WIA-PA技術在計量監測系統中的應用

劉微，王宏建，李杰，李自紅，潘衛東

(中國石油天然氣股份有限公司 蘭州石化分公司 a. 計量部；b. 電議事業部，甘肅 蘭州 730060)

傳統的工業計量數據采集系統一般采用電纜物理連接，電纜用量大，后期維護周期短、維護量大，對距離控制室較遠的分散計量點數據無法滿足實時、集中監測需求，同時不利于系統的擴展以及管理的提升。筆者提出現場采用面向工業過程自動化的無線網絡 WIA-PA(wireless networks for industrial automation process automation) 技術和具備無線傳輸功能的采集設備，解決計量不實時、準確性不高、人工抄表計量工作量大等問題，既可實現計量管理部門對各計量點的集中、實時監測與交接計量，同時也可滿足各生產裝置對物料平衡數據的及時查詢與跟蹤。

1　WIA-PA技術簡介

WIA-PA是面向工業過程自動化的工業無線網絡標準技術，是中國工業無線聯盟針對過程自動化領域制定的 WIA 子標準，是基于 IEEE 802.15.4 標準的用于工業過程測量、監視與控制的無線網絡系統[1]。

WIA-PA網絡由主控計算機、網關設備、路由設備、現場設備和手持設備5 類物理設備構成，采用星型和網狀結合的兩層網絡拓撲結構，第一層的網狀結構由網關和路由設備組成，第二層的星型結構由路由設備及現場設備或手持設備組成。

2　WIA-PA無線計量監測系統整體結構

2.1　整體結構

WIA-PA無線計量監測系統采用三層式網絡結構，主要有現場數據采集層、網絡傳輸層和控制中心應用層[2]，系統總體結構如圖1所示。

1) 現場數據采集層。主要用WIA-PA無線適配器與現場質量流量計的HART接口連接，再由WIA-PA無線適配器將采集到的數據上傳到WIA-PA智能無線網關。

2) 網絡傳輸層。通過WIA-PA智能無線網關接入公司內部網絡進行傳輸。

圖1　WIA-PA無線計量監測系統的總體結構示意

3) 控制中心應用層。主要實現人機交互功能，將現場采集的數據集中顯示、綜合分析，隨時跟蹤現場數據波動情況，并將數據上傳到PHD數據庫，再由計量信息管理平臺進行數據的統一管理。

2.2　硬件搭建結構

整個監測系統的硬件搭建主要分為廠區內WIA-PA數據采集網絡、傳輸網絡建設及控制中心應用管理平臺的建設。

廠區內WIA-PA數據采集網絡、傳輸網絡主要由WIA-PA智能無線網關[3]、WIA-PA無線適配器、WIA-PA中繼設備和現場計量儀表構成，并以不同生產裝置區為劃分組建現場網絡。其中由WIA-PA智能無線網關管理現場無線適配器、中繼節點，同時匯集現場設備數據，通過協議轉換上傳到主控計算機[4]；WIA-PA無線適配器主要實現現場計量儀表數據的無線轉發功能，設備通過HART接口提取現場計量儀表數據并無線透傳到WIA-PA智能無線網關，對于建筑遮擋嚴重的應用地點，使用WIA-PA中繼設備實現信號盲點的數據跳傳功能[5]；控制中心的管理平臺集服務器、Buffer機和數據庫于一體，提供管理設備信息、網絡信息、設備狀態信息和網關數據的實時查詢與數據存儲功能，并通過OPC協議將數據上傳到公司PHD數據庫，供用戶使用。

3　WIA-PA無線計量監測系統的應用

煉油區物料有6臺計量儀表可實現數據遠傳功能，其中包括20單元T1流量計，27單元T2流量計，潤滑油20線、27/2線2臺流量計，68泵房、4號計量點各1臺流量計。根據各計量點的分布特征及生產網接入點分布特征，規劃為27單元中心控制室、潤滑油中心控制室和4號計量點3個無線局域網絡。

3.1　共性硬件系統實施應用

共性硬件系統主要包括3臺ZAGW2000-A001無線局域網絡的網關、6臺ZAWA1000-B001無線適配器和1臺ZART1000-A無線路由及對應天線的安裝。

3.1.1網關安裝

WIA-PA智能無線網關負責整個網絡的管理、調度和優化[6]，設定和維護網絡通信參數，統一為網絡設備分配通信資源和路由，配置網絡的運行，調度網絡設備間的通信，監控并報告網絡的運行狀態[7]。WIA無線網關作為全網的時間同步源及均衡網絡負載，提供消息緩沖與保存，橋接所有網絡設備，是整個WIA網絡的核心。為保證無線信號覆蓋整個無線局域網絡區域，盡可能選取高度在2～10 m并且具有一定開闊空間的位置進行安裝。

