无线技术在流程控制中的应用.ppt

无线技术在流程控制中的应用,关于无线传感器网络 陈德基博士 艾默生流程控制集团,2,无线应用总体架构,运行,设备管理,工厂网络,控制网络,工厂网络,现场网络,现场设备,控制网络,自组织网络,ISA100 标准还在研发中,3,报告主题,针对无线现场网络 总结我们的科研工作 讨论无线应用的挑战,4,报告摘要,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 结语,5,报告摘要,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 结语,6,信息技术对流程控制的渗透,70年代: 分布式计算机系统 -分布式流程控制系统 90年代: 个人电脑 - 基于工作站的流程控制系统 90年代: 微软的COM技术 - OPC 90年代: 英特网 - 现场网络化 21世纪: 无线技术 - ?,7,无线流程控制的历史,WINA ZigBee Bluetooth (蓝牙) ISA100 WirelessHART (无线HART),8,报告摘要,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 结语,9,问题已不是是否可行, 而是怎样实现,关于有线与无线的争议已经结束 无线的两大作用: 替代有线 全新应用 技术上已经成熟 市场上已经有很多成功实例,10,技术上已经成熟,安全和加密 电池寿命 可靠性和鲁棒性 自组织网络 关键是市场, 而不是技术!,11,成功实例 (1/3): 英国石油工司 BP Wytch Farm,“自从八月安装好后这些无线设备没有丢失一个数据 . ” Chris Geen, BP Manager,应用项目: 钻井头圆环压力监测 欧洲最大的陆地油井之一 采用艾默生的智能无线技术方案, 包括40个压力传感器 在密集的钻管工作和过程堆积 中实现了快速安装 2天内安装完所有设备 30分钟内所有设备成功在线,12,应用项目: 可移动平台的数据采样 避免对随平台移动的设备的持续重新组态 泵, 过滤, 压磨, CIP/SIP 套等 8小时内完成所有设备的安装和启动 初用艾默生的智能无线方案达到了100% 的可靠度, 系统安装在拥有12英吋加 固水泥的五层建筑 系统从未丢失移动平台的数据 从另外一个储藏建筑搬来的平 台自动加入了网络, 不需要操 作员介入.,成功实例 (2/3): 某王牌生命科学公司,13,应用项目: 碳化单元泵过滤器堵塞检查 对防止由吸力减弱造成的泵损坏非常 重要 现有的液压传动仪器需要人工读表来检查吸力减弱,这很不准确, 维护也复杂. 艾默生的智能无线技术提供了便宜的方案, 提高了测量准确度和维护效率 传统工艺难以实现, 因为通信和电源布线太贵 增加了碳化操作的可运行率,“预防性的无线过滤堵塞警报避免了一次生产中断. 操作员能够在几小时内关掉泵, 清理过滤器, 然后重新启动泵. 如果没有警报,过滤器泵会被损坏而被完全替换掉.” Project Manager, Major Refining Company,成功实例 (3/3): 某王牌石油提练公司,14,报告摘要,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 结语,15,标准化的必要,用户在观望 担心被锁定在独家非标准系统上 市场规模是根本 单价必须降下来,16,ZigBee,缺少足够的实时支持 不是针对流程控制制定的 ZigBee Pro 面向工业控制的改进版,17,WirelessHART 和 ISA100,WirelessHART 2007年9月正式公布 与以往的HART协议兼容 被现有HART工具完全支持 由自动化工业的领袖成员开发, 包括ABB, E+H, Emerson, Honeywell, Siemens 和其它成员 艾默生已开始接受首批Wireless HART的订单 ISA100 一系列的标准 第一个完全的初稿预计于2008年底出来, 2009年中有产品出来,18,WirelessHART (1/3),HART的历史 (Highway Addressable Remote Transducer),19,WirelessHART (2/3),Mesh 网络拓卜结构 方便,自组织Mesh网络结构 所有节点都是路由 允许对应用和环境的调整 不需要特别的设计或安装 可覆盖大的地理范围 可靠 网关和设备节点存在冗余路径 设备节点采用不同的数据路径来保证冗余路径的持续性 动态频宽安排 设备节点申请固定的流程和控制频宽 可申请额外的频宽(如传送震动频幅) 当维护设备节点时调高或调低频宽 自组织,自修复 所有节点提供统计数据给网络管理程序 信号强度 与邻居节点的通信可靠度 发现新邻居节点 网络管理程序挑选链接和路由 调整链接和路由以增强可靠度 增加链接以增强抵抗力 平面化网络以增强速度, 节省能耗 设备节点越多越可靠,20,WirelessHART (3/3),自组织技术 几乎无限的数据传输路径 网络不断地自我平衡和优化 超出现场射频调研的局限,无线现场网络,无线工厂网络,21,报告摘要,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 结语,22,什么是实时系统?,带时间要求的计算机系统 不一定非常快, 但要有确定性 快速是好的 但快速不能解决所有问题 保证性(满足截止期要求)更重要 例子: 航空 流程控制 嵌入式系统 ,23,实时系统的失败可能是致命的,在灾难发生前挑战者号航天飞机上的计算机系统来不及检测到其结构上动态压力的异常. 洛衫矶时报新闻: “两个独立的人为错误在2004年9月下午大约4:30造成无线通讯的瘫痪. 它持续了3小时, 造成南加州几个主要机场几乎完全停顿. 在通讯瘫痪的头15分钟内起码有五次飞机几乎相撞.”,24,实时系统研究的成就,截止期最早优先调度算法 针对周期性进程的最优算法 频率单调优先级附值 最优进程固定优先级算法,25,实时流程控制,一个瀑布式控制模块 对应在现场总线上的实时调度,26,报告摘要,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 结语,27,实时无线流程控制,WirelessHART 和 ISA 100.11a在无线流程控制领域只是刚刚开始. 早期应用包括设备监测和诊断. 但在无线网络上实现真正意义上的流程控制还存在很大的挑战. 以下13页是我们的早期科研成果 改进 PID 算法以应付不稳定通讯,28,控制数据采样频率,为减少控制变化, 一个基本原则是反馈算法的执行必须是4到10倍快于过程回应时间加过程时间常量加迟滞时间. 由于数据采样与控制算法执行不同步, 采样频率比控制算法快很多. 如果数据采样与控制算法能够同步, 我们可以减少数据的过度采样和传送. 更进一步, 我们可以通过只传送变化的数据来节省能源.,29,控制数据采样频率,30,在不稳定通讯下的标准PID算法,丢失输入数据 积分成份线性增长 当通讯恢复时差分成份产生尖刺 丢失输出数据 驱动器得到突变,31,针对无线的PID改进算法 PIDPLUS,32,积分成份 只有在收到新的采样数据时才计算,33,差分成份 只有在收到新的采样数据时才计算,34,实验设置,35,实验情形,丢失输入数据 改变设定值 流程扰动 丢失输出数据 改变设定值 流程扰动,36,丢失输入通讯数据 在改变设定值时,37,丢失输入通讯数据 在流程扰动时,38,丢失输出通讯数据 在改变设定值时,39,丢失输出通讯数据 在流程扰动时,40,误差结果,绝对误差和,PIDs,情形,41,结语,无线流程控制的历史 无线流程控制的现状 无线流程控制的标准化 实时流程控制 实时无线流程控制 标准 PID 在无线环境里不太理想 PIDPLUS