煉化企業物聯網技術應用研究

曹 旭

（中國石油錦西石化分公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

工業物聯網（IIoT，Industry Internet of Things）是物聯網在工業上的應用。工業物聯網的連接方式分為有線和無線兩大類。而無線網絡由于其架設更為方便，成本低廉，將會被越來越多地應用到流程工業中。

1 低功耗廣域網建設

低功耗廣域網技術正是為了滿足物聯網遠距離通信需求應運而生的一種無線通信技術。低功耗廣域網絡在物聯網發展中占據重要位置，包括NB－IoT、LoRa、eMTC、UNB、Wi－Fi HaLow 等多個標準，適用于不同場景的長距離無線物聯網通信應用，具有低功耗、廣覆蓋、大量連接、低成本、高頻譜利用率等優勢。

流程行業智能化轉型的關鍵在大量工業數據的獲取及分析應用，數據采集需求會隨著低功耗廣域網的發展被提出，隨著數據的匯總量越來越多，以及云計算、大數據以及人工智能技術的發展，可以對這些數據進行有效存儲、挖掘分析與應用，使得流程行業的管理形成更多基于數據的閉環，推動工廠逐步向智能化方向演進。在這個過程中，低功耗廣域網扮演了重要的數據匯集傳輸的角色。

eLTE－IoT（Enterprise Long Term Evolution -Internet of Things）是華為公司將4G－eLTE 技術與NB－IoT 技術相結合，推出的一個支持企業自建的低功耗廣域網技術，也是華為公司專門為行業物聯網領域開發的基于3GPP 標準的窄帶物聯解決方案。eLTE－IoT 解決方案充分考慮了開放頻譜的共享特性可能引發的干擾，采用跳頻等技術避免外部干擾，提高了通信的可靠性。同時，采用先進的糾錯碼、快速糾錯能力保障ISM 開放頻譜的連接可靠性。

eLTE－IoT 解決方案采用免授權的Sub－GHz 頻段，免去了企業難以申請頻譜的困擾。eLTE－IoT 解決方案支持470MHz－510MHz、902MHz－928MHz、863MHz－870MHz 等 開 放 頻 譜，且滿足中國《微功率（短距離）無線電設備管理暫行規定》的要求，滿足美國FCC、歐洲ERC－REC 70－03 等各個國家和地區的規范要求。

1.1 低功耗

eLTE－IoT 采用PSM（Power Saving Mode，功率節約模式）和DRX（Discontinuous Reception，非連續接收）技術降低功耗，支持小包快傳技術，數據發送時間短、傳輸效率高，電池壽命高達10 年。

1.2 廣覆蓋

eLTE－IoT 是一種廣域組網技術，最大可達10 千米覆蓋半徑，支持室內、室外多場景覆蓋，甚至可穿透建筑物地下二層，也適合于流程行業工廠下的鋼結構裝置區使用。

1.3 大量連接

eLTE－IoT 單設備支持最大5 萬個接入用戶數，可解決高密終端或傳感器同時接入網絡的問題。

1.4 高頻帶利用率

內置1GHz 以下ISM 頻譜、功率譜密度提升發射、時域重傳等技術，單信道占用更小的頻率資源，相同帶寬下可以帶來更大的容量提升。SlottedALOHA 技術能夠減少碰撞概率、提高傳輸效率、增強系統容量，并且支持多并發信道，提高頻帶利用率。

1.5 抗干擾能力強

其采用了跳頻技術避免外部干擾，使用先進的糾錯碼實現快速糾錯能力，增強了通信的抗干擾性。

2 低功耗廣域網應用

通過低功耗廣域網的建設，能實現以下各類應用：

2.1 人員三維定位

人員三維定位在石油化工智能制造扮演著重要的角色。首先，可以對外操人員的日常巡檢、維修等操作進行位置指引，提升工作效率。其次，可以根據位置情況進行必要的現場警示、通知、危險講解。再次，在人員發生緊急意外時，可以精確定位位置和高度，便于快速施救，避免二次傷害。此外，還可以高效地對現場工作人員進行基于位置的調度指揮，便于應對各類突發事件。

2.2 SOS 報警

石油化工現場存在各類危險作業環境，一旦發生氣體泄漏傷害、高溫液體濺射傷害、蒸汽傷害、人員跌落傷害、電擊傷害等事故后，如何快速將人員發生的傷害信息及位置信息報送到指定的救援人員，并實現快速施救，保障現場工作人員的生命安全，是智能工廠建設必須考慮的問題。首先，SOS 報警功能應將現場操作人員活動狀態、三維位置以及報警信息等數據，通過人員隨身攜帶的智能終端或身份卡上的eLTE-IoT 模塊，發送到后臺。其次，報警終端應具有摔倒檢測功能和多媒體通信功能，在報警發出后，便于救援人員與報警人員進行溝通并對報警信息進行確認。最后，報警身份卡需要極低的功耗，使得該卡不用頻繁插線充電，為使用人員帶來極大的方便。

