工業無線傳輸技術在石化行業的應用及前景展望

國歌（長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南 岳陽 414000）

工業無線傳輸技術在石化行業的應用及前景展望

國歌（長嶺煉化岳陽工程設計有限公司，湖南 岳陽 414000）

通過對工業無線傳輸技術在芳烴罐區的應用，說明工業無線傳輸技術的發展特點和技術優勢，并對無線傳輸技術的發展趨勢進行展望。

無線傳輸技術;有線傳輸技術;WIA-PA

工業無線傳輸技術是一種新型的,短距離交互信息的無線通信技術。隨著信息化技術的進步與發展，工業無線傳輸技術現已延伸至工業數據采集的現場，采集以前有線方式不能或者不方便采集到的過程數據，或投資更低更經濟的實現過程參數的采集，最終確保工業裝置更安全經濟高效[1]。

1 無線傳輸技術運用的現有技術

工業無線傳輸技術是一種基于電磁波傳輸與接收的技術，核心部件需要有強大的發射能力、脈沖時間短、抗干擾能力強等功能。現在較為通用的方法是建立統一的國際標準。Wire?lessHART、ISA SP100和WIA這些國際組織正大力地積極地推進工業無線網絡技術的標準化進程。工業無線網絡WIA標準現已形成了國家標準草案，它是由中國工業無線聯盟推出的具有自主知識產權的技術體系，并將與WirelessHART、ISA100并列成為主流工業無線傳輸技術體系。

WIA-PA標準是針對過程控制領域的需求而制定的WIA子標準，定義了用于過程控制的WIA系統結構與通信規范。

WIA-PA采用星型和網狀相結合的兩層網絡拓撲結構，如圖一所示。左側是第一層網狀結構，由無線網關及現場儀表構成，是系統管理的網絡管理和安全管理；右側是第二層星型結構，由現場儀表節點或現場設備組成。每個節點設備都是路由器，既能發送信號，又能接收信號，同時發現相鄰節點、測量射頻信號強度、獲取同步和跳頻信號并與相鄰節點確定連接路徑。多個相鄰的節點便構成嵌入式的自組織和自愈智能網絡結構。這種星狀結構解決了遠距離傳輸信號衰減的問題。

圖一 WIA-PA網絡拓撲

無線設備均采用電池供電，能耗越低，電池使用壽命越長，安裝后的維護成本便越低，設備的可用性和實用性才能得到保證。對于單個的無線設備，在工作功率一定的情況下，降低其能耗主要通過降低占空比①來實現。占空比越低，周期時間內工作時間越短，空閑時間越長，設備的能耗越低。由于每個節點設備既是路由器，又要發送信號和接收傳輸信號，而無線設備的功率約95%是在發射和接收時耗掉的，只有全部節點同步喚醒和同步休眠，使所有信號同時發送、同時傳輸，才能實現無線設備電池的長壽命。目前主流儀表廠線無線儀表電池的使用壽命是5-10年。

WIA-PA技術通常采用的技術上DSSS[2]（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列展頻技術）多通道技術進行通信，如今在DSSS的基礎上引入FHSS（Frequency-Hopping Spread Spec?trum跳頻技術），根據信道狀態采用自適應跳頻等機制（如圖二），有效抑制突發性干擾，消除頻率選擇性衰減。

圖二 自適應跳頻技術

2 工業無線傳輸技術應用

以某石化芳烴罐區隱患治理為例，該罐區風險評估顯示，罐頂自力式調節閥、呼吸閥失效無法預測和搶修，儲罐罐頂需增加壓力變送器及時監控氮封壓力，避免氮封失效引發貯罐發生安全事故，監測點均不參與控制，可以考慮有線傳輸技術和無線傳輸技術兩種方式。

