無線遠(yuǎn)傳技術(shù)在罐區(qū)監(jiān)控中的應(yīng)用

柳永剛，李冬生，韓麗云

(福斯特惠勒(河北)工程設(shè)計有限公司，石家莊 050051)

隨著石油化工生產(chǎn)技術(shù)的革新和發(fā)展，對罐區(qū)的監(jiān)控提出了更高的要求。在浙江某化工石油公司潤滑油項目中，若采用傳統(tǒng)的有線方式，無論是施工安裝還是后期維護，都存在著成本高、工期長的弊端。結(jié)合罐區(qū)實際應(yīng)用，根據(jù)項目工藝要求，筆者設(shè)計了一套基于無線遠(yuǎn)傳技術(shù)的罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，具有操作簡單、施工快捷、維護方便、費用低廉等優(yōu)點[1]。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線遠(yuǎn)傳技術(shù)是面向設(shè)備間低速率、短程信息交換的無線通信技術(shù)，具有較強抗干擾能力、超低功耗、實時通信等特點，適用于惡劣工況下的工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境[2]。

鑒于項目占地面積大，監(jiān)控設(shè)備多，且相互間距較遠(yuǎn)等特點，罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)(含基礎(chǔ)油灌區(qū)和成品油罐區(qū))設(shè)計中采用無線遠(yuǎn)傳技術(shù)的監(jiān)控方案。監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測設(shè)備、通信鏈路、中心控制設(shè)備三大部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中現(xiàn)場檢測設(shè)備包含無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線液位變送器、液位開關(guān)等；通信鏈路包含無線網(wǎng)關(guān)、工業(yè)控制網(wǎng)、交換機等；中心控制設(shè)備包含操作臺、操作員站、工程師站等。

2 產(chǎn)品選型方案

由于主裝置區(qū)的控制系統(tǒng)采用艾默生的Delta V系統(tǒng)，為了確保整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和兼容性，罐區(qū)監(jiān)控采用艾默生智能無線儀表技術(shù)。選用該系統(tǒng)的優(yōu)點： 采用與主裝置有線變送器相同的檢測元件，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性；采用帶自主搜索功能的無線網(wǎng)關(guān)，使得傳輸路徑短、數(shù)據(jù)實時性更高；上位機組態(tài)簡單方便，人機交互性強，組態(tài)界面友好且支持多種通信協(xié)議[3]。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2．1 無線壓力變送器

無線壓力變送器選用羅斯蒙特 3051S壓力變送器，用于實時監(jiān)測儲罐入口、出口管道介質(zhì)壓力。3051S無線壓力傳感器總體精度不低于±0．1% 量程，就地顯示配置液晶顯示器；采用防腐蝕設(shè)計，適用于基礎(chǔ)油灌區(qū)和成品油罐區(qū)的使用環(huán)境；具有功能強、可靠性高、應(yīng)用靈活、操作方便等特點；通過無線通信協(xié)議與控制室間進行數(shù)據(jù)通信。

2．2 無線溫度變送器

儲罐溫度檢測為單點溫度測量，變送器采用羅斯蒙特 648 無線溫度變送器，包括1個大型易讀顯示屏、用戶可配置的過程警報、長距離和擴展范圍天線選項以及用于增強準(zhǔn)確性的變送器-傳感器匹配技術(shù)。648無線溫度變送器完全兼容經(jīng) IEC 認(rèn)證的 Wireless HART 網(wǎng)絡(luò)，是一項可提供豐富診斷數(shù)據(jù)和可靠性能的智能無線溫度儀表。

2．3 無線液位變送器

罐區(qū)液位變送器采用3051S差壓變送器，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，與傳統(tǒng)的傳感器安裝方法相同，同時省去了有線儀表電纜敷設(shè)的施工量；運行穩(wěn)定，使用電池供電，消除了外界電網(wǎng)干擾；通過無線通信協(xié)議與控制室進行數(shù)據(jù)通信。

2．4 無線液位報警

液位報警采用羅斯蒙特2160無線振動音叉式液位開關(guān)。根據(jù)工藝要求選用法蘭連接方式、鋁制外殼、帶五位集成式 LCD就地顯示器、PBT/PC 一體化全向天線、防護等級IP66、本質(zhì)安全型。該液位開關(guān)可連續(xù)執(zhí)行音叉和傳感器的儀表健康診斷，這些診斷可檢測音叉的外部損壞、傳感器的內(nèi)部損壞、過度腐蝕和超溫情況；可承受-70～260 ℃(-94～-500 ℉)的溫度和高達(dá)10 MPa (100 bar) 的壓力，在項目周圍環(huán)境下滿足監(jiān)控要求。

2．5 無線網(wǎng)關(guān)

監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場儀表將檢測得到的溫度、壓力、液位、報警等實時參數(shù)通過無線網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)娇刂剖业纳衔粰C系統(tǒng)。項目采用Wireless HART自組織網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議使用以太網(wǎng)(也可選用RS-485)實現(xiàn)系統(tǒng)交互操作，并選用具有OPC功能的智能網(wǎng)關(guān)，使其能夠為新系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)鏈路。該設(shè)備具有1個無線接口、1個RS-485接口、1個TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，可以實現(xiàn)如下功能： 實現(xiàn)第三方產(chǎn)品的協(xié)議轉(zhuǎn)換；實現(xiàn)有線通信和無線通信之間的轉(zhuǎn)換；作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將有線RS-485或者無線通信轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

