艾默生智能無線幫助企業(yè)實現(xiàn)能源管理數(shù)據(jù)采集及設備診斷

南通醋酸纖維有限公司 魏竹春

艾默生智能無線幫助企業(yè)實現(xiàn)能源管理數(shù)據(jù)采集及設備診斷

南通醋酸纖維有限公司 魏竹春

艾默生智能無線技術具備自組織的Mesh網(wǎng)絡特點，通訊路徑冗余，抗干擾能力強，由艾默生智能無線技術幫助實現(xiàn)能源監(jiān)控、能源計劃和能源統(tǒng)計；對絲束丙酮裝置東西管線溫度、壓力和流量進行精確測量，對醋片裝置空調(diào)機組溫度監(jiān)測和調(diào)節(jié)；實現(xiàn)智能儀表的遠程診斷及維護。本文就南通醋酸纖維公司采用智能無線技術對公司計量管理及智能設備診斷，探討應用無線技術的體會。

能源監(jiān)控；溫度、壓力和流量無線監(jiān)測；空調(diào)機組溫度調(diào)節(jié)；智能儀表的遠程診斷及維護智能無線技術；WirelessHart；安全性；可靠性

1 概述

1.1 南通醋酸纖維有限公司介紹

南通醋酸纖維有限公司成立于1987年3月，由中國煙草總公司與美國塞拉尼斯公司合資經(jīng)營，是集化工、化纖、熱電為一體的大型工業(yè)企業(yè)。主要產(chǎn)品為可再生資源的新型醋酸纖維絲束及其配套原料二醋酸纖維素片。

醋纖生產(chǎn)系統(tǒng)技術密集，生產(chǎn)自動化程度高，適合大規(guī)模集約化生產(chǎn)。其中，醋纖絲束年生產(chǎn)能力為10萬噸，國內(nèi)市場占有率約為29%，全球市場占有率約為8%，銷售范圍達全國40多家卷煙生產(chǎn)企業(yè)；二醋酸纖維素片年生產(chǎn)能力為17.5萬噸，國內(nèi)市場占有率約為80%，全球市場占有率約為15%。

南通醋酸纖維有限公司日常生產(chǎn)中，動力能源系統(tǒng)(包括水、電、汽、氣、暖通等環(huán)節(jié))負責為生產(chǎn)部門提供長期穩(wěn)定的、滿足工藝要求的生產(chǎn)環(huán)境。正因為如此，動力能源也成為了企業(yè)重要的運營能耗成本，動力能源系統(tǒng)的持久穩(wěn)定和效率高低直接關系到企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益。

隨著南通醋酸纖維有限公司跨越式發(fā)展，社會影響力與日俱增，為更有效提高企業(yè)的能源管理水平，為節(jié)能減排做出自己的一份貢獻，能源管理系統(tǒng)的上馬迫在眉睫。為了能使企業(yè)更好地完成資源調(diào)配、組織生產(chǎn)、部門結算、成本核算，需要建立一套有效的能源管理系統(tǒng)對能源供應進行監(jiān)測，同時便于企業(yè)實時掌握能源狀況，為實現(xiàn)能源自動化調(diào)控扎下堅實的數(shù)據(jù)基礎，方便企業(yè)的計量和成本核算工作。

公司能源管理系統(tǒng)項目的目標是建造一套可靠性高、功能完備、操作直觀簡便、能滿足不同級別的用戶需求、具有良好擴展性的綜合能源信息管理平臺，將企業(yè)的各種能源統(tǒng)一納入到同一個平臺內(nèi)進行調(diào)度和管理、作為系統(tǒng)操作者，在這個平臺上，可以及時監(jiān)測到企業(yè)生產(chǎn)中各種能源生產(chǎn)和消耗信息，并采用遠程操控方式，及時調(diào)整運行方式，實現(xiàn)系統(tǒng)平衡和用能優(yōu)化。信息平臺取代工作人員對于能源數(shù)據(jù)“毛估估”（吳語詞匯，常用于口頭，意思是大概估計、估算一下）的傳統(tǒng)方式，監(jiān)控者可以在系統(tǒng)上管控全公司的能源實際發(fā)生和消耗信息，顯著提高企業(yè)能源管理水平。

