通过无线监控改进

电机、驱动器和其他重要机电设备的机械故障是停产的最常见原因之一。幸运的是，最近在振动监测和数据分析方面的进步已经导致状态监测系统能够在故障前准确检测问题，从而减少代价高昂的机器停机并最大限度地提高产量。

这些系统安装在受监控的设备上，通常与中央计算机联网以进行数据分析和警报通知。由于机器可能位于网络基础设施不可用的偏远位置，或在硬连线网络连接不实用的移动平台上，无线通信是一种网络替代方案，可在某些情况下节省安装成本、加快部署并提高可靠性.

图 1. 直接序列波形。

问题和顾虑
对于许多行业而言，通过简单的投资回报率 (ROI) 计算就可以轻松证明购买状态监测系统的合理性。以相对较低的成本，重要的机器可以通过状态监控进行改造，以减少操作故障。但是，当网络基础设施不可用或不实用时，需要考虑额外的成本。这笔额外费用可能包括光纤电缆安装、管道工程/安装、建筑物之间的挖沟、为偏远地点租赁电话线以及为移动设备安装拖缆或滑环。这些额外的成本可能会使 ROI 超出管理层所能接受的范围。

图 2. 802.11b 直接序列信道。

如果受监控的机器位于工厂内没有网络基础设施的远程位置，则需要安装电缆。工业设备中电缆的安装成本会因设备类型和物理配置的不同而有很大差异。例如，研究表明，化工厂的平均电缆安装费用为每英尺 40 美元（每米 120 美元），而核电站内的电缆安装费用可能高达每英尺 2,000 美元（每米 6,000 美元）。实际电缆成本取决于机器相对于现有网络基础设施的位置、所需电缆的类型（例如光纤）、管道工程（如果需要）、人工成本率以及是否需要挖沟。

如果机器位于几英里（公里）或更远的偏远地区，则需要租用电话线进行通信。租用电话线的费用通常包括初始激活/安装费和基于服务速度的月费。由于振动监测是连续的并且通常是数据密集型的，因此电话线服务必须支持足够高的速度以进行连续监测。由于线路质量差，到泵站等远程站点的电话线路服务也容易出现通信故障，可靠性可能会受到关注。无线蜂窝服务有时是远程站点的一种选择，但受服务可用性和速度限制的限制。蜂窝数据订阅费用也可能很昂贵。

图 3. 非重叠 802.11b 信道。

如果机器位于移动平台上（例如高架起重机、转运车或传送带系统），则将状态监测系统连接到工厂网络是一项特殊的挑战。根据平台行进的速度和距离，可能可以使用传统的布线方法，例如花彩。然而，花彩会受到磨损，并且由于电缆可能会断裂，因此它本身就是一个可靠性问题。对于旋转平台，可以使用支持以太网的滑环，但价格昂贵且需要定期维护。有些机器可能移动得如此之快，以至于唯一实用的通信方法是无线射频 (RF)。

考虑到联网状态监测系统的挑战，无线通信提供了更低的安装成本（缩短了投资回报时间），消除了以前不切实际的电话线和远程监控机器。但是，无线技术和设备在工业安装中的性能和可靠性差异很大。设计一个成功的无线网络需要检查当前的无线使用情况、RF 路径和工业工厂的环境挑战。

图 4. 跳频信道。

无线技术
无线以太网最常见的方法是在扩频频带中进行 RF 传输。在全球范围内，2.4 和 5.8 GHz 频段在大多数国家/地区均可免许可使用。

扩频字面意思是将 RF 能量扩展到整个（或大部分）频谱。该技术允许相对高速的通信，同时被设计为在存在多个 RF 系统的嘈杂环境中运行。传播射频能量的主要方法有两种：直接序列和跳频。对于工业无线通信，这两种方法各有优缺点。

直接序列使用频带内的宽通道同时调制高度编码的位模式（参见图 1。）

直接序列提供最快的扩频数据速率，因为宽信道允许传输复杂的调制方案。正交频域调制 (OFDM) 是一种能够实现快速数据速率的复杂调制技术，广泛用于 IEEE 标准 802.11g，支持高达 54 兆比特每秒 (Mbps) 的射频数据速率。

