智能無(wú)線技術(shù)在海上油田的應(yīng)用

許曉英 （天津修船技術(shù)研究所 天津300456）

金秀北 （天津信達(dá)自動(dòng)化工程有限公司 天津300457）

智能無(wú)線技術(shù)在海上油田的應(yīng)用

許曉英 （天津修船技術(shù)研究所 天津300456）

金秀北 （天津信達(dá)自動(dòng)化工程有限公司 天津300457）

過(guò)程工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變遷是過(guò)程控制領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。針對(duì)“友誼號(hào)”改造提出了智能無(wú)線技術(shù)，主要介紹了智能無(wú)線技術(shù)的原理及特點(diǎn)，并進(jìn)一步介紹了無(wú)線技術(shù)在海上油田的應(yīng)用。

智能無(wú)線技術(shù) 自組織網(wǎng)絡(luò) 解決方案 網(wǎng)關(guān) 路由器

0 引言

過(guò)程工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變遷是過(guò)程控制領(lǐng)域的必然趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有節(jié)約布線費(fèi)用、操作靈活、可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、可實(shí)現(xiàn)互操作等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但是最新的研究表明如果所需敷設(shè)電纜不超過(guò)250 m，連接點(diǎn)數(shù)小于500點(diǎn)，那么無(wú)線儀表的安裝成本比Foundation現(xiàn)場(chǎng)總線方案還要低。如果高于這個(gè)指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)總線方案會(huì)比無(wú)線方案更省錢。這就說(shuō)明在寸土寸金的海上油田應(yīng)用可以綜合利用這些技術(shù)。

1 工程背景

在BZ28-2S工程項(xiàng)目中，BZ29-4平臺(tái)需要把天然氣經(jīng)“友誼號(hào)”輸送到龍口終端。這次SPM單點(diǎn)改造工程是增加兩條輸氣海管到SPM，對(duì)于新增控制設(shè)備，需要通過(guò)單點(diǎn)滑環(huán)連接到“友誼號(hào)”控制系統(tǒng)內(nèi)，但是單點(diǎn)滑環(huán)容量已滿，已無(wú)備用通道。以往傳統(tǒng)解決方案是通過(guò)設(shè)立遠(yuǎn)程控制單元（Remote control unit）+微波通訊器的方案，其結(jié)構(gòu)如圖1。

采用這種解決方案，需要單點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)有足夠的空間放置RTU控制機(jī)柜，并為其搭建符合防爆防護(hù)等級(jí)要求的恒溫空間，同時(shí)還要提供穩(wěn)定的供電電源。但在多數(shù)FPSO或單點(diǎn)上，并無(wú)足夠的空間和穩(wěn)定的電源供遠(yuǎn)程控制單元使用，同時(shí)改造時(shí)需新增的控制點(diǎn)一般很少，此方案工程造價(jià)也很高且設(shè)備利用率低。因此，上述方案并不適合解決此類問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)多方面的考慮和大量論證，最終選用了一種創(chuàng)新的解決方案，即智能無(wú)線技術(shù)方案，盡管無(wú)線技術(shù)在歐美國(guó)家已廣泛應(yīng)用，但是國(guó)內(nèi)海上油田還是第一次使用項(xiàng)目組比較慎重。本次采用了ROSEMOUNT公司生產(chǎn)的無(wú)線智能變送器和配套網(wǎng)關(guān)，構(gòu)成監(jiān)控工藝狀況的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，來(lái)滿足工程項(xiàng)目的儀表控制要求。其結(jié)構(gòu)如圖2。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制的技術(shù)方案主要有兩類，即通過(guò)無(wú)線儀表本身路由或通過(guò)節(jié)點(diǎn)路由。其中WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，就是依靠無(wú)線變送器本身路由來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而ISA 100工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是依靠節(jié)點(diǎn)路由來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本工程項(xiàng)目中采用了第一種，即無(wú)線變送器本身作路由。

WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可分為兩層：第一層是現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備之間的自組織網(wǎng)絡(luò)（self organizing network），這些設(shè)備以自我組織的、智能化的方式與網(wǎng)關(guān)（gateway）通訊。第二層就是網(wǎng)關(guān)和主機(jī)系統(tǒng)之間的無(wú)縫式通訊。這個(gè)主機(jī)系統(tǒng)可以是如DCS，PLC，或類似于設(shè)備管理和維護(hù)的工作站等。

自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)之間的無(wú)縫式通訊，詳見圖3。

2.1 自組織網(wǎng)絡(luò)（Self Organizing Network）

在自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都是其他鄰近設(shè)備的路由器，它們接力傳遞數(shù)據(jù)，直到這些數(shù)據(jù)通過(guò)智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)，到達(dá)控制室。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的無(wú)線通訊物理層協(xié)議，采用2.4 GHz的世界公用頻段（ISM，2 400～2 482.4 MHz），直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）和跳頻技術(shù)（FHSS）。無(wú)需重新組態(tài)或人工介入，設(shè)備可以自動(dòng)跳頻。無(wú)線通訊的鏈路層（Link Layer）符合IEEE 802.15.4工業(yè)無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)保證了可靠通訊，容易使用?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備支持HART協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通訊也是非常安全，數(shù)據(jù)包采用AES-128位的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加密技術(shù)，每臺(tái)設(shè)備通訊時(shí)必須由密碼保護(hù)，設(shè)備加入某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)也必須由密碼確認(rèn)等。詳見圖4。

