煉化企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

曹 旭

（中國(guó)石油錦西石化分公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT，Industry Internet of Things）是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)上的應(yīng)用。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的連接方式分為有線和無線兩大類。而無線網(wǎng)絡(luò)由于其架設(shè)更為方便，成本低廉，將會(huì)被越來越多地應(yīng)用到流程工業(yè)中。

1 低功耗廣域網(wǎng)建設(shè)

低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)正是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離通信需求應(yīng)運(yùn)而生的一種無線通信技術(shù)。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中占據(jù)重要位置，包括NB－IoT、LoRa、eMTC、UNB、Wi－Fi HaLow 等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于不同場(chǎng)景的長(zhǎng)距離無線物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用，具有低功耗、廣覆蓋、大量連接、低成本、高頻譜利用率等優(yōu)勢(shì)。

流程行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在大量工業(yè)數(shù)據(jù)的獲取及分析應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集需求會(huì)隨著低功耗廣域網(wǎng)的發(fā)展被提出，隨著數(shù)據(jù)的匯總量越來越多，以及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)、挖掘分析與應(yīng)用，使得流程行業(yè)的管理形成更多基于數(shù)據(jù)的閉環(huán)，推動(dòng)工廠逐步向智能化方向演進(jìn)。在這個(gè)過程中，低功耗廣域網(wǎng)扮演了重要的數(shù)據(jù)匯集傳輸?shù)慕巧?/p>

eLTE－IoT（Enterprise Long Term Evolution -Internet of Things）是華為公司將4G－eLTE 技術(shù)與NB－IoT 技術(shù)相結(jié)合，推出的一個(gè)支持企業(yè)自建的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，也是華為公司專門為行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)的基于3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的窄帶物聯(lián)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(fā)的干擾，采用跳頻等技術(shù)避免外部干擾，提高了通信的可靠性。同時(shí)，采用先進(jìn)的糾錯(cuò)碼、快速糾錯(cuò)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(quán)的Sub－GHz 頻段，免去了企業(yè)難以申請(qǐng)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(guó)《微功率（短距離）無線電設(shè)備管理暫行規(guī)定》的要求，滿足美國(guó)FCC、歐洲ERC－REC 70－03 等各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的規(guī)范要求。

1.1 低功耗

eLTE－IoT 采用PSM（Power Saving Mode，功率節(jié)約模式）和DRX（Discontinuous Reception，非連續(xù)接收）技術(shù)降低功耗，支持小包快傳技術(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間短、傳輸效率高，電池壽命高達(dá)10 年。

1.2 廣覆蓋

eLTE－IoT 是一種廣域組網(wǎng)技術(shù)，最大可達(dá)10 千米覆蓋半徑，支持室內(nèi)、室外多場(chǎng)景覆蓋，甚至可穿透建筑物地下二層，也適合于流程行業(yè)工廠下的鋼結(jié)構(gòu)裝置區(qū)使用。

1.3 大量連接

eLTE－IoT 單設(shè)備支持最大5 萬個(gè)接入用戶數(shù)，可解決高密終端或傳感器同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的問題。

1.4 高頻帶利用率

內(nèi)置1GHz 以下ISM 頻譜、功率譜密度提升發(fā)射、時(shí)域重傳等技術(shù)，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(shù)能夠減少碰撞概率、提高傳輸效率、增強(qiáng)系統(tǒng)容量，并且支持多并發(fā)信道，提高頻帶利用率。

1.5 抗干擾能力強(qiáng)

其采用了跳頻技術(shù)避免外部干擾，使用先進(jìn)的糾錯(cuò)碼實(shí)現(xiàn)快速糾錯(cuò)能力，增強(qiáng)了通信的抗干擾性。

