莊文恩

（福建省聯(lián)合石油化工有限工公司，福建泉州 362800）

無線智能儀表系統(tǒng)在石化罐區(qū)應(yīng)用探索

莊文恩

（福建省聯(lián)合石油化工有限工公司，福建泉州 362800）

采用智能無線現(xiàn)場儀表方案，將智能預(yù)測功能擴(kuò)展到實際條件或經(jīng)濟(jì)等原因無法達(dá)到的領(lǐng)域，并以全新的視角拓展對工廠各個方面的監(jiān)測。在介紹石化行業(yè)相關(guān)罐區(qū)儀表檢測和監(jiān)控狀況和無線儀表的基本原理、適用范圍的基礎(chǔ)上，通過分析無線儀表實際應(yīng)用情況提出解決措施，并對智能無線現(xiàn)場儀表的改造項目進(jìn)行了探討。

無線HART儀表；網(wǎng)關(guān)；刷新頻率

1 現(xiàn)有罐區(qū)的現(xiàn)狀

目前，石化行業(yè)的油品儲運罐區(qū)存在著以下問題：

一方面儲罐及其附屬設(shè)備分布分散、距離遠(yuǎn)、難于適時巡檢和維護(hù)；另一方面，隨著石化行業(yè)的發(fā)展及其對安全環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，相應(yīng)的對監(jiān)測數(shù)據(jù)需求越來越多，同時企業(yè)的生產(chǎn)存在和儀表維護(hù)人員又相應(yīng)減少。

特別是對于老的石化企業(yè)，其罐區(qū)不可避免的經(jīng)過了多次改擴(kuò)建，導(dǎo)致：現(xiàn)場的電纜槽盒架電纜基本上已經(jīng)達(dá)到電纜裝載上限、控制室的機柜、控制室電纜入口都很難滿足現(xiàn)場監(jiān)測要求，同時現(xiàn)有儀表機柜間I/O點也嚴(yán)重影響工藝操作人員不斷對現(xiàn)場數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測需求增大；采用有線測量方案，就要重新架設(shè)電纜橋架并對機柜間實施改擴(kuò)建，這又需面臨現(xiàn)場的實際空間無法滿足、工程費用較高、施工難度大。另外，電纜槽盒在罐區(qū)腐蝕較嚴(yán)重、電纜橋架大多在高空，也導(dǎo)致儀表維護(hù)難度和存在的風(fēng)險增大、維護(hù)費用提高。

無線儀表的應(yīng)用可以較好的解決上述問題。但由于無線信號的抗干擾問題，出于安全考慮，目前大量的應(yīng)用還沒有用于控制，只是作為對有線儀表的必要補充，實施監(jiān)控。

2 無線儀表的基本原理和適用范圍

2.1 無線HART儀表的基本原理

無線HAR通信是一種針對過程自動化應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。其目的是讓用戶在保持現(xiàn)有設(shè)備、工具和系統(tǒng)一致性的基礎(chǔ)上為HART協(xié)議增加無線功能。無線HART工作頻率為2.4GHz寬帶信道，該頻道采用直接系列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻技術(shù)來保證安全行和可靠性，并采用時分多址的同步、隱式報文控制通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信。無線HART儀表就是采用無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，進(jìn)行通信的現(xiàn)場測量設(shè)備。

無線HAR通信的基本性能：利用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、跳頻和時間同步通信等技術(shù)保證了無線抗擾能離，也可以與其他無線網(wǎng)絡(luò)的共存；通過加密、驗證、認(rèn)證、關(guān)鍵詞管理等保障網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和私密性；通過智能數(shù)據(jù)發(fā)布和其他技術(shù)提供高效能耗管理。

2.2 無線HART儀表合適的應(yīng)用范圍

無線Hart設(shè)備可用于控制和監(jiān)控，但目前應(yīng)用案例更多是采用保守技術(shù)去滿足行業(yè)的保守需求，因此只強調(diào)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用（如圖1，表1）。