智能無線網(wǎng)關(guān)具備安全性能高、可擴展、傳輸數(shù)據(jù)可靠等特點。其網(wǎng)絡(luò)采用安全分層模式，確保其具有較高的安全性；可擴展性滿足了用戶可隨時增加設(shè)備的需求；同時網(wǎng)關(guān)具有自動管理網(wǎng)絡(luò)功能，無需配置通信路徑，確保了Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備傳送數(shù)據(jù)線路的可靠性。

3 罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)通信與組態(tài)

3．1 系統(tǒng)通信

從圖1可以看出，罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)采用了無線和有線相結(jié)合的通信方式。

3．1．1無線通信部分

每個儲罐需要檢測的溫度、液位、壓力、報警等參數(shù)，一般分布相對比較集中。智能無線技術(shù)采用的是2．4 GHz頻段，并將其分成了16個更窄的頻段且采用跳幀技術(shù)，若在一個頻段檢測到干擾，網(wǎng)絡(luò)通信會自動切換到另外一個頻段[4]。此外還采用了先進的基于標(biāo)準(zhǔn)的加密、識別、驗證、密鑰管理等技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。

3．1．2有線通信部分

數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)要傳送到控制室工業(yè)控制機中，傳輸媒介采取了抗干擾能力強、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)通信量大的光纖，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和穩(wěn)定性。

3．2 系統(tǒng)組態(tài)

基于無線遠(yuǎn)傳技術(shù)的儀表組態(tài)主要包含網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示(Network ID)、數(shù)據(jù)刷新速率、握手密碼(Join key)等參數(shù)的設(shè)置，這些參數(shù)均通過支持無線功能的HART375手操器實現(xiàn)。數(shù)據(jù)刷新速率需根據(jù)實際工況確定，該罐區(qū)檢測系統(tǒng)設(shè)置為5 s；網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示、握手密碼要與網(wǎng)關(guān)設(shè)置一致。

通過電腦登錄網(wǎng)關(guān)對諸如IP地址、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示、數(shù)據(jù)刷新速率、握手密碼等參數(shù)進行配置。IP地址根據(jù)生產(chǎn)裝置區(qū)有線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址段修改，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示、握手密碼，使用了默認(rèn)值。

設(shè)置完以上參數(shù)，無線儀表與網(wǎng)關(guān)連接成功后，再對無線儀表進行PV值地址設(shè)置。經(jīng)過無線網(wǎng)關(guān)和儀表的組態(tài)配置，形成了無線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)Delta V系統(tǒng)要求，對控制室工控機工程師站、操作員站的I/O點和畫面進行組態(tài)，整個控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)對罐區(qū)的監(jiān)控功能。

4 注意事項

根據(jù)項目竣工總結(jié)得知，基礎(chǔ)油灌區(qū)和成品油罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)施工工期縮短了17天；監(jiān)控系統(tǒng)投資減少10．7萬元。從項目的執(zhí)行效果看，系統(tǒng)運行中仍有需注意之處。由于現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由電池供電，盡管設(shè)備在研發(fā)中已采取了諸如先進的電源管理技術(shù)、快速設(shè)備喚醒時間、低功率電子部件和能量收集技術(shù)等[5]，力求將設(shè)備的耗電量降低到最低限，但在苛刻的工廠環(huán)境中電池仍是一個非常重要的組件。在設(shè)計選型和設(shè)備使用中，應(yīng)采取以下措施，來保證設(shè)備正常運行：

1) 儀表電池選配高質(zhì)量產(chǎn)品，要求其使用壽命不低于5年。

2) 加強日常設(shè)備巡檢，須將現(xiàn)場儀表的供電狀況納入全天監(jiān)控范圍，一旦發(fā)現(xiàn)供電異常，應(yīng)及時處理，做到有問題早發(fā)現(xiàn)、早處理，避免因電池供電問題影響設(shè)備的正常使用。

5 結(jié)束語

基于無線遠(yuǎn)傳技術(shù)的儀表監(jiān)控系統(tǒng)投用后，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，維護工作量小。實際應(yīng)用表明： 無線遠(yuǎn)傳技術(shù)具有施工快捷簡便、成本低廉，節(jié)省材料和人工，建設(shè)周期短，安全可靠，便于后期維護等優(yōu)點，特別適用于罐區(qū)以及其他具有占地面積大，設(shè)備間距較遠(yuǎn)，監(jiān)控設(shè)備多而分散特點區(qū)域的系統(tǒng)監(jiān)控。

參考文獻：

[1] 曲濤．工業(yè)無線儀表在油氣行業(yè)的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(09)： 6-7．

[2] 卓傳金．無線儀表技術(shù)在油田擴建項目中的應(yīng)用[J]．自動化與儀表,2013(05)： 56-57．

[3] 曾鵬,張華良,徐皚冬．工業(yè)無線技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用[J]．儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量,2008(02)： 27-32．

[4] 李蛟,楊仁錕,肖峻．2．4 GHz無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及ZigBee抗干擾性能[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2006(03)： 31-35．

[5] 趙新秋．工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[J]．自動化與儀器儀表，2008(04)： 3-6．

[6] 李文仲，段朝玉．ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M]．北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

[7] 中國石化集團北京設(shè)計院．SH/T 3092—1999 石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S]．北京： 中國石化出版社,1999．

[8] 中國石化集團北京石油化工工程公司．SH 3005—1999 石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S]．北京： 中國石化出版社,1999．

[9] 邱宣振,賀大運,姜國平．工程自動化設(shè)計應(yīng)用手冊[M]．合肥： 國際科教文出版社,2004．

[10] 許航．基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的能源計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]．計量與測試技術(shù),2010(03)： 19-20．

[11] 夏琳琳,谷麗君,王建國,等．CAN總線與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計[J]．化工自動化及儀表,2012,39(01)： 63-67．