2 低功耗廣域網(wǎng)應(yīng)用

通過低功耗廣域網(wǎng)的建設(shè)，能實(shí)現(xiàn)以下各類應(yīng)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(duì)外操人員的日常巡檢、維修等操作進(jìn)行位置指引，提升工作效率。其次，可以根據(jù)位置情況進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)警示、通知、危險(xiǎn)講解。再次，在人員發(fā)生緊急意外時(shí)，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(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行基于位置的調(diào)度指揮，便于應(yīng)對(duì)各類突發(fā)事件。

2.2 SOS 報(bào)警

石油化工現(xiàn)場(chǎng)存在各類危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境，一旦發(fā)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(fā)生的傷害信息及位置信息報(bào)送到指定的救援人員，并實(shí)現(xiàn)快速施救，保障現(xiàn)場(chǎng)工作人員的生命安全，是智能工廠建設(shè)必須考慮的問題。首先，SOS 報(bào)警功能應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)操作人員活動(dòng)狀態(tài)、三維位置以及報(bào)警信息等數(shù)據(jù)，通過人員隨身攜帶的智能終端或身份卡上的eLTE-IoT 模塊，發(fā)送到后臺(tái)。其次，報(bào)警終端應(yīng)具有摔倒檢測(cè)功能和多媒體通信功能，在報(bào)警發(fā)出后，便于救援人員與報(bào)警人員進(jìn)行溝通并對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行確認(rèn)。最后，報(bào)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(dòng)設(shè)備溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在流程工業(yè)起到非常重要的作用，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備一旦因故障停機(jī)，損失將十分巨大。另一方面，企業(yè)為了防止發(fā)生因機(jī)械故障導(dǎo)致的事故，又會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行過度維修。因此，既防止故障發(fā)生，又減少維修支出就顯得尤為重要。旋轉(zhuǎn)類機(jī)械是機(jī)械設(shè)備中的重要組成部分，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門中應(yīng)用最普遍、最廣泛的機(jī)械設(shè)備，旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)件的不平衡、負(fù)載的不均勻、結(jié)構(gòu)剛度的各向異性、間隙、潤(rùn)滑不良、支撐松動(dòng)等因素，總是伴隨著各種振動(dòng)。齒輪、軸和軸承是構(gòu)成機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，機(jī)器工作時(shí)這些零件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，若發(fā)生故障，其振動(dòng)信號(hào)的能量分布就會(huì)發(fā)生變化，因此振動(dòng)信號(hào)可以作為機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)故障特征的載體。經(jīng)驗(yàn)豐富的維修人員，通過觸摸和傾聽振動(dòng)強(qiáng)度及聲音，就可以判斷出機(jī)械設(shè)備明顯的故障。但關(guān)于設(shè)備早期或特征不突出的故障，維修人員還是無能為力。對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)的研究，不但可以有效地檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，還可以正確地判斷出故障發(fā)生的位置，并進(jìn)行處理，減少了對(duì)設(shè)備拆卸的次數(shù)。

現(xiàn)有流程行業(yè)工廠的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中，10%～20%的大型重要機(jī)泵基本實(shí)現(xiàn)了基于有線連接的在線振動(dòng)檢測(cè)分析，但其它80%～90%的中、小機(jī)泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，很多依然采用維修人員通過觸摸和傾聽振動(dòng)強(qiáng)度及聲音來判斷故障，這是因?yàn)橛芯€的在線振動(dòng)采集及分析系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格昂貴，不便于大規(guī)模推廣使用。隨著低功耗、低成本振動(dòng)傳感器、eLTE-IoT 低功耗廣域網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全充電等技術(shù)的發(fā)展，使得低成本、廣覆蓋、長(zhǎng)壽命的無線振動(dòng)及溫度檢測(cè)、故障分析成為可能。工廠內(nèi)全部旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備在線檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，將為真正意義上的預(yù)測(cè)性維檢修提供完整、及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。在節(jié)省大量的人力、物力檢測(cè)維護(hù)成本的同時(shí)，也提高了企業(yè)的安全管理水平，為傳統(tǒng)工廠向智能工廠演進(jìn)提供了有利的工具。

2.4 靜設(shè)備腐蝕監(jiān)測(cè)

