基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

董 超 張曉偉 李 超

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

董 超 張曉偉 李 超

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

針對(duì)石化企業(yè)自動(dòng)加藥裝置分布廣、跨域大、布線及調(diào)試維護(hù)成本高等突出問(wèn)題，提出一種基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)建立基于WIA-PA的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、上傳和存儲(chǔ)，經(jīng)云終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)雷達(dá)圖等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)預(yù)警、合格率等數(shù)據(jù)的綜合分析。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 自動(dòng)加藥裝置 循環(huán)水 WIA-PA

循環(huán)水是石化企業(yè)生產(chǎn)的重要資源，其運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系到裝置和設(shè)備安全，以及產(chǎn)品產(chǎn)率和質(zhì)量。但是，工業(yè)循環(huán)水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期循環(huán)使用后，會(huì)帶來(lái)沉積物附著、金屬腐蝕和微生物滋生問(wèn)題，因此，需要按照工藝要求投加緩蝕阻垢劑、氧化性與非氧化性殺菌劑等，保持循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量[1]。目前，許多石化企業(yè)都在廠區(qū)安裝了循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置，用以檢測(cè)pH、ORP(Oxidation-Reduction Potential)、濃縮倍數(shù)、余氯、藥劑濃度和電導(dǎo)率6項(xiàng)循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)，并依據(jù)水質(zhì)數(shù)據(jù)投加相應(yīng)的藥劑。循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)有著重要作用，管理人員通過(guò)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)分析，可以全面了解和掌握循環(huán)水的運(yùn)行質(zhì)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)、指導(dǎo)和優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行。

目前，石化企業(yè)廠區(qū)循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置的監(jiān)測(cè)模式主要是通過(guò)人工巡查和手工抄錄的方式獲取數(shù)據(jù)，然后由管理人員對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分析。由于各個(gè)循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置分布分散，常出現(xiàn)數(shù)據(jù)抄錄不準(zhǔn)時(shí)、錯(cuò)抄及漏抄等現(xiàn)象。同時(shí)，由于每天采集的數(shù)據(jù)量比較大，人工分析數(shù)據(jù)的工作量大、效率低，存在一定的滯后性，沒(méi)有形成真正意義的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。石化廠區(qū)設(shè)備林立，管廊橫行，如果采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，布線施工會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，并且后期維護(hù)成本很高。基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)可以彌補(bǔ)有線方式的不足。該技術(shù)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用了時(shí)間同步、多跳通信、擴(kuò)頻通信及Mesh網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、實(shí)時(shí)通信及超低能耗等特征，適合部署在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中[2]。相比有線通信技術(shù)，具有無(wú)需布線、安裝方便，可靠性高，可自組網(wǎng)，易于維護(hù)和擴(kuò)展，以及成本較低等優(yōu)勢(shì)。因此，筆者設(shè)計(jì)了一種基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

筆者將天津石化分公司的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)項(xiàng)目作為研究對(duì)象，其水務(wù)部下屬的水處理一至五車間分別對(duì)應(yīng)煉油廠、烯烴廠、化工廠、聚醚廠和熱電廠的循環(huán)水處理車間。其中，水處理一車間有3套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置，水處理二車間和五車間各有兩套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置，水處理三車間和四車間各有一套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置。

基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為天津石化水務(wù)生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)管理信息系統(tǒng)平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)，包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層3部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

感知層主要實(shí)現(xiàn)待傳設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)。主要由9套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置、WIA-PA無(wú)線IO適配器、WIA-PA無(wú)線路由和WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)組成。感知層的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置主要由PLC、檢測(cè)儀表等組件組成，檢測(cè)儀表對(duì)循環(huán)水的pH、電導(dǎo)率、濃縮倍數(shù)、余氯、藥劑濃度及ORP等水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)[3，4]，然后由PLC集中采集檢測(cè)儀表中的水質(zhì)數(shù)據(jù)，WIA-PA無(wú)線IO適配器再?gòu)腜LC中讀取采集結(jié)果，并通過(guò)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給無(wú)線網(wǎng)關(guān)。如果無(wú)線IO適配器與無(wú)線網(wǎng)關(guān)相距較遠(yuǎn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)與無(wú)線IO適配器之間將無(wú)法進(jìn)行通信，所以在這種情況下，可以在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中增加WIA-PA無(wú)線路由，以實(shí)現(xiàn)各無(wú)線IO適配器與無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間的無(wú)線通信。WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)功能使得整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹5，6]。