2.3 動設備溫度、振動監測

旋轉機械設備在流程工業起到非常重要的作用，工業生產設備一旦因故障停機，損失將十分巨大。另一方面，企業為了防止發生因機械故障導致的事故，又會對機械設備進行過度維修。因此，既防止故障發生，又減少維修支出就顯得尤為重要。旋轉類機械是機械設備中的重要組成部分，也是國民經濟各個部門中應用最普遍、最廣泛的機械設備，旋轉機械設備在運動時，由于旋轉件的不平衡、負載的不均勻、結構剛度的各向異性、間隙、潤滑不良、支撐松動等因素，總是伴隨著各種振動。齒輪、軸和軸承是構成機器傳動系統的關鍵零件，機器工作時這些零件會產生振動，若發生故障，其振動信號的能量分布就會發生變化，因此振動信號可以作為機器傳動系統故障特征的載體。經驗豐富的維修人員，通過觸摸和傾聽振動強度及聲音，就可以判斷出機械設備明顯的故障。但關于設備早期或特征不突出的故障，維修人員還是無能為力。對機械設備進行振動檢測的研究，不但可以有效地檢測設備的運行情況，還可以正確地判斷出故障發生的位置，并進行處理，減少了對設備拆卸的次數。

現有流程行業工廠的旋轉機械設備中，10%～20%的大型重要機泵基本實現了基于有線連接的在線振動檢測分析，但其它80%～90%的中、小機泵等旋轉機械設備，很多依然采用維修人員通過觸摸和傾聽振動強度及聲音來判斷故障，這是因為有線的在線振動采集及分析系統設備價格昂貴，不便于大規模推廣使用。隨著低功耗、低成本振動傳感器、eLTE-IoT 低功耗廣域網、現場本質安全充電等技術的發展，使得低成本、廣覆蓋、長壽命的無線振動及溫度檢測、故障分析成為可能。工廠內全部旋轉機械設備在線檢測的實現，將為真正意義上的預測性維檢修提供完整、及時的數據支持。在節省大量的人力、物力檢測維護成本的同時，也提高了企業的安全管理水平，為傳統工廠向智能工廠演進提供了有利的工具。

2.4 靜設備腐蝕監測

腐蝕是材料與外部環境、內部物料反應引起的材料破壞與變質，腐蝕是造成流程工業中金屬設施破壞的主要原因之一。在流程行業，大量使用各種金屬設備，容易遭受腐蝕，設備腐蝕造成的損失及危害包括：設備發生腐蝕后的維修、更換及勞務費用；設備腐蝕造成的停工、停產；跑、冒、滴、漏造成的物料流失、環境污染；腐蝕造成的產品污染、質量下降、能耗增加；腐蝕造成的設備破壞、人員傷亡、災害事故等。

腐蝕監測就是對設備的腐蝕狀態、腐蝕速度以及某些與腐蝕有關的參數進行系統的測量，并通過監測的信息對生產過程有關的參數進行自動控制或報警。流程工業生產的特點是連續性和大型化，這要求盡量減少停車檢修的時間和次數，延長設備連續運轉的周期。然而，腐蝕的發展是不可避免的，控制腐蝕發展的速度則需要進行腐蝕監測。一般認為，腐蝕監測可以帶來數十倍乃至上百倍的經濟效益。

腐蝕監測的目的主要有：一是使設備在接近最佳狀態下運行，提高生產能力，改善產品質量，延長設備使用壽命；二是預報適時維修需要，減少投資費用，減少操作費用；三是保證設備的安全運行，保證操作人員的安全，有益于降低環境污染；四是有助于鑒定腐蝕原因，判斷防腐蝕方法的效果；五是為管理決策提供依據。

腐蝕監測技術包含離線檢測和在線監測兩大類。離線檢測是設備運行一段時間后，檢查設備的腐蝕狀況，如有無裂紋、剩余壁厚、剩余強度以及是否有局部腐蝕穿孔的危險。在線監測是在設備處于運行狀態，利用各種在線腐蝕監測手段測量即時腐蝕速率，以及能影響腐蝕速率的各種工藝參數，并據此來調整工藝參數和采取相應防范措施，從而預防和控制腐蝕的發生與發展，使設備處于良好的可控運行狀態。目前，常用的腐蝕監測技術主要有：掛片法、電阻探針法、電化學法、電位監測法、電感法、化學分析法、超聲波法、渦流法、紅外成像法、耦合多電極技術、氫通量法等。

將傳統的腐蝕測量技術進行篩選評估，選擇廣譜適用、低功耗的傳感器，與eLTE-IoT 通信技術相結合，實現對流程工業現場設備腐蝕狀況信息的采集，也能進一步提升設備預測性維檢修的效率。

2.5 有毒有害氣體濃度監控

石油化工行業，加強對有毒有害氣體泄漏的管理具有十分重要的意義。石油化工生產過程存在的有毒有害氣體種類多、分布廣，主要有硫化氫、氯氣、一氧化碳、氨氣、苯蒸氣等。特別是隨著原油種類的變化，原油中硫含量升高，其生產工藝介質中硫化氫的含量也越來越高，硫化氫中毒的危險性越來越大。設備故障、管理不善等原因造成有毒有害氣體泄漏時，極易造成人員中毒的嚴重后果。

隨著半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、紅外氣體傳感器、熱傳導式氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器等不同種類的氣體傳感器的發展，將低功耗廣域網與低功耗氣體傳感器技術結合起來，形成基于無線的低成本易部署氣體傳感采集網絡，將是流程行業現場有毒有害氣體監測的發展趨勢。