1.2 無線改造項目問題提出

煙草企業(yè)信息化系統(tǒng)的架構中，能源管理一般作為ERP/MES系統(tǒng)的一個基本應用構件，是大型企業(yè)自動化和信息化的重要組成部分。典型的能源管理系統(tǒng)（EMS）架構一般劃分為三層：信息管理層，集中監(jiān)控層和設備控制層。

設備監(jiān)控層將全廠的能源數(shù)據(jù)采集進入系統(tǒng)，供數(shù)據(jù)監(jiān)視、報警、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

信息管理層將采集的數(shù)據(jù)進行歸納、分析和整理，結合生產(chǎn)計劃的數(shù)據(jù)，進行能源管理工作，包括能源實績分析管理、能源質(zhì)量管理、能源成本費用管理、能源平衡管理、能源預測分析等，并提供完整的能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表和各種分析圖表。

集中監(jiān)控系統(tǒng)提供明確直觀的人機交互接口和操作輔助系統(tǒng)，通過中央監(jiān)控計算機實現(xiàn)對能源管理中心管轄的能源系統(tǒng)設備進行監(jiān)控，實現(xiàn)能源監(jiān)視、系統(tǒng)故障報警和分析。

公司需要通過能源監(jiān)控實現(xiàn)能源計劃、能源統(tǒng)計和能源消費分析，對企業(yè)的能源成本比重及發(fā)展趨勢有準確的掌握，前提是需要對公司絲束丙酮裝置東西管線溫度、壓力和流量進行精確測量，對醋片裝置空調(diào)機組溫度監(jiān)測和調(diào)節(jié)。

但是由于監(jiān)測點分散遍布全廠管網(wǎng)，各點之間相距較遠，鋪設電纜橋架成本高，施工困難，項目時間緊，所以為方案的實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。

艾默生智能無線技術解決方案提供高質(zhì)量的有線及無線智能儀表設備，可以實現(xiàn)從現(xiàn)場測量、信號可靠傳輸?shù)纫惑w化功能，能充分體現(xiàn)有線儀表和無線儀表結合的方案帶來的好處。

采用原有DCS系統(tǒng)作為SCADA系統(tǒng)時，具有較好的經(jīng)濟性，加上艾默生的智能儀表，完全可以覆蓋設備控制層及集中監(jiān)控層，較好地為能源管理系統(tǒng)的信息分析管理層提供豐富的現(xiàn)場能源數(shù)據(jù)。

2 艾默生智能無線技術解決方案

南通醋酸纖維有限公司作為技術應用的先導型企業(yè)，不僅在提高運行管理效率，實現(xiàn)全系統(tǒng)無人值守和投產(chǎn)以來的連續(xù)不間斷穩(wěn)定安全運行方面取得了很大的成績，在節(jié)能降耗方面也是高標準、嚴要求。

為對整廠管線的溫度，壓力精確測量，對空調(diào)機組溫度監(jiān)測及調(diào)節(jié)，需要對整廠一些重要儀表設備進行智能設備管理。但是車間內(nèi)外各個測量點分布比較分散，安裝布線成本較高，而且如果布線安裝及施工會影響本身車間的整體美觀，此時艾默生無線流量測量方案無疑是最好的選擇之一。

艾默生的WirelessHART智能現(xiàn)場無線解決方案可以實現(xiàn)從現(xiàn)場測量、信號的無線可靠傳輸、監(jiān)控室數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視等一體化功能，可以較好地避免一些實際問題。利用原有就地的超聲波流量計及溫度變送器，通過THUM775智能天線，與3051S無線壓力變送器和648無線溫度變送器一起同指定區(qū)域內(nèi)的1420無線網(wǎng)關構成WirelessHART自組織無線網(wǎng)絡，采集數(shù)據(jù)將集中到1420網(wǎng)關中。而1420網(wǎng)關通過與上位機系統(tǒng)互連，最后將信號接入能源管理系統(tǒng)，工作人員通過上位機對能源實時運行數(shù)據(jù)信息進行集中管理。

通過THUM775智能天線適配器對重要閥門、質(zhì)量流量計、分析儀表的組態(tài)信息、報警信息讀取并發(fā)送給1420智能無線網(wǎng)關，而1420網(wǎng)關通過與上位機系統(tǒng)互連，進入到AMS設備管理系統(tǒng)，最終實現(xiàn)整廠智能設備的管理，AMS智能設備管理系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)可以互相共用，最后進入不同的管理系統(tǒng)。

