工业无线仪表在油气行业的应用

摘　要：在过去两年里，油气行业的创新者们已经体验并证实了无线监测仪表在远程或难以到达区域中的应用价值，无论从运行性能还是成本考虑，无线方案都具有很大优势，而且安全可靠，可以广泛应用于传统采用有线方案的上游作业中。

关键词：无线仪表 油气行业 Wireless Hart

1. 前言  
　　在过去两年里，油气行业的创新者们已经体验并证实了无线监测仪表在远程或难以到达区域中的应用价值，在这些应用中如果采用有线设备，那么所需的高昂建设成本将是无法承受的。无论从运行性能还是成本考虑，无线方案都具有很大优势，而且安全可靠，可以广泛应用于传统采用有线方案的上游作业中。传统的接线依然会用于运动控制及安全系统等。但无线技术已普遍应用于现有工厂装置中，而且在新建油气项目中也已开始使用。
2. 无线技术优势
     先进的无线技术与有线技术相比，投入成本低，占地面积少，是平台、油气终端应用的理想选择。与传统4-20毫安有线模拟量仪表相比，安装无线每个节点可节省30%的费用，无线技术在北美地区已成为主流应用。任何熟悉工业自动化的人都知道，从本世纪90年代中期开始，人们就在寻找一种可以替代4-20mA模拟标准的技术，后来ISA开发了Foundation 现场总线等技术，已为各工业行业广泛应用。
     最新的研究表明如果所需敷设电缆不超过250米，连接点数小于500点，那么无线仪表的安装成本比Foundation现场总线方案还要低。如果高于这个指标，现场总线方案会比无线方案更省钱。这就说明海上应用可以综合利用这些技术，在安全系统中采用传统的4-20毫安；控制采用现场总线；监测和低频率控制应用则使用无线技术。无线的优势还包括：简化工程和实施工作，启动更快更灵活，既使后期改变设计也没问题，因为它的安装非常简单。安全也是需要考虑的因素，过程和运行信息可根据需要进行无线传递，工作人员无需在高压高温的地方人工读取数据。
     Emerson采用自组织网状网络技术，弥补了老式的，需要目视路径的系统所存在的缺陷。比如，无线仪表可以任意分布在陆上油田，而采用传统的有线仪表进行数据采集难以实施，而且缺乏灵活性。自组织网状网络连续监测压力、温度、流量和振动测量设备的数据传输，并自动寻找信号到达网关的最佳通讯路径，如果临时出现某个障碍物挡住了通讯路径，邻近的无线仪表可作为路由器继续传递信号。通过这种方法保持信号的连通，可使数据传输的可靠性达到99%以上。这项技术是WirelessHART标准的根本，该标准获得了200多个代表仪表厂商和用户的HART通讯基金会成员的认可。目前已有相当数量的现场仪表、阀门和设备定位监测器、振动数据变送器和智能无线网关可以满足这项标准，并已应用于石油工业。
3. Wireless Hart技术简介
     HART 通信基金会 HCF 从 2004 年起，宣布开发无线 HART 协议，要求 HART 无线通信技术保证支持产品的互操作性， 与有线 HART 仪表的无缝连接，提升 HART 智能仪表的智能和可连接性。HCF 的无线工作组吸引了世界众多的过程控制供应商加入，主要参加单位有 ：Emerson 、 ABB、 Siemens 、DustNetworks 等。历经近三年的努力，经 HCR 成员投票，无线 HART 的规范和通信协议已在 2007 年 6 月正式通过。无线 HART 技术是指包括五个有关的规范及其对现有几个规范的改进，以及对设备、适配器、网关和网络管理设备的要求。无线 HART 协议由下列五个规范来描述， 即 《无线物理层规范》 HCR-SPEC-065 、 《 TDMA 数据链路层规范》HCR-SPEC-085 、《网络管理规范》HCR-SPEC-085 、 《无线命令规范》HCR-SPEC-155 和 《无线设备规范》HCR-SPEC-290。另外还发布一个《无线 HART 用户导则》HCR-LIT-086。
2007 年 9 月中旬，HCF 和 ISA 达成一个协同计划的协议，目的是：评估无线 HART 协议作为 SP100.11a 标准系列中的一个子集的可能性。通过让 ISA SP100 标委会和 HCR 的成员都能得到各自无线标准规范的文本，进行详细研究，并成立联合委员会开展工作。如果结论明朗， 则建立一种适当的机制解决版权的问题，协调和同步这两个标准；如果结论不那么明朗，为了工业应用的利益，仍然要解决 SP100 和无线 HART 协议二者之间尽可能的兼容。
     无线 HART 是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议。它是 HART 现场通信协议第七版 HART7.0 的核心部分，又充分吸取了近 20年HART为过程自动化工业服务的各种经验。与所有符合 HART 协议的仪表和设备一样， 无线 HART向后兼容于现有的 HART 设备和应用。现有的 HART 应用 （包括控制系统、 PLC 、 维护工具、资产设备管理应用等），无需进行任何软件升级，都可以利用无线 HART 协议。它采用工作于 2.4GHz ISM 射频频段、具有安全、稳健的网格拓扑联网技术，在将所有信息统统打包在一个数据包内，通过与 IEEE 802.15.4 兼容的直序扩频 DSSS和跳频技术 FHSS 进行数据传送。 无线HART 的架构是按以下原则设计的， 即易于使用、可靠，以及与无线传感器网格型协议相兼容。它强制规定所有的兼容设备必须支持可互操作性，这就是说不同制造厂提供的无线 HART 仪表和设备，无需进行系统操作就能实现互换，即连即用。再者，无线 HART 要向后兼容于 HART 的核心技术，诸如 HART 的命令结构和设备描述语言 DDL 。 所有的HART 设备（例如网管、网关、现场设备等等）都应支持 DDL 。
     无线 HART 通信利用时分多址 TDMA 技术来协调调度网络设备间的通信。TDMA 数据链路层以指定时间槽和信道（频率）的方式来建立网络中各设备间的链接，这些链接组织成周期性重复的超帧结构，以支持定时循环的通信流和非循环的通信流。为了弹性地利用通信带宽，链接可以是专用的（如为保证过程数据以最小的延迟传送），也可以是共享的。传统的 HART 协议是一种支持请求 / 响应和过程数据发布两类通信的令牌传送网络。将无线 HART 纳入整个 HART 的结构，就包括了附加的无线 HART 的物理层 IEEE 802.15.4-2006 和 TDMA 数据链路层。其网络层完整地规范了使用全无线网格化的网络的部署 ； 应用层则支持 HART 的应用层。
     无线 HART 规定了三种主要的网络要素 ： 无线HART 现场设备、无线 HART 网关和无线 HART 网络管理器。还支持无线 HART 适配器，以便将现有的HART 设备接入无线 HART 网络；以及无线 HART手持设备，以便

