工業(yè)無線儀表系統(tǒng)在乙烯工程中的規(guī)模化應(yīng)用

王利君，劉傳龍，劉洪亮

(1. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；2. 中國石油化工股份有限公司 武漢分公司，武漢 430000；3. 中石化-霍尼韋爾(天津)有限公司，天津 300171)

1 無線儀表系統(tǒng)的特點

無線儀表系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備主要包括無線網(wǎng)關(guān)及測量溫度、壓力、液位等各種過程參數(shù)的無線儀表。現(xiàn)場無線儀表在常規(guī)測量設(shè)備的基礎(chǔ)上配置了無線發(fā)射系統(tǒng)，測量設(shè)備和微波發(fā)射部件無縫式集成于一體，實現(xiàn)了過程參數(shù)的測量及通信。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進展，Mesh結(jié)構(gòu)作為工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到業(yè)界的認可。目前有兩種Mesh結(jié)構(gòu)的無線儀表協(xié)議標準：

1)ISA100.11a工業(yè)無線協(xié)議標準。該標準主要通過無線網(wǎng)關(guān)及多功能節(jié)點構(gòu)建Mesh通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場無線儀表自主選擇多功能節(jié)點進行無線通信，通常只需“1”跳即可連接到無線Mesh骨干網(wǎng)絡(luò)；路由選擇優(yōu)化機制使其能與周邊多功能節(jié)點中最優(yōu)的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，自組織和自愈合的網(wǎng)絡(luò)能有效避免單點故障及提高恢復(fù)能力。ISA100.11a無線儀表技術(shù)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2)Wireless HART工業(yè)無線協(xié)議標準。該標準主要通過現(xiàn)場無線儀表間的相互通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場無線儀表除本身的測量工作外，同時兼作其他無線儀表與控制室通信的路由。Wireless HART無線儀表技術(shù)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 ISA100.11a無線儀表技術(shù)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

圖2 Wireless HART無線儀表技術(shù)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

無線儀表設(shè)備與工作站實現(xiàn)無縫式通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔且易于維護。無線網(wǎng)絡(luò)既支持無線變送器的無線通信，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)采集，同時支持移動工作站、移動巡檢、移動視頻、人員定位等。操作人員配備智能移動設(shè)備(如移動操作站等)，完成生產(chǎn)裝置的現(xiàn)場巡檢工作，提高了生產(chǎn)效率，提升了操作可靠性；儀表維護人員通過無線授權(quán)和在線軟件升級，在機柜室遠程診斷和維護現(xiàn)場無線儀表設(shè)備，減少了攀爬工藝設(shè)備及管道的風(fēng)險；無線便攜式氣體檢測儀能將實時的可燃氣體濃度數(shù)據(jù)傳遞回控制室，可進一步對現(xiàn)場情況三維定位，為無線儀表系統(tǒng)提供處于危險環(huán)境中人員的位置信息，支持危險事故發(fā)生及緊急處理時的快速響應(yīng)，確保操作及施工人員的安全。

采用無線儀表系統(tǒng)可以節(jié)省電纜、槽板、接線箱、機柜和I/O卡件等的采購成本及安裝維護費用；縮短傳統(tǒng)儀表設(shè)備的采購、安裝、調(diào)試時間；減少系統(tǒng)擴展及設(shè)備維護(如消除電纜及端子腐蝕等)的工作量；系統(tǒng)布置簡潔，能降低機柜設(shè)備占用空間；未來擴展擴容時，新增無線儀表經(jīng)授權(quán)后即可加入無線網(wǎng)絡(luò)，無需增加設(shè)備或卡件。

2 無線儀表系統(tǒng)的配置

筆者以霍尼韋爾公司的無線儀表系統(tǒng)為例介紹相關(guān)方面的配置。

2.1 無線通信

無線儀表系統(tǒng)通信的物理層協(xié)議，采用 2.4GHz的世界公用ISM頻段(2400～2482.4MHz)，并使用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)和跳頻技術(shù)(FHSS)。當(dāng)無線信號受到干擾時，現(xiàn)場無線儀表設(shè)備可以通過FHSS自動切換到合適的無線頻段，保證無線通信的可靠性。無線通信符合IEEE 802.15.4—2011[1]工業(yè)無線通信標準，數(shù)據(jù)包采用不低于AES-128位的加密措施。