3 南通醋酸纖維有限公司能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集解決方案

3.1 能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

南通醋酸纖維有限公司能源管理系統(tǒng)是一個龐大、復雜的系統(tǒng)，擔負著全廠的能源綜合管理與調(diào)度任務，對各區(qū)域的實時能源運行數(shù)據(jù)信息進行集中監(jiān)測。

系統(tǒng)監(jiān)控管理范圍遍布全廠各個區(qū)域，包括絲束、丙酮、醋片裝置、醋酸回收及動力中心、制冷中心、熱電等。全廠能源管理系統(tǒng)的建設，將使能源系統(tǒng)的運行管理效率大大提高，顯著減少能源系統(tǒng)日常管理成本，能源實時平衡能力大幅度提高，能源管理系統(tǒng)的綜合效益明顯增加。

目前南通醋酸纖維有限公司在生產(chǎn)過程中同時使用著多種能源介質(zhì)，包括水、蒸汽、空氣、油、電等。“動態(tài)、整體”的能源管理方式要求更多的信息支撐，不僅需要采集累積流量，瞬時流量更是動態(tài)管理所必須的，有時還需要溫度或壓力補償。這就對現(xiàn)場儀表提出了非常高的要求。而艾默生的智能儀表完全滿足以上要求，無論是差壓流量計、渦街流量計，還是電磁流量計、質(zhì)量流量計，都可以提供多個過程變量。

另外，艾默生的智能無線技術為獲得這些多變量參數(shù)提供技術上的保障，無論是一體化的智能無線儀表還是加裝智能無線適配器的有線智能儀表，都可以同時提供4個參數(shù)給DCS系統(tǒng)，確保了數(shù)據(jù)的豐富性。

艾默生為能源管理項目提供包括現(xiàn)場儀表及DCS系統(tǒng)集成的整體解決方案。在這個方案中，為了充分發(fā)揮艾默生設備的優(yōu)勢，我們采用了無線的解決方案，南通醋酸纖維有限公司能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖如圖1所示。

圖1 南通醋酸纖維有限公司能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

3.2 絲束丙酮醋片區(qū)域具體方案

五期項目“絲束丙酮” 東西管線溫度，壓力和流量監(jiān)測項目中，艾默生使用了三臺1420和21臺無線儀表。網(wǎng)關和儀表大都安裝在空中的管廊上。三個網(wǎng)關使用不同的網(wǎng)絡ID。

整個項目由裝載13臺3051S壓力變送器，6臺648溫度變送器及2臺超聲波流量計，21臺智能無線適配器THUM組成，由3臺智能無線網(wǎng)關1420將所有數(shù)據(jù)就近集成到西門子PCS7，實現(xiàn)從現(xiàn)場測量、可靠無線信號傳輸、監(jiān)控室數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視、設備狀況偵測等一體化功能。

· 1420網(wǎng)關與3個上位機系統(tǒng)通過Modbus 485或OPC協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的無縫鏈接；

· 現(xiàn)場流量測量采用一體化的羅斯蒙特8800D型渦街流量計，通過THUM775智能無線適配器發(fā)送采集的參數(shù)；

· 現(xiàn)場已有的3144羅斯蒙特溫度變送器采用THUM775智能無線適配器發(fā)送采集的參數(shù)；

· 現(xiàn)場壓力測量采用一體化的羅斯蒙特3051S無線壓力變送器；

· 現(xiàn)場溫度測量采用一體化的羅斯蒙特648無線溫度變送器；

· 現(xiàn)場閥門，質(zhì)量流量計，分析儀表通過THUM775智能無線適配器發(fā)送重要儀表的診斷信息及報警信息；

· 1420無線網(wǎng)關作為無線接收器與現(xiàn)場無線設備實現(xiàn)無線通訊，收集變送器采集的過程變量信息，并上傳到上位機系統(tǒng)；

· 上位機系統(tǒng)與1420網(wǎng)關通過以太網(wǎng)絡或者Modbus 485通訊互連，提供實時過程參數(shù)、流程畫面顯示、數(shù)據(jù)趨勢、報警顯示、歷史記錄、報表生成以及設備管理等功能。