腐蝕是材料與外部環(huán)境、內(nèi)部物料反應(yīng)引起的材料破壞與變質(zhì)，腐蝕是造成流程工業(yè)中金屬設(shè)施破壞的主要原因之一。在流程行業(yè)，大量使用各種金屬設(shè)備，容易遭受腐蝕，設(shè)備腐蝕造成的損失及危害包括：設(shè)備發(fā)生腐蝕后的維修、更換及勞務(wù)費(fèi)用；設(shè)備腐蝕造成的停工、停產(chǎn)；跑、冒、滴、漏造成的物料流失、環(huán)境污染；腐蝕造成的產(chǎn)品污染、質(zhì)量下降、能耗增加；腐蝕造成的設(shè)備破壞、人員傷亡、災(zāi)害事故等。

腐蝕監(jiān)測(cè)就是對(duì)設(shè)備的腐蝕狀態(tài)、腐蝕速度以及某些與腐蝕有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量，并通過監(jiān)測(cè)的信息對(duì)生產(chǎn)過程有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制或報(bào)警。流程工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)是連續(xù)性和大型化，這要求盡量減少停車檢修的時(shí)間和次數(shù)，延長(zhǎng)設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的周期。然而，腐蝕的發(fā)展是不可避免的，控制腐蝕發(fā)展的速度則需要進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。一般認(rèn)為，腐蝕監(jiān)測(cè)可以帶來數(shù)十倍乃至上百倍的經(jīng)濟(jì)效益。

腐蝕監(jiān)測(cè)的目的主要有：一是使設(shè)備在接近最佳狀態(tài)下運(yùn)行，提高生產(chǎn)能力，改善產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；二是預(yù)報(bào)適時(shí)維修需要，減少投資費(fèi)用，減少操作費(fèi)用；三是保證設(shè)備的安全運(yùn)行，保證操作人員的安全，有益于降低環(huán)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(jù)。

腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)包含離線檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)兩大類。離線檢測(cè)是設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，檢查設(shè)備的腐蝕狀況，如有無裂紋、剩余壁厚、剩余強(qiáng)度以及是否有局部腐蝕穿孔的危險(xiǎn)。在線監(jiān)測(cè)是在設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，利用各種在線腐蝕監(jiān)測(cè)手段測(cè)量即時(shí)腐蝕速率，以及能影響腐蝕速率的各種工藝參數(shù)，并據(jù)此來調(diào)整工藝參數(shù)和采取相應(yīng)防范措施，從而預(yù)防和控制腐蝕的發(fā)生與發(fā)展，使設(shè)備處于良好的可控運(yùn)行狀態(tài)。目前，常用的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有：掛片法、電阻探針法、電化學(xué)法、電位監(jiān)測(cè)法、電感法、化學(xué)分析法、超聲波法、渦流法、紅外成像法、耦合多電極技術(shù)、氫通量法等。

將傳統(tǒng)的腐蝕測(cè)量技術(shù)進(jìn)行篩選評(píng)估，選擇廣譜適用、低功耗的傳感器，與eLTE-IoT 通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備腐蝕狀況信息的采集，也能進(jìn)一步提升設(shè)備預(yù)測(cè)性維檢修的效率。

2.5 有毒有害氣體濃度監(jiān)控

石油化工行業(yè)，加強(qiáng)對(duì)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(chǎn)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(chǎn)工藝介質(zhì)中硫化氫的含量也越來越高，硫化氫中毒的危險(xiǎn)性越來越大。設(shè)備故障、管理不善等原因造成有毒有害氣體泄漏時(shí)，極易造成人員中毒的嚴(yán)重后果。

隨著半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)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(dǎo)式氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器等不同種類的氣體傳感器的發(fā)展，將低功耗廣域網(wǎng)與低功耗氣體傳感器技術(shù)結(jié)合起來，形成基于無線的低成本易部署氣體傳感采集網(wǎng)絡(luò)，將是流程行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。