直接序列是当今所有流行的开放式 Wi-Fi 标准使用的方法，包括 IEEE 802.11b、802.11g（均在 2.4 GHz 频段中传输）和 802.11a（在 5.8 GHz 频段中传输）。虽然宽带调制提供了高速，但当多个系统靠近运行时，它也使 RF 系统更容易出现噪声问题。例如，IEEE 802.11b 有 13 个可用信道（在某些国家只有 11 个信道），但只有三个信道不重叠（见图 2 和图 3）。

由于信道重叠和 Wi-Fi 系统在工厂中的普及，频段过度拥挤和 RF 饱和会导致无线性能不佳。跳频是工业系统中非常流行的技术，因为它具有出色的抗噪技术。与直接序列不同，跳频使用频谱中许多较小的信道，并在信道之间快速改变信道或“跳频”（见图 4）。通过结合纠错技术，跳频提供了成功数据传输的最佳机会，因为发射机将使用不同的信道一遍又一遍地发送数据包，直到收到确认为止。跳频的缺点是比直接序列慢，数据延迟更长。大多数跳频系统仅限于 1 Mbps 或更低的 RF 数据速率。但是如果数据速率对于应用来说足够快，那么跳频的可靠性就很难被击败，尤其是如果将来会添加更多的 RF 系统的话。

跳频调制解调器是专有的，这意味着每个制造商都使用他们自己的技术，而供应商 X 通常不会与供应商 Y 通信。虽然这对于商业系统来说可能是一个缺点，但出于两个原因，它可能对工业系统来说是可取的：安全性和隔离性来自无线信息技术系统。由于跳频技术不是基于开放标准，制造商可以使用独特的身份验证过程和复杂的加密技术。

尽管采用 WPA 和 WPA2 标准的 Wi-Fi 系统的安全性已显着提高，但黑客仍将继续寻找漏洞。许多工业 Wi-Fi 制造商现在包括一个选项，通过不传输其 SSID 信标来隐藏接入点。这种技术可以有效地向潜在黑客隐藏接入点。

跳频还使工厂经理能够独立于 IT 部门操作自己的无线网络。由于 802.11 技术在无线网络接入、仓库条码系统和视频监控方面的普及，专有的跳频系统可能是工业系统的最佳选择，并保持部门经理之间的和平。

图 5. 无线冷却塔应用。

无线和状态监测集成
大多数状态监测系统都有用于网络连接的以太网通信选项。如果考虑两个因素：数据速率（带宽）和数据延迟，以太网是最容易适应的无线接口。当监控多台远程机器时，这些考虑因素尤其重要。设计一个有效到达所有远程站点同时保持足够数据​​速率的 RF 网络非常重要。如果远程机器的数量很多，那么最好安装单独的 RF 系统，以最大限度地提高每个系统的性能。机器位置和建筑结构将决定天线放置，这可能是考虑多个 RF 系统的另一个原因。许多工业系统还支持数据包重复以帮助射频信号传播，同时还创建自愈网格。最后，无线设备专为工业安装而设计是非常重要的。要检查的关键规格是 RF 功率输出（通常越高越好）、工作温度、内置诊断、危险认证（如有必要），也许最重要的是支持人员的工业网络知识水平。

无线应用
远程状态监测几乎可以使机电设备对生产至关重要的每个行业受益。无线状态监测特别有效的几个应用包括监测废水处理厂中的泵、石油/天然气钻机上使用的驱动器、汽车厂装配线上的驱动器以及铁水厂中的高架起重机。

一项特别有趣的应用是电厂冷却风扇监控。

一家燃煤发电厂想要监控位于冷却塔底部的冷却风扇。冷却风扇安装在始终存在热蒸汽的非常恶劣的区域。当风扇出现故障时，塔必须关闭以允许技术人员对其进行维修，从而降低了工厂的功率输出，有时是在需求高峰期。通过安装状态监控系统，工厂将能够在非高峰期停工期间安排风扇维修。

状态监测系统相对容易安装，只是塔没有以太网网络基础设施。拉动光纤电缆的成本估计超过 100,000 美元，安装需要 6 个多月的时间。发电厂使用无线以太网进行了调查，发现它只需花费一小部分光纤，并且可以在三周内安装。安装顺利，系统可靠运行五年多（见图5）

概括
振动分析的进步催生了可以显着提高工厂生产的现代状态监测系统。不幸的是，将这些设备联网的成本可能非常高或不切实际。工业无线技术提供了硬连线网络的替代方案，可以降低成本并提高可靠性。但是，必须小心选择最好的技术和无线硬件，以确保系统成功。