根據現場調研，為了避免建筑物等遮擋，3臺網關均采用壁掛的方式安裝，網關通過網線連接到生產網實現數據上傳，24 V電源線與網絡線纜從所在局域網的中心控制室內獲取。天線安裝在屋頂或根據需要延長到管廊頂端固定，可以有效地避免管線遮擋和其他干擾，同時覆蓋區域更大，為將來增加監測點提供有利條件，天線與網關連接進行了防雷設計，避免雷擊損壞設備。WIA-PA智能無線網關的所有外部接口完成連接后，用防水膠帶或防水膠泥做密封處理，防止設備過程接口進水，影響網絡整體的通信性能。

3.1.2適配器安裝

WIA-PA無線適配器是一種將傳感器數據通過無線WIA-PA網絡進行傳輸的設備，采用WIA-PA無線適配器，實現了采集數據的傳輸由有線方式到無線方式的轉變。煉油區物料6臺流量計的WIA-PA適配器均采用抱桿式安裝，通過兩線制接線方式接入現場質量流量計變送器，從中獲取HART信號，適配器24 V電源由信號線直接提供，天線由適配器的WIA-PA模塊直接輸出。

3.1.3無線路由安裝

68泵房距離潤滑油中心控制室局域網網關265 m，由于距離較遠，中間管廊遮擋較多，因而在適配器與潤滑油中心控制室局域網絡網關之間加裝了ZART1000-A型無線路由進行信號跳轉，保證了網絡穩定運行，確保數據正確傳輸[8-9]。無線路由采用抱桿式安裝，由7.2 V ER34615 能量型鋰-亞硫酰氯電池組供電，電池正常使用壽命為3 a。同時電池自帶休眠機制，當所屬網關信號中斷時，路由會分別以0.5，1.0，2.0，4.0，6.0 h的頻次嘗試與所屬網關依次進行循環連接，避免不間斷地實時連接耗損電能，從而提高了電池使用壽命。

3.2　軟件應用配置

3.2.1配置的主要方法與原則

軟件應用主要包括網關的連接配置、網絡參數配置、適配器與路由的相關配置。網關連接配置主要分為串口方式和以太網方式[10]，實際應用中多采用以太網的連接方式，其中連接地址對應交換機的網址；網絡參數配置包括基本配置和以太網配置，遵循的主要配置原則是網關IP地址對應網關連接地址，可用信道采用無WLAN干擾的純凈信道，取值范圍11～26，一般1臺網關對應3個可用信道，其中包括廣播信道；網絡ID，即配置中的PANID，2 個字節，取值范圍是00-01～FF-FE，對應現場路由和適配器的關鍵參數

3.2.2控制臺應用

控制臺主要實現技術人員對系統的維護與應用，顯示拓撲信息、實時信息表和數據配置等。配置完成后登陸對應網關，查詢網關傳送的數據，并上傳至計量信息管理平臺?？刂婆_需要配置的主要參數是鏈接地址和端口，要求均與網關地址和端口一一對應。

3.2.3軟件配置注意事項

軟件配置參數時應遵循同一網關的路由、適配器對應所在網關的PANID和廣播信道，同一路由的適配器對應所在路由的組號，同一網關的不同路由均由不同組號進行定位，同一路由的不同適配器通過射頻長地址和編號進行定位。

4　數據跟蹤比對情況

無線計量監測系統中數據采集層主要采集現場計量儀表的瞬時流量、累計流量、密度、溫度4個數據信息，數據每分鐘上傳一次。系統全部安裝、調試結束后，針對潤滑油中心控制室局域網絡的20線質量流量計，累計統計了7月4日至7月10日一周內每天10:00的計量數據，進行現場一次表與通過無線傳輸上傳到計量信息管理平臺的數據比對，數據比對匯總見表1所列。

表1　無線傳輸數據跟蹤比對情況匯總　t

理論上，因采集的是HART脈沖信號，現場一次表與無線傳輸的數據應該完全一致，但因現場人工抄取一次表時存在時間誤差，同時由于無線采集數據的時間同步問題，由表1可看出，數據在小數位上有少許誤差，但在允許范圍內。

5　結束語

基于WIA-PA的無線計量監測系統以較低的成本提高了石油企業生產的自動化程度，通過無線監測系統可得到大量距中心控制室較遠的分散計

量點數據，數據上傳及時、準確，實現了計量數據自動化、信息化管理的全覆蓋。同時在使用過程中可以迅速將新的監測點加入到現有無線網絡中，擴容能力強，后期維護少，維護成本低。

參考文獻：

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