有线或无线?

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做出正确选择的实用方法。

决策树

通过可用于有线和无线仪器的所有信息,您如何选择使用哪一个?这是一个难以决定,因为任何一种选择都有其权衡,因此必须考虑几个因素来找到最佳解决方案。为了简化过程并确保没有考虑考虑,可以使用本文中的决策树来帮助达到明智的结论。

安全

启动决策树时,您面临的第一个因素是设备安全性。

这些天,大多数无线仪器都有内置安全;但是,无论仪器是有线还是无线,真正防止入侵设计人员必须看看系统级别,而不是每个单独的设备。在许多情况下,该系统包括有线和无线仪器,每个有线和无线仪器都有需要保护的漏洞。对于无线系统,带天线的某人可以通过将其重载具有大量可疑信息来缩小信号并拦截数据或破坏网络,旨在使其他通信设备竞争带宽。另一方面,当有线系统连接到外部世界时,它将网络打开到整个潜在的入口点。

侵入公司网络,无论是通过有线或无线系统的攻击,可以在资金,人力和运营中断的方面是昂贵的,虽然安全性是任何制度的一个重要因素,没有显著优势,使用无线仪器通过有线。

目的

在安全性之后,下一个问题询问系统的用途。具体来说,系统是否用于控制或监视进程。系统目的往往是影响是否使用有线或无线仪器的主要因素。

让我们首先探讨用于过程控制的系统的情况。当为过程控制系统选择仪器时,有三个重要的因素要考虑:可靠性、延迟和带宽。

可靠性

可靠性是当设备用于控制应用时最重要的特征。如果发送到控制器的信号不可靠,则过程可能无法正常运行;在最严重的情况下,这可能导致生命或财产丧失。可靠性适用于有线和无线解决方案;在有线仪器的情况下,如果未正确终止电线,可能会发生错误读数或无读数。对于无线仪器,信息可能是不正确的如果频道没有提供纠正通信错误的方法,则会引入控制器,这将导致控制器不恰当地根据不良数据做出决策。

最后,有线仪器比他们设计的纯粹的本质,以及它们如何与系统通信的无线仪器更可靠。

潜伏

通常,无线仪器比有线仪器具有更高的延迟。但是,有许多因素可以影响数据通信的延迟;它可以受到计算环境的处理器速度影响,可用内存,通信速率,距离通信是行进的,数据分组大小和协议使用。也就是说,在某些情况下,这些因素可能不会以任何方式影响延迟。

在实验电厂对Modbus TCP与固定Modbus进行了测试。使用安全的Modbus,人们希望基于RSA的方案的额外要求,以确认访问权限将增加与Modbus TCP相比的延迟。然而,即使具有安全Modbus的较大的数据包尺寸,该测试也证明了表2中所示(Nai-Fovino,94)中所示,延迟没有明显的差异。

最终,延迟的影响在很大程度上取决于应用程序。对于监控系统,可以接受50 ms的无线延迟。另一方面,控制系统始终需要在发生事件时快速响应,使有线仪器更好的选择。

带宽

在这种情况下,我们所指的带宽是系统带宽,而不是信号带宽,尽管两者都很重要。系统带宽是数据通过的通道的函数;在有线系统中,无论是铜线还是光缆,布线就是信道;对于无线系统来说,空闲空间就是信道。大多数影响空闲空间的条件对有线信道的影响通常可以忽略不计。

有线通道对带宽具有不同程度的影响,光纤优于铜。铜线具有温度,皮肤效果和长距离的问题,所有这些都是为信号产生增加的阻抗,从而降低了整体信号到噪声比。

温度,湿度,大气压力,和其它天然存在的物理性质影响的自由空间信道的带宽。当来自这些源的噪声被注入到沟道,它消除了,或者可能衰减,这会影响频率的信号强度,数据传送的速度和信号的幅度。对于无线系统,许多技术已经发展到对抗这些问题,如扩频技术和错误的通信协议中的编码。现代无线系统也包含设计技术,提供了通信协议的方式来帮助消除诸如多路径的错误,其中,相同的信号被从反射在不同的路径到天线拾取关的对象的问题。

