無線智能儀表系統在石化罐區應用探索

莊文恩

（福建省聯合石油化工有限工公司，福建泉州 362800）

無線智能儀表系統在石化罐區應用探索

莊文恩

（福建省聯合石油化工有限工公司，福建泉州 362800）

采用智能無線現場儀表方案，將智能預測功能擴展到實際條件或經濟等原因無法達到的領域，并以全新的視角拓展對工廠各個方面的監測。在介紹石化行業相關罐區儀表檢測和監控狀況和無線儀表的基本原理、適用范圍的基礎上，通過分析無線儀表實際應用情況提出解決措施，并對智能無線現場儀表的改造項目進行了探討。

無線HART儀表；網關；刷新頻率

1 現有罐區的現狀

目前，石化行業的油品儲運罐區存在著以下問題：

一方面儲罐及其附屬設備分布分散、距離遠、難于適時巡檢和維護；另一方面，隨著石化行業的發展及其對安全環保要求的進一步提高，相應的對監測數據需求越來越多，同時企業的生產存在和儀表維護人員又相應減少。

特別是對于老的石化企業，其罐區不可避免的經過了多次改擴建，導致：現場的電纜槽盒架電纜基本上已經達到電纜裝載上限、控制室的機柜、控制室電纜入口都很難滿足現場監測要求，同時現有儀表機柜間I/O點也嚴重影響工藝操作人員不斷對現場數據、設備狀態監測需求增大；采用有線測量方案，就要重新架設電纜橋架并對機柜間實施改擴建，這又需面臨現場的實際空間無法滿足、工程費用較高、施工難度大。另外，電纜槽盒在罐區腐蝕較嚴重、電纜橋架大多在高空，也導致儀表維護難度和存在的風險增大、維護費用提高。

無線儀表的應用可以較好的解決上述問題。但由于無線信號的抗干擾問題，出于安全考慮，目前大量的應用還沒有用于控制，只是作為對有線儀表的必要補充，實施監控。

2 無線儀表的基本原理和適用范圍

2.1 無線HART儀表的基本原理

無線HAR通信是一種針對過程自動化應用的無線網狀網絡通信協議。其目的是讓用戶在保持現有設備、工具和系統一致性的基礎上為HART協議增加無線功能。無線HART工作頻率為2.4GHz寬帶信道，該頻道采用直接系列擴頻技術和跳頻技術來保證安全行和可靠性，并采用時分多址的同步、隱式報文控制通信技術進行網絡設備通信。無線HART儀表就是采用無線網狀網絡通信協議，進行通信的現場測量設備。

無線HAR通信的基本性能：利用網狀網絡、跳頻和時間同步通信等技術保證了無線抗擾能離，也可以與其他無線網絡的共存；通過加密、驗證、認證、關鍵詞管理等保障網絡通信的安全性和私密性；通過智能數據發布和其他技術提供高效能耗管理。

2.2 無線HART儀表合適的應用范圍

無線Hart設備可用于控制和監控，但目前應用案例更多是采用保守技術去滿足行業的保守需求，因此只強調監測領域的應用（如圖1，表1）。

圖1 監測領域的應用范圍

表1 無線Hart設備和有線HART儀表主要差別

3 罐區應用探索

在某公司油品適應性改造項目中，新建儲罐因離現有儀表機柜間距離遠，采用有線儀表方案，需新增部分電纜橋架、控制室電纜入口、工程費用較高、施工周期長等原因。采用無線智能儀表方案，避免了長距離鋪線、減少儀表輔助設備及安裝、調試費用，如電纜、電纜橋架、電纜槽盒、接線端子、機柜及卡件等、減少維護工作量，同樣可以具備有線（現場總線，HART）儀表的智能診斷、多參數傳輸、設備故障預測，達到前瞻性預知維修、維護，減少維護、巡檢工作，提高儀表運行性能。同時，解決了現有有線儀表在工廠中的測控“盲點”難題，積累無線智能儀表實際應用中的故障處理、日常維護能力，安裝及調試技術要求、抗干擾能力等經驗。

3.1 罐區無線儀表基本結構

油罐區共有4臺罐和兩個泵房。兩個泵房的泵出口壓力、管線溫度測量、地下污水池液位和4個罐的溫度均采用無線儀表；罐區液位監控的重要性采用雙雷達測量無線和有線方式：有線的信號進入SIS系統參與安全保護；無線儀表信號采用冗余無線網關進入DCS進行監控如圖2。

3.2 無線儀表現場安裝和調試

無線網關安裝

●天線位置：天線應該被垂直放置，天線到任何大型建筑之間的距離應該大于1m，此為了保持儀表之間的暢通的無線通訊。

圖2 系統結構示意圖

●安裝高度：為了獲得理想的無線信號覆蓋區域，無線網關或者遠程天線最佳的安裝高度為距離地面4.6～7.6m，或者高于障礙物以及主要建筑的基體2m。

●設備接地：網關外殼應按照國家和當地的電氣規范進行接地。最有效的接地方法是直接連接到地面以使阻抗最小。將網關外部接地端子連接到地面。

無線變送器安裝

●上電順序

在智能無線網關安裝并成功運行之前不能安裝電池。所有的無線儀表的上電順序應依照靠近無線網關的優先上電的順序進行。此目的為了更加簡單快捷的進行網絡連接。使能網關上的Advertising 功能以確保新設備可以更快的加入網絡。