無線儀表系統(tǒng)與DCS之間通過無線網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)至少2條路徑的通信，同時無線儀表系統(tǒng)對通信過程實時監(jiān)測。當(dāng)1條通信路徑出現(xiàn)故障時，無線網(wǎng)絡(luò)可以自動切換到其他路徑。無線儀表系統(tǒng)的通信為雙向通信，通信內(nèi)容包括過程變量、儀表診斷參數(shù)及設(shè)定參數(shù)等。

2.2 無線網(wǎng)關(guān)

無線儀表系統(tǒng)采用無線網(wǎng)關(guān)與DCS內(nèi)嵌式數(shù)據(jù)集成方式。無線網(wǎng)關(guān)也支持標準通信接口，包括：Modbus TCP/IP，Modbus RTU，OPC，Web等，并通過標準通信接口實現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。多功能節(jié)點可以有線連接第三方Modbus或Ethernet輸出的設(shè)備，實現(xiàn)無線轉(zhuǎn)接。多功能節(jié)點可作為無線網(wǎng)關(guān)同DCS通信，實現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)冗余。

無線網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)與現(xiàn)場無線儀表的通信，遵循符合IEEE 802.15.4—2011協(xié)議要求的ISA100.11a協(xié)議標準。1s刷新時，1個多功能節(jié)點可帶20臺無線儀表；1個Mesh主干網(wǎng)絡(luò)共22個多功能節(jié)點可帶440臺無線儀表。

無線網(wǎng)關(guān)是基于微處理器的電子設(shè)備，符合IEC-61326-3-1—2008關(guān)于電磁兼容性的規(guī)定，可以安裝在危險環(huán)境中，滿足現(xiàn)場防爆及防護的要求，具有防電涌能力。

無線網(wǎng)關(guān)為無線網(wǎng)絡(luò)通信提供數(shù)據(jù)安全保護措施，內(nèi)置紅外安全密碼管理，數(shù)據(jù)至少為AES-128位加密，支持密鑰自動輪換管理功能；現(xiàn)場無線設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)需要端對端的通信認證和全面的密碼管理。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)采用Modbus TCP/IP或Ethernet通信協(xié)議與DCS進行數(shù)據(jù)通信時，需要配置無線防火墻以確保無線網(wǎng)絡(luò)的安全。

2.3 無線管理平臺

無線管理平臺對整個無線網(wǎng)絡(luò)進行通信管理、安全管理和設(shè)備管理，通過配置無線網(wǎng)絡(luò)的通信診斷工具，實現(xiàn)對無線變送器的遠程在線組態(tài)或維護，并與儀表設(shè)備管理系統(tǒng)建立統(tǒng)一的智能設(shè)備數(shù)據(jù)庫。當(dāng)無線設(shè)備發(fā)生故障時，可以在DCS操作站及儀表設(shè)備管理系統(tǒng)終端實現(xiàn)報警，提醒儀表維護人員。1個無線軟件平臺可以管理22個網(wǎng)關(guān)的無線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)。

無線管理平臺可以驗證和優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的布置，支持圖形化拖拉方式實現(xiàn)儀表和網(wǎng)關(guān)的三維布置，自動分析無線通信的冗余狀態(tài)，實時顯示無線儀表的通信狀態(tài)、過程參數(shù)、電池電量等信息。

2.4 現(xiàn)場無線儀表

現(xiàn)場無線儀表是無線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，應(yīng)符合ISA100.11a無線通信協(xié)議，具有安全、可靠、抗干擾，不影響其他有線儀表設(shè)備的正常工作的特點。無線儀表采用內(nèi)置無縫式集成的全向天線或高增益天線，無線儀表與無線網(wǎng)關(guān)之間或無線儀表之間的最小可視通信距離不小于200m。

無線變送器用于測量過程參數(shù)，支持1s的刷新速度(可以設(shè)定為1，5，10，30s和未來0.25s)，可應(yīng)用于危險環(huán)境DIV1/Zone0，DIV2/Zone2和Explosion-proof(Ex)。無線變送器使用鋰離子本安電池，現(xiàn)場帶電插拔及更換時不降低儀表的防爆等級。常溫情況下電池壽命4.5a左右；適用環(huán)境溫度為-40～85℃；NEMA 4x，IP66/67。