相比之下,这些物理特性对光纤电缆没有影响,因此,带宽明显更高,更可靠。因此,有线系统在带宽方面有优势,光纤电缆超过铜线。

当涉及到过程控制时,有线仪器是推荐的选择。无论经济性如何,有线仪器通常是首选,因为它们将过程失败的潜在风险降到最低。

但是,如果流程失败不是一个主要问题,而且更多的刺激,那么应该考虑的经济考虑因素是您的决定。

这使我们回到用于过程监控的系统的路径。虽然系统监控过程仍然需要可靠性,延迟和带宽,但与选择有线或无线仪器的经济因素相比,它们的影响通常是苍白的。

在决策树中,经济因素被分为两大类:设备经济学和安装经济学。我们将首先查看设备经济学。更常见的是,安装经济学将是您决定使用有线或无线的主要驱动程序;但是,设备经济学很重要,仍应考虑和考虑并应考虑并考虑。

设备经济

在评估决策的经济性时,许多人常犯的一个错误是只考虑工具本身的成本。由于与无线接口相关联的附加电路,有线仪器通常比无线仪器便宜。仪器成本确实起作用,但您必须小心,不要忽视与设备经济相关的其他因素,即电力成本。

电力成本

当谈到电力成本时,你应该首先考虑现场是否有电力可用。

如果在不可用的电源,无线仪器具有优势,因为它们通常以真正的无线方式安装而不使用现场电源线,而是由电池供电。如果它们运行电源线到设备,则用户会失去这种经济优势。但是,如果有电源线已经现存,则可以使用有线或无线仪器。

接下来,你应该考虑如何往往需要对数据进行更新。

对于无线系统,功率预算是非常重要的,因为电池寿命依赖于更新速率、电池容量和系统功率水平要求。为了延长电池寿命,许多无线仪器都可以配备可充电电池和附加的太阳能电池板充电系统。即使有了太阳能电池板和充电器,人们也必须注意更新速率,因为快速更新速率会大大减少电池寿命。一方面,太阳能电池板充电系统在最佳条件下工作良好;另一方面,安装位置可能使它们不切实际,导致无线仪器需要更换电池时,他们耗尽了。如果您的系统有一个高的更新率,更换电池的成本会变得非常高,如果系统有许多电池供电的设备,成本就会更高。在这些条件下,有线仪器具有优势。

如前所述,设备经济和电力成本可能不是你选择有线或无线设备的原因;在决定安装成本的影响时,它们是您应该记住的因素,而安装成本通常是最具影响力的经济因素。

安装成本

在确定安装成本时,有线仪器可以变得非常昂贵,因为安装导管管段,铜线和安装所需的时间都可以迅速增加。这导致我们首先考虑它是新安装还是如果它更换现有的有线系统。

我们将沿着现有安装的路径开始。首先,您需要确定系统是否可以替换。

随着有线系统,在看哪里管道管银行已经安装了危险区域,当显著的挑战变得明显。在危险场所中使用的导管密封件几乎不可能打破,使得更换现有的布线不切实际的。相反,新的管道将需要运行,并在非涉密区加上较大的管道​​。

除了危险位置,更换关键应用或连续过程的系统也是不可能的。这些系统可能不能够因为生产成本损失或需要的过程和系统保持正常运转等原因关闭。虽然新线可拉,并添加到已经到位的管道,拉动新的电线有创建现有系统的潜在故障的风​​险。这些故障可能是直接或更多间断在一个较长的时间跨度,是很难进行诊断并解决。

如果您面临的现有系统无法替换,运行进程的风险缓解最为重要。在这种情况下,无线仪器将更好的选择,因为安装它们将对当前到目前为止的系统没有影响。完成后,该过程可以转换为使用新的无线系统,如果可能,可以删除现有有线系统。

相反,如果可以关闭进程并替换系统,那么实际上就是在进行新的安装。接下来,我们将比较安装的实际成本,这主要取决于位置和距离。

位置

关于位置的第一个问题询问安装是否在空中或地面上发生;但是,我们真的试图回答如果有需要租用的设备的潜在问题。

如果导管需要在空气中上升(例如,在储罐上),可能需要使用起重机或人员来执行安装。同样,在接地装置中,通常必须从地面上移除以安装管道。为新导管挖掘可能是乏味的,耗时的,昂贵的,这么多公司采用水力挖掘来消除材料铺设在新导管中。如果必须租用设备以安装管道,无线仪器具有经济优势。

