Investigating of the WirelessHART network application in the industry

معرفیتکولوژی WirelessHART اولین بار درسال 2009 توسط 37 شرکت عضو HART Communication Foundation(HCF) از جمله زیمنس و امرسون معرفی شد و از آن زمان تاکنون بالغ بر 40.000 شبکه یWirelessHART در صنعت نصب شده است. این تکنولوژی رقبایی همچون ZigBee و ISA100.11a و WIA-PA را درکنار خود می بیند اما WirelessHART به دلیل انعطاف ‍‍‍‍‍پذیری و اطمینان بالایی که دارد توانسته بالاترین سهم بازار را به خود اختصاص دهد. لذا در حال حاضر WirelessHART به عنوان لیدر تکنولوژی های اتوماسیون وایرلس شناخته می شود.مزیت بزرگ انتقال دیتا در روش وایرلس عدم نیاز به سیم کشی به تجهیزات ابزاردقیقی می باشد و در نتیجه آن پیشرفت سریع پروژه می باشد از طرفی این مورد خصوصا زمانی بیشتر به چشم می آید که فاصله تجهیز از کنترلر زیاد باشد. لذا به نظر می آید در شرایطی استفاده از این تکنولوژی در شرایطی حتی با وجود نیاز به تجهیزات شبکه بیشتر به صرفه تر باشد.در طرف دیگر، دلیلی که باعث شده این تکنولوژی فراگیر نشود اینست که نصب و راه اندازی این روش نیاز به دانش فنی بالاتر دارد و همچنین به دلیل جدید بودن تکنولوژی وایرلس در صنعت، مهندسان و تکنسین ها به این روش برای خواندن مقادیر به خصوص مقادیر مهم پروسه اعتماد ندارند.شبکه WirelessHARTزیمنس دو توپولوژی را جهت اتصال وایرلس پیشنهاد کرده است که هر کدام در شرایطی کاربرد دارند و در ادامه به آن اشاره خواهد شد. نکته بسیار مهم در WirelessHART اینست که هر ترانسمیتر وایرلس، خود به عنوان یک فرستنده/گیرنده عمل می کند و لذا ترانسمیتر دوم را می توان در فاصله دو برابری نسبت به فاصله ترانسمیتر اول به کنترلر نصب کرد. ضمنا قابل توجه است که، ترانسمیتر های معمولی که با ارتباط 4-20ma به کنترلر متصل هستن را می توان با استفاده از تجهیز SITRANS AW200 هم به یک ترانسمیتر وایرلس تبدیل کرد که این یک مزیت بزرگ در جهت کاهش هزینه تبدیل ارتباط سیمی به شبکه WirelessHART می باشد.در شکل 1 یکی از توپولوژی های پیشنهادی زیمنس را مشاهده می شود. در این حالت، دو تجهیز شبکه IE/WSN-PA LINK و AW200 در مسیر ترانسمیتر به کارت قرار گرفته اند. اولی به عنوان Gateway اترنت به WirelessHART و دومی به عنوان گیرنده/فرستنده WirelessHART نقش ایفا می کند.شکل 1 شبکه Wireless HART مقدار و diagnostic data با همشکل 2 همچون شکل قبل نیاز به هر دو تجهیز IE/WSN-PA LINK و AW200 می باشد اما در این توپولوژی، مقادیر از طریق کارت آنالوگ فرستاده یا خوانده می شوند و Diagnostic data در یک سیستم جدا در دسترس است.شکل 2 شبکه Wireless HART مقدار و diagnostic data جدا از همبراساس منابع زیمنس، جهت اتصال یک ترانسمیتر وایرلس به کنترلر به تجهیزات زیر نیاز است.1. PLC به عنوان کنترلر جهت خواندن مقادیر2. کارت Ethernet( که در مدل های S7-1200, 1500 پورت Ethernet روی خود CPU موجود می باشد)3. WirelessHART Gateway (که در شبکه زیمنس IE/WSN-PA Link پیشنهاد شده است)4. AW200(جهت تبدیل ترانسمیتر ساده به وایرلس)بررسی موردیهدف از نوشتن این مقاله، بررسی شرایط واقعی برای خواندن مقدار پروسه از طریق شبکه WirelessHART است و لذا در ادامه حالتی را فرض می کنیم که ترانسمیتر دما در 100 متری کنترلر قرار دارد. فرض ما اگرچه ایده آل است و به ندرت در صنعت با مورد مشابه مواجه می شویم اما بینش خوبی به خواننده به عنوان متخصص، مهندس یا دانشجو جهت استفاده از شبکه WirelessHART و برآورد هزینه خواهد داد.نکته 1: خیلی از موارد همچون براکت و سینی و کابل اترنت و هزینه اجرا مورد نیاز در نصب به دلیل ساده سازی در برآورد نیامده اند.