傳輸層主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，可通過(guò)石化廠區(qū)內(nèi)的有線局域網(wǎng)或無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

圖2 水質(zhì)數(shù)據(jù)采集流程

在該系統(tǒng)中，水處理二車間、三車間、四車間的WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)石化廠區(qū)內(nèi)的有線局域網(wǎng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，而水處理一車間和五車間則采用無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、云終端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及報(bào)表打印機(jī)等組成。云終端的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)從WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)中提取水質(zhì)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、趨勢(shì)曲線、綜合分析及預(yù)警等功能，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控和調(diào)度管理。

2 系統(tǒng)硬件

基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中所構(gòu)建的WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要由WIA-PA無(wú)線IO適配器、WIA-PA無(wú)線路由和WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)3種設(shè)備組成。

WIA-PA無(wú)線IO適配器的主要作用是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表或設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并無(wú)線傳輸至WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)。它支持多種接口形式，包括RS-485、RS-232、4～20mA模擬量信號(hào)及脈沖接口等信號(hào)。水處理二車間和四車間采用RS-485接口類型，水處理三車間和五車間采用RS-232接口類型，水處理一車間采用4～20mA模擬量信號(hào)類型。在該系統(tǒng)中WIA-PA無(wú)線IO適配器與循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置中的PLC通信接口相連，通信接口協(xié)議采用Modbus協(xié)議，無(wú)線IO適配器作為Modbus主站，自動(dòng)加藥裝置中的PLC作為Modbus從站。現(xiàn)場(chǎng)PLC集中采集各檢測(cè)儀表中的水質(zhì)數(shù)據(jù)，存入本地保持寄存器，由WIA-PA無(wú)線IO適配器通過(guò)Modbus協(xié)議定時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)PLC的保持寄存器值，并通過(guò)WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至無(wú)線網(wǎng)關(guān)[7]。

WIA-PA無(wú)線路由符合WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，采用電池供電，工作在全球免費(fèi)的2.4GHz頻段[8，9]。主要負(fù)責(zé)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線IO適配器與無(wú)線網(wǎng)關(guān)的通信中繼任務(wù)。當(dāng)無(wú)線IO適配器與無(wú)線網(wǎng)關(guān)間距離較遠(yuǎn)時(shí)，需要無(wú)線路由進(jìn)行通信中繼。在該系統(tǒng)中，由于水處理一車間、二車間和五車間的無(wú)線IO適配器與無(wú)線網(wǎng)關(guān)距離較遠(yuǎn)，所以都增加了無(wú)線路由完成它們之間的通信中繼任務(wù)。

WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理、調(diào)度和優(yōu)化，設(shè)定和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源和路由，配置網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，監(jiān)控并報(bào)告網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)[10]。同時(shí)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)向下接收底層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，并按Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到保持寄存器中向上作為Modbus從站，通過(guò)Modbus協(xié)議接收監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為Modbus主站的讀保持寄存器命令[11]。 WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)還將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線IO適配器節(jié)點(diǎn)地址與對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)PLC地址進(jìn)行映射，使整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)閃IA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的增加或移除而改變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中PLC的地址。同時(shí)，WIA-PA無(wú)線網(wǎng)關(guān)還可以通過(guò)自帶的WIA控制臺(tái)軟件隨時(shí)查看網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息、設(shè)備狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等信息，具有人機(jī)交互功能[12，13]。

3 系統(tǒng)軟件

水務(wù)部控制中心的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件主要采用B/S架構(gòu)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用.net Framework4.5，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具分別采用C#和Visual Studio 2015。

3.1水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)Modbus協(xié)議獲取WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，包括pH、電導(dǎo)率、濃縮倍數(shù)、余氯、藥劑濃度和ORP，然后默認(rèn)以數(shù)據(jù)列表方式顯示9套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置檢測(cè)的最新數(shù)據(jù)，并根據(jù)采樣頻率的不同自動(dòng)刷新數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示

