTPV & SPSPTraditional PID 3/19/2022Communication LossTraditional PID Modified PID OUTPV & SPSP3/19/2022丟失輸入通訊數據 在改變設定值時丟失輸入通訊數據 在流程擾動時丟失輸出通訊數據 在改變設定值時丟失輸出通訊數據 在流程擾動時P