目前工業(yè)現(xiàn)場無線儀表主要包括：壓力/差壓變送器、溫度變送器、雷達液位變送器、閥位變送器、腐蝕測量變送器、振動變送器、氣體檢測器及閥門限位開關(guān)等。無線讀表器可將現(xiàn)場壓力表/溫度計等機械直讀式儀表數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線數(shù)據(jù)進行通信。

3 無線儀表系統(tǒng)在大型乙烯工程中的應(yīng)用

800kt/a乙烯的原料罐區(qū)、中間罐區(qū)及產(chǎn)品罐區(qū)采用霍尼韋爾公司的無線儀表系統(tǒng)，基于ISA100.11a協(xié)議標準的OneWireless無線解決方案實現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)視、報警、報表打印及生產(chǎn)管理，該項目是當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模大、技術(shù)較先進的無線儀表系統(tǒng)成功應(yīng)用案例。

3.1 無線儀表系統(tǒng)規(guī)模

1)原料罐區(qū)硬件配置：1臺無線工作站；1臺無線防火墻；1臺無線交換機；2臺主網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)；2臺冗余備用網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)；7臺多功能節(jié)點；67臺無線壓力變送器；22臺無線溫度變送器。

2)中間罐區(qū)硬件配置：1臺無線工作站；1臺無線防火墻；1臺無線交換機；2臺主網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)；2臺冗余備用網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)；6臺多功能節(jié)點；33臺無線壓力變送器；38臺無線溫度變送器。

3)產(chǎn)品罐區(qū)硬件配置：1臺無線工作站；1臺無線防火墻；1臺無線交換機；3臺主網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)；3臺冗余備用網(wǎng)關(guān)(多功能節(jié)點)；8臺多功能節(jié)點；75臺無線壓力變送器；41臺無線溫度變送器。

3.2 無線解決方案

現(xiàn)場的多功能節(jié)點和現(xiàn)場機柜間的冗余網(wǎng)關(guān)構(gòu)建無線儀表系統(tǒng)Mesh主干網(wǎng)絡(luò)，分別覆蓋各個罐區(qū)生產(chǎn)區(qū)域。安裝在現(xiàn)場的無線變送器可以自動選擇就近的任意一個多功能節(jié)點進行無線通信，只需要“1”跳即可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線Mesh網(wǎng)上，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的冗余多路徑、DSSS、自組織、自愈合等功能。

冗余網(wǎng)關(guān)有線連接到現(xiàn)場機柜間的無線交換機，通過無線防火墻有線連接至FTE(故障容錯以太網(wǎng))交換機，與DCS(Experion PKS)連接。冗余網(wǎng)關(guān)配置支持無擾動切換無線防火墻，可以確保有線控制網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的通信安全和有效隔離。無線防火墻只允許無線I/O數(shù)據(jù)雙向通信，防止有害病毒、通信中斷、數(shù)據(jù)丟失等。

3個罐區(qū)分別獨立配置無線儀表系統(tǒng)，在現(xiàn)場機柜間分別設(shè)置無線交換機、無線工作站管理不同罐區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)的通信、安全和組態(tài)等，實現(xiàn)無線變送器的遠程在線組態(tài)和診斷，并提供與儀表設(shè)備管理系統(tǒng)(FDM)的通信接口，實現(xiàn)對無線儀表系統(tǒng)的資產(chǎn)管理。

所有的無線設(shè)備由無線工作站的組態(tài)工具(Control Builder)進行組態(tài)，在DCS服務(wù)器的組態(tài)工具(Quick Builder)中建立相應(yīng)通信點；在現(xiàn)場機柜間與DCS的FDM客戶端建立HART數(shù)據(jù)通信。

800kt/a乙烯工程無線儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。該方案將3個罐區(qū)分別配置獨立的無線網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)在現(xiàn)場機柜間的無線工作站管理各個罐區(qū)的無線儀表設(shè)備，減輕了每個無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)負荷；3個相對獨立的無線網(wǎng)絡(luò)自成系統(tǒng)，提升了無線儀表系統(tǒng)安全性和可靠性，便于無線網(wǎng)絡(luò)的操作管理；工程實施相對簡單，安裝及調(diào)試周期較短。