3.2水質(zhì)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線分析

水質(zhì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線的生成和顯示作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，可以直觀反映各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的變化。上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件默認(rèn)以曲線圖方式顯示9套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置當(dāng)天和前一天的數(shù)據(jù)走勢(shì)(圖4)，便于直觀地進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行分析。

3.3水質(zhì)數(shù)據(jù)的綜合分析

通過(guò)對(duì)9套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置檢測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以全面了解和掌握循環(huán)水的運(yùn)行質(zhì)量。上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件以儀表盤(pán)的形式展示了每套自動(dòng)加藥裝置所選日期區(qū)間所選水質(zhì)參數(shù)的合格率，同時(shí)對(duì)采集到的pH、電導(dǎo)率、濃縮倍數(shù)、余氯、藥劑濃度和ORP水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并利用雷達(dá)圖的方式展示各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上又提供了所選水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線走勢(shì)，以拓展數(shù)據(jù)展示范圍(圖5)。通過(guò)三者的綜合比較，最終衡量每項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)、指導(dǎo)、優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。

圖4 水質(zhì)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線

圖5 水質(zhì)數(shù)據(jù)綜合分析

3.4歷史數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)庫(kù)管理

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表，而且管理人員也可以自定義日期區(qū)間查詢歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)取相應(yīng)的歷史記錄查看各套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置檢測(cè)的水質(zhì)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)。循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理也是很重要的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理的主要內(nèi)容是管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的保存，支持9套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置檢測(cè)的水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢。

3.5水質(zhì)數(shù)據(jù)的超標(biāo)管理

每項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)都有最佳運(yùn)行區(qū)間，上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件可以根據(jù)最佳運(yùn)行區(qū)間為每項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)設(shè)定一個(gè)最佳閾值，然后根據(jù)最佳閾值對(duì)采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。超標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，管理人員可以自定義區(qū)間查詢超標(biāo)數(shù)據(jù)歷史記錄，了解水質(zhì)參數(shù)的超標(biāo)情況，進(jìn)而更好地優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的循環(huán)水自動(dòng)加藥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了分布稀疏、距離較遠(yuǎn)的循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集問(wèn)題，而且有效解決了傳統(tǒng)人工抄錄方式常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)時(shí)、不到位、錯(cuò)抄及漏抄等問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)時(shí)顯示各套循環(huán)水自動(dòng)加藥裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)警，解決了人工分析數(shù)據(jù)效率低、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，提高了管理人員的工作效率。該系統(tǒng)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，并且可以推廣到其他應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。

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[11] 資雙飛,張廣會(huì),宋琳.基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電鍍廢水濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2015,(2):17～19.

[12] 鄭偉,黃平,劉剛.基于WIA-PA的農(nóng)業(yè)微灌監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件,2014,(3):498～501.

[13] Zheng W,Huang P,Liu G. Design of Measurement and Control System for Micro-Irrigation Based on WIA-PA[J].Chinese Journal of Electron Devices,2014,37(3):498～501.

TheAuto-dosingMonitoringSystemforPetrochemicalCirculatingWaterBasedonWIA-PAIndustrialWirelessTechnology

DONG Chao, ZHANG Xiao-wei, LI Chao

(TianjinKeyLaboratoryofControlTheory&ApplicationinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology)

Considering wide distribution, large cross-domain and high cost of wiring and debugging and the maintenance of the auto-dosing device in petrochemical enterprises, a WIA-PA industrial wireless technology-based auto-dosing monitoring system for the circulating water was proposed. Through establishing the WIA-PA-based industrial wireless network, the key data of the auto-dosing device for circulating water were collected, uploaded and stored and real-time displayed via cloud terminals, including having radar charts employed to comprehensively analyze the data relating to early warning and qualified rate.

monitoring system, auto-dosing device, circulating water, WIA-PA

董超(1978-)，副研究員，從事過(guò)程控制系統(tǒng)技術(shù)、智能控制理論及應(yīng)用的研究。

聯(lián)系人張曉偉(1989-)，碩士研究生，從事WIA-PA工業(yè)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用研究，775075793@qq.com。

TH865；TP391

A

1000-3932(2017)10-0968-05

2017-05-04，

2017-07-10)