2.2 網(wǎng)關(guān)與主機(jī)系統(tǒng)如DCS的數(shù)據(jù)通訊

無(wú)線設(shè)備的數(shù)據(jù)通過(guò)智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)集成到主機(jī)系統(tǒng)（如DCS、PLC、及工作站）中。網(wǎng)關(guān)安裝在戶外，提供至少2個(gè)Ethernet 10baseT以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)通訊接口：分別為同主機(jī)系統(tǒng)的通訊和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)之用，同主機(jī)系統(tǒng)的通訊是OPC和Modbus TCP/IP。網(wǎng)關(guān)傳輸所有的 HART數(shù)據(jù)（PV、SV、TV、QV）及相關(guān)設(shè)備信息。

3 無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)

上位機(jī)組態(tài)方便，無(wú)專用軟件，IE瀏覽器組態(tài)界面友好，人機(jī)交互性強(qiáng)，支持Modbus、OPC等多種通訊協(xié)議，以無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)縫式通訊。無(wú)線網(wǎng)關(guān)主動(dòng)搜索并自動(dòng)調(diào)整無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)無(wú)線設(shè)備的增加或減少，同時(shí)網(wǎng)關(guān)可管理并選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。采用與相應(yīng)有線變送器相同的檢測(cè)元件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，保證工藝數(shù)據(jù)來(lái)源可靠。在數(shù)據(jù)傳輸上，它采用時(shí)間同步技術(shù)，以此保證數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)可靠，能夠以99%以上的通訊可靠性實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控；能夠確保工業(yè)級(jí)的安全，以及不干擾其他任何現(xiàn)有系統(tǒng)。節(jié)省材料成本，不需要敷設(shè)電纜、不需要橋架，不需要接線盒、機(jī)柜和I/O卡件，不需要接線，不需要開挖或打開電纜溝及橋架，能夠節(jié)省90%的安裝成本,由此可使平臺(tái)總重量大大減輕。系統(tǒng)擴(kuò)展方便、快捷，增加新的測(cè)點(diǎn)非常容易；未來(lái)改造也無(wú)需考慮增加機(jī)柜、接線盒、卡件、橋架等，并且建設(shè)周期短。系統(tǒng)布置簡(jiǎn)潔，安裝簡(jiǎn)單，后期維護(hù)費(fèi)用大大減少

4 無(wú)線技術(shù)在“友誼號(hào)”改造中的應(yīng)用

“渤海友誼號(hào)”FPSO（Floating Production&Storage Offloading，浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪，以下簡(jiǎn)稱“友誼號(hào)”）是我國(guó)1987年于滬東造船廠建造，由挪威設(shè)計(jì)的最早自主建造的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪，作為渤海南部油田的中心樞紐，通過(guò)海底管線將周邊平臺(tái)生產(chǎn)的原油和天然氣集中并初步處理，處理過(guò)的原油儲(chǔ)存在FPSO油艙內(nèi)集中后外輸。由于BZ28-2S和BZ34-1油田氣量富裕，目前產(chǎn)量受到下游用量限制，仍有部分產(chǎn)能沒(méi)有釋放。為了合理利用該地區(qū)的天然氣，中海油公司決定新建海底管線通過(guò)“友誼號(hào)”將富裕的天然氣輸送到天津地區(qū)，因此對(duì)友誼號(hào)單點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)改造。

本次改造中需要增加DI點(diǎn)4個(gè)（兩臺(tái)關(guān)斷閥的遠(yuǎn)傳閥位信號(hào)），DO點(diǎn)2個(gè)（兩臺(tái)關(guān)斷閥的遠(yuǎn)程控制信號(hào)），AI點(diǎn)2個(gè)（兩臺(tái)壓力變送器的遠(yuǎn)傳信號(hào)）。這就需要單點(diǎn)上至少有8條硬線信號(hào)線，但單點(diǎn)上僅存4條硬線信號(hào)線（單點(diǎn)至FPSO中控之間無(wú)法再拉硬線，電纜需通過(guò)滑環(huán)），為此設(shè)計(jì)人員提出了兩個(gè)可行性方案供選擇：一是在單點(diǎn)上新增1套R(shí)TU，壓力變送器和電磁閥信號(hào)通過(guò)硬線連接至中控，關(guān)斷閥的閥位信號(hào)接入RTU，RTU與FPSO的通訊信號(hào)通過(guò)原滑環(huán)硬線信號(hào)聯(lián)入中控系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是RTU使用比較成熟，缺點(diǎn)是投入大，原滑環(huán)硬線與通信線路不一定匹配，還有可能存在干擾。二是壓力變送器和電磁閥信號(hào)通過(guò)硬線連接至中控，關(guān)斷閥的閥位信號(hào)通過(guò)無(wú)線變送器傳送到中控，總共需要增加兩臺(tái)無(wú)線變送器，一臺(tái)網(wǎng)關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，信號(hào)傳輸可靠；缺點(diǎn)是國(guó)內(nèi)海上油田無(wú)使用先例。工程項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)認(rèn)真權(quán)衡，并與廠家充分溝通在其他地方的使用情況，最終選用無(wú)線變送器傳輸方案。

此項(xiàng)目自2009年11月28日投運(yùn)以來(lái)，無(wú)線儀表運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠，儀表維護(hù)工程師反映良好。

5 結(jié)論

先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)與有線技術(shù)相比，投入成本低，占地面積小，是平臺(tái)應(yīng)用的理想選擇。在海上平臺(tái)應(yīng)用智能無(wú)線技術(shù)，無(wú)論對(duì)新平臺(tái)建設(shè)和現(xiàn)有平臺(tái)改造項(xiàng)目，智能無(wú)線技術(shù)都將發(fā)揮其重要的作用?！?/p>

2011-09-06