3.3 無線儀表系統(tǒng)的工程實施

1)安裝多功能節(jié)點及冗余網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建無線Mesh主干網(wǎng)絡(luò)。在各個罐區(qū)配置多功能節(jié)點，多功能節(jié)點的尺寸為235mm×210mm×76mm，多功能節(jié)點采用24V(DC)供電。帶垂直管線平支架，一般安裝在現(xiàn)場管廊管架的抱桿(直徑為50mm的鍍鋅鋼管)上，應(yīng)避開較高的設(shè)備及建筑物。

圖3 800kt/a乙烯工程無線儀表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

在現(xiàn)場機柜間配置冗余網(wǎng)關(guān)(主網(wǎng)關(guān)/備用網(wǎng)關(guān))，采用壁掛式安裝在現(xiàn)場機柜間內(nèi)墻上，由直流電源柜提供24V(DC)電源。

為增強現(xiàn)場多功能節(jié)點與現(xiàn)場機柜間冗余網(wǎng)關(guān)的通信安全可靠，避免現(xiàn)場機柜間抗爆建筑結(jié)構(gòu)對信號的屏蔽及干擾，宜將無線網(wǎng)關(guān)的天線設(shè)置在現(xiàn)場機柜間室外頂部，通過數(shù)據(jù)線將天線系統(tǒng)與冗余網(wǎng)關(guān)的DSSS接口和Mesh接口相連接。

2)安裝無線變送器。無線變送器的配線、布線等工作可以完全省略，現(xiàn)場施工安裝(如導(dǎo)壓配管安裝等)與有線儀表基本相同。安裝時應(yīng)確保每臺無線儀表可視冗余路徑，安裝高度及與大型障礙物保持至少0.5m距離。避免太陽直曬，延長電池使用壽命；環(huán)境振動要求4g(重力加速度)條件下，振動頻率15～200Hz，安裝位置應(yīng)盡量遠離轉(zhuǎn)動設(shè)備，必要時可選用毛細管遠傳的膜片密封壓力/差壓變送器。

3)冗余網(wǎng)關(guān)(主網(wǎng)關(guān)/備用網(wǎng)關(guān))有線接入現(xiàn)場機柜室的無線交換機、無線工作站，經(jīng)無線防火墻有線接入到FTE交換機上，與DCS冗余服務(wù)器連接。

4)安裝無線工作站的軟件，檢查多功能節(jié)點和冗余網(wǎng)關(guān)的軟件版本。

5)用授權(quán)工具手持數(shù)據(jù)終端從無線工作站獲取授權(quán)碼，對冗余網(wǎng)關(guān)和無線變送器授權(quán)(所有冗余網(wǎng)關(guān)和無線變送器都有1個紅外通信端口，可以無線接收授權(quán)設(shè)備的加入通信密碼)；自動選擇同多功能節(jié)點之間的無線通信，并按照設(shè)定的通信刷新速度將現(xiàn)場參數(shù)傳送給無線儀表系統(tǒng)(如壓力變送器的數(shù)據(jù)刷新速率設(shè)定為1s)。

6)對冗余網(wǎng)關(guān)和無線變送器組態(tài)，設(shè)置多功能節(jié)點的通信頻率等信息。

7)與DCS服務(wù)器進行Modbus TCP/IP數(shù)據(jù)集成檢查。

8)與FDM進行HART數(shù)據(jù)集成檢查。

9)使用無線網(wǎng)絡(luò)管理工具檢測無線網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)、參數(shù)調(diào)整、故障處理等。

4 結(jié)束語

無線儀表系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展，逐步實現(xiàn)了石油化工對無線儀表的安全性、可靠性、實時性、開放性等要求。無線儀表的刷新速度可調(diào)、應(yīng)用及規(guī)模靈活。無線儀表系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展將提升石油化工企業(yè)管理水平，實現(xiàn)智慧工廠的要求，獲取更多經(jīng)濟效益和社會效益。

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