就近接入相邻的无线 HART 设备。值得注意的是，在无线 HART 网络中，网关仅承担现场无线 HART 仪表与主应用系统之间的通信，它既支持一个或多个接入点，又和其接入点都包括在每个无线HART 网络中；另外也支持冗余网关的结构。网络管理器负责网络的组态、无线 HART 网络设备之间的通信调度、路径表的管理和无线 HART 网络健康状况的报告。这一特点与许多无线短程网规定的网关又承担网络的组态有显著的不同，较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要求。
4. 成功应用
     英国BP Wytch油田很早就开始应用智能无线网络，这是欧洲最大的海上作业油田之一。为了提高工作人员的效率，免除每天人工巡检读取井口仪表读数的工作，BP公司安装了40台罗斯蒙特无线压力变送器，每个井口2台。智能无线网关单独安装在过程区域以外，将无线变送器的信号传递到控制系统。新添加任何一台无线仪表只需30分钟即可运行，无线仪表可对油井进行连续监测，发现压力的异常情况。
     StatoilHydro公司在其Grane石油平台上也采用了智能无线网络，用以对地处北海岸偏远地区的井口和热交换机进行远程监测。有些障碍物会阻挡目视通讯路径，但对于自组织无线网络来说这完全不是问题。在这个项目中，井口安装了22台无线压力变送器，用以测量环空压力，另外12台表监测进口压力和热交换机的压降。每台变送器通过无线网关将数据传递到控制室操作站。
      在无线仪表的使用过程中，信号强度和一致性表现出色，数据可靠性和稳定性达到100%，大大减少了人工读取仪表数据的工作量，同时也减少了工作人员暴露在危险场所的机会。委内瑞拉国家石油公司投资几百万美元改造Morichal工厂的自动化装置，其中包括安装无线网络，对180口油井进行监测。该无线自组织网络采用了600多台无线变送器。无线方案不但节省成本，而且可提供可靠的压力和温度测量数据，如果采用有线方案会有接地问题，而安装在井口的电子驱动设备会产生谐波影响有线仪表的精度。
     2007年无线产品正式出现在市场后，目前已有宝钢化工公司梅山分公司、上海赛科石油化工有限公司、江西卡博特蓝星化工公司、中石油塔西南化肥厂、中海油友谊号平台输油船、华能上海石洞口第一电厂、昆明红云红河烟厂等数十家成功应用了无线仪表及系统。
5. 无线方案在新建项目中的研究
     近期的一些研究表明无论是在小型或大型新建项目中，当智能无线技术占到整个项目I/O的25%到45%时，优势最显著。此外无线技术可提高项目设计的灵活性，同时由于它的实施和安装都很简单，因此还能缩短工期。研究结果显示，新建项目的最佳实施方案是采取有线HART、现场总线和无线通讯相结合的方式。无线方案用于新建海上人工作业平台。根据艾默生针对一个4000I/O的海上平台所做的一项调查证明，无线技术可广泛应用于过程应用，并不仅仅局限于那些无法采用有线方案或实施有线方案代价过高的地方。

成本节省研究图标
    在项目安装成本方面比较有线HART、现场总线和无线设备的各种组合方案，我们发现相对于其它通讯技术无线方案的成本效率最高。在上述石油平台的研究中，大约17%的信号是通过无线设备进行有效传递的，在过程控制系统中安装无线网络节省了7%（100万美元）的安装费用，此外，还减少了800个有线接点，因此减轻了35吨的重量，并由于减少了线缆、线槽、接线盒和机柜，使占用甲板的空间减少了129立方米。
根据常规有线方案的接线长度来进行成本的推算，我们发现无论怎样的距离，无线仪表都能节省费用，而且距离越长，节省越多。研究小组据此制作出一个成本计算器，用以测算采用无线方案实现的项目费用节省。
无线技术用于新建过程工厂。一家独立的咨询公司对化工过程工厂进行了调研，得出一致的结论：凡是新建项目，无论规模大小，采用智能无线技术都能显著节省安装成本，如果无线所占项目点数的比重为45%，那么其在工程、基建和开车上的花费要比有线方案节省35%以上。
6. 总结
    无线产品尽管出现与2007年左右，但是其凭借其降低成本、缩短项目周期、调试简单、稳定可靠、二次投资少等特点，迅速抢占了工业系统、仪表的市场份额。基于Wireless Hart技术及自组织网络结构，大大提升了无线仪表系统的稳定性、安全性和智能性，在过程控制领域已经有了广泛的应用。但是由于还没有满足SIL等级的无线仪表，故将无线仪表应用在安全仪表系统中还不成熟。