工业无线传感器网络（IWSN）的采用降低了安装成本，解决了难以到达的传感位置带来的麻烦，并加快了高级诊断的实施速度。它是一个正在成长的市场-2016年，Grand View Research评估该市场的价值为26.4亿美元。此外，在最近的工业无线传感器网络市场分析报告中，研究人员预测，到2025年，工业无线传感器网络市场将达到86.7亿美元，复合年增长率为14.5％。

开放无线通信协议（包括Wireless HART和ISA-100.11a）的成熟推动了工业无线网络的迅猛增长。它们在工业设施中的存在已变得越来越普遍。同样，随着用户群的增长，对增强连接性的需求也在不断增长。

直到最近，工业无线传感器网络一直主要用于过程监控，但现在它们已开始渗透到过程控制应用程序中。本文将概述工业无线传感器网络协助热量追踪应用的五种方式。

1.无线传感器在伴热时效果很好

由于系统热动力学的相对稳定性，伴热系统是无线传感器的理想用例。有几个因素会影响系统的热稳定性。

首先，许多装置使用自调节式伴热电缆。顾名思义，随着过程温度的变化，自调节伴热会自动调节输出功率。这有助于稳定系统并防止其过热。大量的管道和流体相对于伴热系统的相对较低的输出功率（通常每米小于60瓦）导致了热稳定性的提高。通过管道绝缘进一步提高了热稳定性。

所产生的温度变化足够慢，以至于与其他过程控制应用程序相比，可以在更长的时间段内对控制系统进行管道温度的无线更新。根据过程和管道尺寸的不同，比例积分微分（PID）温度控制算法可能只需要每1至5分钟运行一次，而不会引起过程混乱，此时可以调整输出到电缆的功率。

降低的测量频率极大地延长了电池寿命，这是无线设备需要考虑的问题。通过WirelessHART协议编程突发模式可以进一步提高电池寿命。这样可以进一步节省电池电量。由于设备会在出现明显的温度偏差时进行报告，因此还可以提高热量跟踪的可靠性。这使热量跟踪系统可以轻松应对过程异常情况。

无线传感器系统网络可以很好地满足伴热系统的相对热稳定性。显示了典型的伴热系统示意图。

除了优先使用工业无线传感器网络来控制非关键性伴热系统外，当用于过程监控和诊断时，它们还为有线系统提供了附加价值。例如，2010年，一家无线控件提供商发布了一份白皮书，该白皮书成功地使用了无线温度变送器来监控传输沥青的关键过程线。[1] 在此应用中，有线传感器与预测性维护系统的无线传感器一起用于过程控制。关键的生产线保持严格的公差，而无线传感器提高了系统尽早发现潜在问题点的能力。

2.它们与现有的现场传感器配合使用

一些热量跟踪控制和监视系统结合了工业无线网关，从而允许通过管道和罐上温度传感器的网格网络进行无线通信。该设计允许此类系统与在整个工厂范围的无线网络上运行的现有现场传感器协同工作。它还允许将有线和无线传感器映射到热量跟踪控制系统的独立输出回路的混合方法。

表1.使用无线技术降低了传感器在伴热系统上的安装成本。

混合传感器映射方案提供了设计灵活性。可以更改传感器以支持过程更改，并且可以重新映射标记错误的电路，而无需通过控制面板的HMI抬起任何控制线。

此外，还可以将多个传感器映射到单个伴热功率输出。这提供了最高程度的灵活性-无需从控制面板上抬起传感器接线-并简化了无线现场设备的映射。

3.它们提供安全性，可靠性和互操作性

尽管使用工业无线传感器网络具有多个优点-消除了耗时的电缆连接，传感器位置灵活性和自组织功能-但是工业无线传感器网络的主要关注点是数据安全性，可靠性和设备互操作性。

WirelessHART解决了这些问题，是专门为过程测量和控制应用而设计的。它在网状网络拓扑上运行，网络中的每个设备都具有通过相邻设备重新路由信号的能力，从而大大提高了可靠性。

无线传感器系统可以最好地满足伴热系统的相对热动力学稳定性。显示了伴热系统示意图。

WirelessHART是一种可互操作且开放的工业无线传感器网络标准，可在2.4 GHz不受限制的工业，科学和医学（ISM）无线电频带上运行，并采用IEEE 802.15.4标准中的物理层。信道跳变发生在15个不同的信道上，以帮助避免信号干扰，而时间同步的MAC层支持其他网络（例如ISA-100.11a）的共存。

通过采用用于数据认证的多层技术来解决增强的安全性。通过使用已建立的加密算法，包括行业标准AES-128位加密，不断变化的加密密钥，身份验证，安全加入过程，消息完整性方案和加密消息，还可以提高安全性。

将工业无线标准和认证设备用于WirelessHART有助于防止流氓服务攻击，拒绝服务攻击，欺骗和重播攻击。最终用户可以选择最适合目标应用程序的安全级别，该级别具有管理和分配网络中每个设备的安全加密密钥的功能。即使无线网状网络可能会扩展到工厂范围以外，使用经过测试和批准的工业协议也可以保护网络并防止未经授权的设备干扰系统。

4.降低安装成本

通过使用无线技术，可以减少传热系统上传感器的安装成本。典型的热量跟踪电路将需要大约80'的电阻温度设备（RTD）传感器接线。在大型工业设施中，许多系统都包含数百个控制电路。表1总结了通过利用无线技术节省的典型安装成本。计算仅反映了伴热系统。通过消除其他现场设备的布线或电池，可以进一步节省成本。

5.降低运营和维护成本

某些热量跟踪控制和监视系统可进一步降低运行和维护成本。无线传感器的采用允许用户捕获诊断数据，而有线RTD传感器仅传输过程温度。用户可以检查设备的环境温度，观察附近传感器的状态，监视传感器本身的问题，并采取纠正措施以防止不必要的停机。

显示了一个有线和无线传感器：一个用于控制，一个用于热跟踪系统的诊断。

当系统出现故障时，这些高级功能还可以降低维护成本。它有效地消除了技术人员对传感器进行物理故障排除并确定设备故障原因的需要。所有数据均可通过控制面板或用于设备配置，诊断和校准的其他无线设备轻松获得。

如果过程要求发生变化并且需要移动传感器，则可以进一步节省成本。无线传感器有助于进行这些过程更改，并且可以轻松地从管道上抬起并重新放置。无需重新设计传感器接线和导管。仅需更新传感器位置的工程图，即可减少重新安装的人工成本和时间。

如果系统提供映射功能，则可以通过界面对输入和输出进行软编程。此外，如果在控制系统中指定了备用的伴热电路，则只需添加另一个无线设备即可添加新的生产线，而不会干扰传感器的接线。 

原文链接：https://www.process-heating.com/articles/93148-industrial-wireless-sensor-networks-and-heat-trace