接下来,我们必须考虑安装导管是否困难或长时间。例如,在密闭空间中安装导管可以繁琐,并且需要长时间的单个技术人员完成。在这种情况下,无线仪器在易于安装方面提供了理想的解决方案。虽然可能难以量化,但是安装方便可能是导致使用无线仪器的重要原因。

最后一个与位置相关的问题是系统是否需要频繁地移动位置。由于无线仪器可以让设备自由移动,而不需要固定在某个位置,因此它在移动方面显然具有优势。

距离

你必须考虑的最后一个因素是仪器到控制器的距离。为了阐明距离对经济的影响,让我们看一些现实生活中的例子。

的有线与无线系统中的两个单独的研究在饲料厂和乙醇厂进行。对于第一项研究的参数包括从终端设备大约1000英尺到控制器的位置的长度,以及一个120英尺运行到输送机的顶部。这导致需要在1100英尺导管和一个男人电梯或起重机管道安装的潜在成本。从第一项研究中,费用估计超过$ 100,000的有线系统和无线系统$ 55,000。对于第二个研究中,总距离为3000左右脚;有线系统的成本估计为$ 27万为$ 65,000无线系统成本(Dittbenner,“有线与无线系统的比较”)。在这两项研究的运行是相当长,这不仅增加了电缆和管道的成本,但显著提高了安装工作。

如果距离小于25英尺,那么从经济角度来看,无线解决方案可能没有意义。另一方面,如果距离超过25英尺,建议使用无线解决方案,因为它的成本可能比有线解决方案低得多。

其他无线成本

虽然未在决策树上显示,但如果无线仪器似乎是最佳选择,您应该记住其他一些费用。

虽然无线系统安装可以像指向控制器的天线处的终端设备的天线一样简单,但并非所有无线安装都没有问题,而无需额外的成本考虑。在具有非常长的通信(大于半英里)的情况下,可能需要路径研究以确保天线不会受到周围环境的干扰。路径研究看看许多因素来验证通信信道将具有足够的信号,使得通信是可靠的。这些路径研究检查叶片,无线电拓扑,地形,频率和天线增益,以帮助确定适当的天线放置和高度。

无线系统的额外成本可以包括保护装置,例如RF特定的浪涌抑制或结构,以支持实现可靠的通信信道所需的天线高度,这可以非常昂贵地设计和构建。

结论

这将让您到决策树的末尾。根据您的申请,它可能无法提供您应该使用哪种技术的最终答案;但是,您现在意识到许多人,有时忽略的因素,以及有线或无线仪器是否具有优势。

你可能会决定在最具成本效益的选择,优先安装方便,也可以选择去有线,因为可靠性是你的首要目标。最终,每一种情况是独一无二的,最佳的解决方案总是取决于哪些因素对你的最高优先级。

参考

奈- fovino, Igor等,“一个安全的Modbus协议的设计与实现”。关键基础设施保护III,由Charles Palmer和Sujeet Shenoi编辑,Springer,2009,PP。93-94。

迪特博尼尔,亚当。《有线与无线系统比较》自动化世界,2016年11月21日,www.automationworld.com/products/networks/blog/13316381/wired-vs-wireless-system-comparison。进入2020年四月。

Michael Bequette,P.E.- 工程硕士索兰,Inc。
迈克尔Bequette有来自堪萨斯州立大学的电气工程和理论物理双学士学位。他拥有硕士学位,从堪萨斯大学电气工程和工商管理园大学硕士学位。迈克尔有23年的石油和天然气的空间体验,以及航空航天,玻璃,纸浆和造纸,水/废水。迈克尔是在多个州有执照的专业工程师,拥有4项专利的光纤产品的研发和电容故障定位和是IEEE的高级成员。

马修Giunta- 产品经理SOR公司
Matthew Giunta是堪萨斯大学的毕业生化学工程学士学位。在索勒之前,他曾在二叠纪盆地巩固了井中的井井井,并作为临床研究技术员处理生物样本进行调查药物研究。Matthew是SOR的产品经理,负责整体产品线管理。他还担任内部销售工程师处理MRO业务,为北美西部地区提供支持SOR销售代表和客户。


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