束絲、丙酮、醋片裝置區(qū)域各配置1臺1420網(wǎng)關，構成相對獨立的無線信號網(wǎng)絡，進入西門子PCS7上位機。

醋片裝置空調(diào)系統(tǒng)溫度控制與監(jiān)測。醋片裝置空調(diào)系統(tǒng)安裝在屋頂上，共有6個溫度控制調(diào)節(jié)回路。醋片裝置屋頂布滿空調(diào)風管、工藝管道與設備，同時又不能破壞屋頂防雨層，故6臺溫度變送器以及調(diào)節(jié)閥不能選用傳統(tǒng)的規(guī)格型號。艾默生提出由裝在6臺3144溫度變送器及6臺Fisher閥門DVC定位器、12臺智能無線適配器的THUM組成，由智能無線網(wǎng)關1420將所有數(shù)據(jù)集成到上位機，實現(xiàn)從現(xiàn)場測量、可靠無線信號傳輸、監(jiān)控室數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視、設備狀況偵測等一體化功能。

設備安裝示意圖如圖2所示。

圖2 設備安裝示意圖

圖3 絲束丙酮醋片區(qū)域結構圖

圖4 醋酸回收裝置區(qū)域方案示意圖

圖5 公用工程區(qū)域具體方案示意圖

THUM的安裝簡單，只需將兩者進行簡單連接再接上儀表的電源線即可，大大節(jié)省了傳統(tǒng)方式的人工、電纜和穿線管等費用和安裝。33套設備的安裝項目，整個調(diào)試過程耗時僅幾個小時，無線的優(yōu)勢十分明顯。1420作為接收器安裝于監(jiān)控室外墻，與適配器實現(xiàn)無線通訊，上位機西門子PCS通過Modbus獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可與PCS無縫集成。同時使用AMS11.1設備管理軟件實現(xiàn)遠程儀表組態(tài)、報警監(jiān)視等功能。

絲束丙酮醋片區(qū)域結構圖，如圖3所示。

3.3 醋酸回收裝置區(qū)域具體方案，如圖4所示。

醋酸回收裝置區(qū)域配置1臺1420網(wǎng)關，構成相對獨立的無線信號網(wǎng)絡，進入艾默生DeltaV DCS系統(tǒng)。

3.4 公用工程區(qū)域具體方案，如圖5所示。

公用工程部分配置1臺1420網(wǎng)關，構成相對獨立的無線信號網(wǎng)絡，進入Foxbore系統(tǒng)。

針對南通醋纖廠實際情況，艾默生提出采用智能無線方案為用戶解決問題。艾默生智能無線解決方案，作為艾默生的PlantWeb?數(shù)字工廠管控網(wǎng)的一部分，采用自組織網(wǎng)絡通訊架構，其性能可靠、安全。通過無線通訊方式，可對敷設電纜困難的設備和區(qū)域進行監(jiān)測，從而節(jié)省安裝成本，有效提升工廠的維護水平，降低維護成本。

3.5 AMS設備管理系統(tǒng)在無線項目的應用

2012年以來，隨著公司5期項目的投產(chǎn)，公司規(guī)模更大，任何一個儀表設備的故障都可能直接導致巨大的安全與經(jīng)濟損失。因此，設備的健康穩(wěn)定運行是公司生產(chǎn)安全運行的前提和保證，而及時與正確的檢修工作就是維持設備健康的有效手段。

但是在實現(xiàn)智能設備管理系統(tǒng)AMS對整廠各種智能儀表管理的同時，第三方設備所配的重要儀表，特別是一些重要閥門，迫切需要融合到整廠設備管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)工廠預防性維修的目標而設計，能夠高效地收集各種智能儀表和設備，并簡化儀表組態(tài)與管理維護工作，對過程或者儀表故障進行事先預警，有效提高機組運行效率。

（1）儀表維護工程師可以通過AMS智能設備管理軟件實現(xiàn)對智能儀表進行遠程在線組態(tài)，減少了去現(xiàn)場危險區(qū)域工作的麻煩，AMS使用人性化設計HCD，給用戶提供的是按照操作任務要求而設計的直觀的操作面板。如圖6所示。

圖6 利用775無線適配器實現(xiàn)閥門參數(shù)組態(tài)界面

在中央控制中心就可以全面了解整個公司的設備信息以及健康狀況，可以提高設備維護管理的統(tǒng)籌性和有效性，并把設備維護和企業(yè)管理全面整合。

（2）增強重要設備的有效性，減少因設備原因造成的生產(chǎn)波動，甚至停車。有效使用AMS設備管理系統(tǒng)，可以降低非計劃性停車發(fā)生的風險，延長設備的生命周期。