2.1 有線傳輸技術

傳統采用有線傳輸方式的煉化裝置區及罐區等區域都安裝有DCS或PLC控制系統，各現場儀表與控制系統之間采用有線方式進行連接。如改造前的芳烴罐區采用就是傳統的有線傳輸，這種傳輸方式存在兩方面的問題：一方面是煉廠建設的年代比較久遠，相應的控制系統較落后，現場儀表傳輸信號是4-20mA模擬信號，隨著科技進步與生產規模的擴大，現場已經使用了很多智能儀表，如現場總線儀表。這些儀表既能用4-20mA模擬信號傳輸采集到的溫度、壓力等過程參數，同時還收集和保存了這些儀表的自身性能及生產過程的數據信息，僅靠模擬線路并不能將這些信息傳輸到DCS系統以供監控使用；另一方面，采用有線傳輸方式的只能傳輸模擬信號的控制系統或先進的基于現場總線技術的控制系統，都需要高昂的投資和繁瑣的施工布線。

圖三有線傳輸投資估算

2.2 無線傳輸技術

工業無線傳輸技術補充了控制系統中有線傳輸方式的不足，利用工業無線傳輸技術，為智能儀表增加無線數據傳輸能力，將大量有價值的數據傳輸到控制系統中。同時也可以因投資限制，利用無線技術對非關鍵監測點進行低成本監測[3]。

隨著無線傳輸技術的應用與發展，煉油中非關鍵的監測點，比如煉油裝置中存在大量的泵信號，需要被控制系統監測。了解這些泵的工作狀態，如是否運行、能否正常啟停等，這對提高系統安全性有非常重要的意義。

因此，工業無線傳輸技術應用的場合可以是以下幾種：敷設電纜或接線非常困難的測量點；測量點分布過于分散的區域；隔離和屏蔽的區域；檢修困難的區域；移動或旋轉的設備；電纜容易損壞和折斷的場所；電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場合[4]。

2.3 芳烴罐區隱患治理方案選擇及原因

芳烴罐區隱患治理方案在設備費，主要材料費、安裝費，還有其他費用這幾個方面對比有線傳輸技術和無線傳輸技術。

（1）投資：有線傳輸總投資共82萬元（主要工程量投資估算詳見圖三），無線傳輸總投資共58萬元（詳見圖四），無線傳輸節省30%的投資。

（2）安裝：沒有電纜的采購和安裝，使得施工變得簡單，施工量減少，同時也省去了后期維護費用，在一定的程度上相當于“一勞永逸”。

（3）其他費用：有線傳輸需要增加電纜、接線箱等的選型、采購、鋪設等環節，DCS中增加大量的卡件，再加上后期維護，不僅增加了投資，而且導致施工復雜，材料和施工成本提高。

圖四 無線傳輸投資估算

綜合上述三點，芳烴罐區隱患治理最終選擇無線傳輸技術方案，同時也為未來的工業物聯網打下基礎。

3 工業無線傳輸技術未來發展

工業無線傳輸技術在工業現場中的應用延伸了原有的工業網絡的控制范圍和靈活性，成為有線傳輸技術和現場總線技術的補充。現階段工業無線網絡系統雖有信號加密和抗干擾等技術，但是工業無線傳輸技術與傳統無線傳輸技術如Wi-Fi、藍牙等一樣都是工作在2.4GHz頻段，在物理層是開放的，依舊存在安全隱患，這也是工業無線傳輸技術亟待解決的問題。

4 結語

隨著WIA-PA標準的確立及政策和資金的大力支持,無線傳輸技術將會擁有巨大的市場前景和廣泛的社會基礎，在工業領域得到廣泛應用，開拓廣闊的市場。

①占空比指的是在一段連續工作時間內脈沖占用的時間與總時間的比值.

[1]工業無線傳輸技術在石油化工行業的應用 王發兵[J].大氮肥.第33卷第3期.2010.6.

[2]工業無線傳輸技術理論與應用張龍、吳勇志[J].自動化博覽.NO.4,2011.

[3]工業無線通信技術曾鵬張華良徐皚冬[J].儀器儀表標準化與計量.2008.02.

[4]無線變送器在電廠的應用及可靠性測試 石踐[J].電氣時代.2010.05.10.