●天線位置

請豎直放置天線，豎直向上或向下均可。天線到任何大型建筑的距離至少為1 m。

對于內置天線的變送器，電源模塊置于向地面一側。

系統參數設置

通過475手操器設置無線網關：

Network ID：2014

Join Key：12345678-00000000-00000000-00000000

設置刷新時間設為8S

通過475對無線儀表變送器組態：

設置變送器量程、位號、網絡ID，并逐臺安裝變送器電池，通過密碼認證后加入網絡。

通過AMS進行數據監測、相關參數設置。

4 無線儀表實際應用情況和解決措施

經過兩年多的實際運行中，無線儀表通信穩定性好、抗干擾能力強，通過設備管理系統AMS可以完成現場總線所具有的雙向通信、多變量監測、故障分析和判斷能力。現場儀表測量部分與有線儀表一致，減少電纜問題引起儀表故障和長期因電纜接口密封引起進水的到有效解決；具有較好增加和改造現場儀表功能；儀表安裝方便，便于日常更換和維護。

典型的安全和控制測點的刷新頻率要求為1s或更快，因這類測量點要求的刷新頻率過高，無線儀表受電池等因素影響無法滿足需要。無線儀表的電池壽命和刷新頻率有關，刷新頻率越高，電池壽命越短。只有在無線儀表要保證刷新頻率符合測量要求的前提下，電池能夠使用數年不需更換，如監測點、過程變化純滯后大的測量參數中，建議刷新頻率設置為過程變量變化頻率的三倍。例如，測量熱電偶中溫度傳感器的溫度時建議刷新頻率為16s，因為過程溫度變化需要滲透熱電偶然后才會傳遞到傳感器，因此溫度變化較慢。但是，如果無線儀表由外部供電，刷新頻率可大大提高，如在4-20mA回路增加無線適配器（大母子），或無線儀表電池的更換不成問題時。

5 智能無線現場儀表在改造項目的展望

5.1 解決老罐區非智能儀表瓶頸，提高儀表自動化技術水平

目標：連續監控所有罐體的液位、壓力、溫度、閥門操作

當前的方法和挑戰：儲罐分布分散、距離遠；監測數據需求越來越多；操作、維護人員減少；有線儀表方案工程費用較高、施工難度大、現場機柜空間有限；現場網絡擴展難等。

無線智能解決方案：在原有的帶HART儀表無法直接集成智能信息，增加無線智能適配器，可以將現有的有線Hart設備升級為無線設備，以無線設備獲取以前不能獲取的設備診斷信息和過程數據，用AMS設備管理系統軟件實現全面設備管理。

5.2 常減壓裝置塔頂測量、分餾塔溫度測量

目標：測量塔頂溫度、壓力；測量分餾塔溫度監視分餾塔的效率

當前的方法和挑戰：塔頂安裝儀表、接線盒布線困難、維護困難、電纜長度長信號衰減大

無線智能解決方案：使用無線變送器實現壓力、溫度；測量分餾塔溫度采用多點無線溫度變送器

好處：減少維護成本；分餾塔內溫度情況可以有效反映塔內效率，保持正確溫度分布可以有效提高產品質量。

5.3 風機振動測量、次級關鍵轉動設備的監測

目標：要避免馬達、風機、泵、壓縮機等“非關鍵設備但很重要”的旋轉設備故障造成意外停車，通常這些設備的監測采用手提監測儀

當前的方法和挑戰：如果人員到現場監測，機器又正好不在工作狀態，對該設備的監測就會被漏掉；對這些次關鍵旋轉設備安裝永久振動檢測儀，安裝成本費用昂貴，顯得不經濟。

無線智能解決方案：采用無線振動監測變送器，可以檢測軸承振動、溫度等參數，安裝簡單方便、成本低廉。

好處：操作人員在中控室就可以監測到旋轉設備的振動、溫度異常，這些數據還可以存儲在工廠歷史事件庫中，根據旋轉設備的工作狀況，可以提早做好檢修計劃，減少設備故障率。

5.4 安全閥運行狀態監測

目標：快速了解異常工況

當前的方法和挑戰：當發生異常工況時，安全閥跳，氣體被送到火炬燃燒或排放，安全閥狀態沒有監測

無線智能解決方案：采用無線位置變送器可以監測安全閥實際開關狀態，并將位置反饋信號送回中控室

好處：更清楚了解工藝問題、設備問題，及時處理，減少排放污染、節能降耗。

6 結束語

智能無線儀表的應用可以解決有些有線儀表無法達到的領域，包括對生產過程和設備的監測、工廠環境的管理。通過無線儀表對有線儀表的盲點的有效補充，當被監測設備發出預警信號時，可以主動去檢查設備的運行狀態，采取有效的維修維護，避免故障進一步惡化而影響生產，使得現場設備得到及時監測和管理，為實現智能工廠提供全面的、及時的設備運行數據。

[1] 方原柏. Wireless HART無線系統工程設計探討[J]. 石油化工自動化，2011，47（4）：10-13.

Application of Wireless Intelligent Instrument System in Petrochemical Tank Area

Zhuang Wen-en

The intelligent wireless field instrumentation program is used to extend the intelligent forecasting function to the real conditions or the economic and other reasons that can not be achieved and to monitor the various aspects of the factory with a new perspective.Based on the introduction of the basic principle and scope of the instrument in the related areas of the petrochemical industry，this paper puts forward the countermeasures to analyze the practical application of the wireless instrument，and discusses the reconstruction project of the intelligent wireless fi eld instrument.

wireless HART instrument；gateway；refresh rate

TH811

：A

：1003–6490（2017）04–0122–02

2017–04–10

莊文恩（1971—），男，福建泉州人，技師，主要從事儀表維修工作。