（3）全面提高設備的維護效率，減少無效維修和過度維修。降低維修成本，減少備品備件的投入。

（4）由于可以遠程監(jiān)控重要設備的狀態(tài)，可以減少維護人員往返現(xiàn)場的次數(shù)。

僅從顯性的收益來看，比如備件投入的減少，維修過程中時間的減少，設備維護成本的降低，這些收益都是相當可觀的。其實，這僅僅是數(shù)字化工廠帶來巨大收益的一部分。而更多的隱性收益，比如降低非計劃性停車帶來的風險收益，僅僅一次的意外停車造成的損失就遠遠超過了本項目的投入。

同時智能閥門有豐富的診斷信息，可以通過無線系統(tǒng)傳回中央控制室，儀表人員可以在AMS系統(tǒng)中得到設備預警，例如：閥桿摩擦力、超行程報警、低氣壓報警、行程偏差報警等，做到在儀表故障影響擴大之前及時找到故障原因并排除這些故障。

4 結語

艾默生智能無線網(wǎng)絡的組態(tài)十分簡單，包括現(xiàn)場設備和網(wǎng)關的組態(tài)。現(xiàn)場設備的組態(tài)主要是設置網(wǎng)絡準入密碼 （Join Key）、網(wǎng)絡標識（Network ID）及數(shù)據(jù)刷新速率等。可以使用無線網(wǎng)關的默認值，也可以根據(jù)實際需要確定。這些參數(shù)設定可以使用艾默生手操器（型號為475），也可以使用隨機配備的無線組態(tài)軟件（AMS Wireless Configurator）進行。在完成現(xiàn)場設備安裝和簡單的配置后，給1420網(wǎng)關和液位計接通電源，整個無線網(wǎng)絡很快自動上線。

采用艾默生純智能無線方案，可以節(jié)省大量電纜、布線、施工、調(diào)試成本，大大縮短工期。同時可以利用無線HART技術，對設備快速便捷地組態(tài)，及時地獲得現(xiàn)場的故障信息，更全面地了解現(xiàn)場設備運行的整體狀況。

對于舊裝置的改造，利用艾默生智能無線技術改造的優(yōu)勢更加突出。南通醋酸纖維廠各裝置之間，相互距離比較遠，工廠內(nèi)馬路橫貫在個裝置之間，各裝置也相對獨立，但能源管理需要集中，難以在各裝置之間鋪設儀表信號線。艾默生智能無線技術WirelessHart很好地滿足了要求。

智能無線方案的技術優(yōu)勢如下：

（1）省錢

無需接線盒、無需機柜和I/O卡件、無需接線，節(jié)省大量安裝成本；

無需維護傳統(tǒng)接線方式的設備：如接線、卡件、機柜，節(jié)省大量的維護費用。

（2）省時

無線儀表智能化、自我組織和管理，能節(jié)省大量的調(diào)試時間，實現(xiàn)迅速投運，提高效率；

無需采購電纜、橋架、卡件等，節(jié)省采購時間、安裝時間。

（3）省力

系統(tǒng)擴展方便、快捷，增加新的測點非常容易；

未來改造也無需考慮增加機柜、接線盒、卡件、橋架等；

不用破壞工廠的現(xiàn)有狀況。

（4）節(jié)省空間

系統(tǒng)布置簡潔，無機柜和卡件的束縛；基本不占用控制室的空間。

（5）智能診斷

通過AMS實現(xiàn)無線變送器的遠程在線組態(tài)、校驗、診斷以及監(jiān)控通訊。

（6）保護現(xiàn)有投資

智能無線變送器在未來改造時，可自適應、移動改造可升級。

[1] 胡忠德, 嚴啟, 彭順風. 基于 OPC 技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 自動化技術與應用, 2008, 11.

[2] 艾默生智能無線技術和無線技術方案的技術規(guī)范[Z].

[3] EMERSON-ROSEMOUNT 無線設備廠家樣本資料[Z].

[4] 西門子 (中國) 自動化與驅動集團，深入淺出西門子WinCC V6[Z]. 北航出版社.

[5] HART基金會技術無線工程指南[Z].

魏竹春（1965-），男，江蘇如東人，碩士，現(xiàn)就職于南通醋酸纖維有限公司，主要研究方向為自動化控制。