نکته2: لازم به ذکر است که فاصله بین کنترلر و ترانسمیتر خطی فرض شده اند یعنی به گونه ای که مانعی در مسیر وجود ندارد.(در این حالت نیاز به repeater در شبکه نیست)نکته3: مقادیر انواع ترانسمیتر ها و پوزیشنر ها از طریق شبکه WirelessHART قابل تبادل است و استفاده از ترانسمیتر دما در اینجا فرضی است.حالت اول: اتصال با کابلقطعات مورد نیاز1. PLC S7-1200(6ES7211-1BE40-0XB0)2. 100-meter cable3. Temperature TransmitterItem codeDescriptionPrice (USD)16ES7211-1BE40-0XB0SIMATIC S7-1200, CPU 1211C210$2***2 wire cables (100 meters)600$ (5 dollars per unit + 10% spare)37NG3135-1EB12Siemens Sitrans TF300 - Temperature Transmitter2,039$Total = approximately 2,900 USDحالت دوم: اتصال وایرلسقطعات مورد نیاز1. PLC S7-1200(6ES7211-1BE40-0XB0)2. WirelessHART Gateway (6GK1411-6CA40-0AA0 IE/WSN-PA LINK)3. SITRANS AW200 (7MP3112-1AA00-0AA0)4. Temperature TransmitterItemDescriptionPrice (USD)16ES7211-1BE40-0XB0SIMATIC S7-1200, CPU 1211C210$26GK1411-6CA40-0AA0IE/WSN-PA LINK6,865$37MP3112-1AA00-0AA0SITRANS AW2003,000$47NG3135-1EB12Siemens Sitrans TF300 - Temperature Transmitter2,039$Total = approximately 12,100 USDاز بررسی صرفا قطعات مورد نیاز برای اتصال سیمی و وایرلس اینگونه برداشت می شود که برای راه اندازی به تقریبا 4 برابر هزینه لازم است. این نگاه اولیه همیشه درست نیست و باید پارامترهای دیگر نیز لحاظ گردد ولی می توان به یک دید کلی در نصب و راه اندازی شبکه وایرلس رسید. اما سه مورد باید مورد توجه باشد:· اول آنکه مشخص است که قطعات وایرلس اول راه ورود به صنعت می باشند و این دلیل اصلی قیمت بالای آن ها می باشد. اما قابل پیش بینی است که در آینده شاهد کاهش قیمت این محصولات باشیم.· دوم اینکه در صنعت به طور معمول با یک کابل دو سیمه به یک ترانسمیتر وصل نمی شویم(مثالی که اینجا بررسی شد)، ابتدا توسط یک کابل multi pair به یک Junction Box حوالی ترانسمیتر وصل می شویم و سپس با یک کابل دو سیمه (Secondary cable) به ترانسمیتر متصل می شویم و برای هر ترانسمیتر به صورت جدا هم اجرا شود، که این موارد هزینه کابل کشی و در نتیجه ارتباط سیمی و زمان اجرای پروژه را به مراتب بالاتر می برد.· سوم، هزینه نصب ترانسمیتر دوم به بعد به WirelessHART به مراتب کمتر می شود و این در پروژه های با I/O زیاد باعث حذف شدن JB و کابل های Multi Pair و مشکلات و هزینه های کابل کشی می شود که این مورد با افزایش تعداد I/O، کاهش قیمت قطعات وایرلس، اتصال وایرلس را درآینده به روشی منطقی و به صرفه خواهد کرد.نتیجه گیریدر این مقاله ابتدا به ذکر تاریخچه تکنولوژی WirelessHART پرداختیم و سپس به بررسی توپولوژی زیمنس و قطعات مورد نیاز جهت راه اندازی شبکه وایرلس پرداختیم. پس از آن با تفکیک هزینه اتصال یک ترانسمیتر به کنترلر به صورت وایرلس و سیمی، هزینه تقریبی هر دو روش را برای یک ترانسمیتر که در فاصله 100 متری واقع شده را محاسبه کردیم (نیاز می بینم که دوباره تکرار کنم، این یک مثال ایده آل است و به ندرت در صنعت اتفاق می افتد).صرفا هزینه قطعات حرف های زیادی برای ما دارد اما موارد بسیاری هستند که باید در نظر گرفته شوند که مختصرا در قسمت قبل به آنها اشاره شد.اما نکته ای که در آخر نیاز می بینم به آن اشاره کنم اینست که تکنولوژی های وایرلس، کلید ورود به "صنعت 4.0" می باشد و لذا صنایع کشور باید در این زمینه به ارتقای دانش خود اقدام کنند تا بتوانند از این تکنولوژی در جهت بهبود بهره وری و کاهش حوادث گام بردارند.