圖1 監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用范圍

表1 無線Hart設(shè)備和有線HART儀表主要差別

3 罐區(qū)應(yīng)用探索

在某公司油品適應(yīng)性改造項目中，新建儲罐因離現(xiàn)有儀表機柜間距離遠(yuǎn)，采用有線儀表方案，需新增部分電纜橋架、控制室電纜入口、工程費用較高、施工周期長等原因。采用無線智能儀表方案，避免了長距離鋪線、減少儀表輔助設(shè)備及安裝、調(diào)試費用，如電纜、電纜橋架、電纜槽盒、接線端子、機柜及卡件等、減少維護(hù)工作量，同樣可以具備有線（現(xiàn)場總線，HART）儀表的智能診斷、多參數(shù)傳輸、設(shè)備故障預(yù)測，達(dá)到前瞻性預(yù)知維修、維護(hù)，減少維護(hù)、巡檢工作，提高儀表運行性能。同時，解決了現(xiàn)有有線儀表在工廠中的測控“盲點”難題，積累無線智能儀表實際應(yīng)用中的故障處理、日常維護(hù)能力，安裝及調(diào)試技術(shù)要求、抗干擾能力等經(jīng)驗。

3.1 罐區(qū)無線儀表基本結(jié)構(gòu)

油罐區(qū)共有4臺罐和兩個泵房。兩個泵房的泵出口壓力、管線溫度測量、地下污水池液位和4個罐的溫度均采用無線儀表；罐區(qū)液位監(jiān)控的重要性采用雙雷達(dá)測量無線和有線方式：有線的信號進(jìn)入SIS系統(tǒng)參與安全保護(hù)；無線儀表信號采用冗余無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)入DCS進(jìn)行監(jiān)控如圖2。

3.2 無線儀表現(xiàn)場安裝和調(diào)試

無線網(wǎng)關(guān)安裝

●天線位置：天線應(yīng)該被垂直放置，天線到任何大型建筑之間的距離應(yīng)該大于1m，此為了保持儀表之間的暢通的無線通訊。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

●安裝高度：為了獲得理想的無線信號覆蓋區(qū)域，無線網(wǎng)關(guān)或者遠(yuǎn)程天線最佳的安裝高度為距離地面4.6～7.6m，或者高于障礙物以及主要建筑的基體2m。

●設(shè)備接地：網(wǎng)關(guān)外殼應(yīng)按照國家和當(dāng)?shù)氐碾姎庖?guī)范進(jìn)行接地。最有效的接地方法是直接連接到地面以使阻抗最小。將網(wǎng)關(guān)外部接地端子連接到地面。

無線變送器安裝

●上電順序

在智能無線網(wǎng)關(guān)安裝并成功運行之前不能安裝電池。所有的無線儀表的上電順序應(yīng)依照靠近無線網(wǎng)關(guān)的優(yōu)先上電的順序進(jìn)行。此目的為了更加簡單快捷的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。使能網(wǎng)關(guān)上的Advertising 功能以確保新設(shè)備可以更快的加入網(wǎng)絡(luò)。

●天線位置

請豎直放置天線，豎直向上或向下均可。天線到任何大型建筑的距離至少為1 m。

對于內(nèi)置天線的變送器，電源模塊置于向地面一側(cè)。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

通過475手操器設(shè)置無線網(wǎng)關(guān)：

Network ID：2014

Join Key：12345678-00000000-00000000-00000000

設(shè)置刷新時間設(shè)為8S

通過475對無線儀表變送器組態(tài)：

設(shè)置變送器量程、位號、網(wǎng)絡(luò)ID，并逐臺安裝變送器電池，通過密碼認(rèn)證后加入網(wǎng)絡(luò)。

通過AMS進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

4 無線儀表實際應(yīng)用情況和解決措施

經(jīng)過兩年多的實際運行中，無線儀表通信穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，通過設(shè)備管理系統(tǒng)AMS可以完成現(xiàn)場總線所具有的雙向通信、多變量監(jiān)測、故障分析和判斷能力?，F(xiàn)場儀表測量部分與有線儀表一致，減少電纜問題引起儀表故障和長期因電纜接口密封引起進(jìn)水的到有效解決；具有較好增加和改造現(xiàn)場儀表功能；儀表安裝方便，便于日常更換和維護(hù)。

典型的安全和控制測點的刷新頻率要求為1s或更快，因這類測量點要求的刷新頻率過高，無線儀表受電池等因素影響無法滿足需要。無線儀表的電池壽命和刷新頻率有關(guān)，刷新頻率越高，電池壽命越短。只有在無線儀表要保證刷新頻率符合測量要求的前提下，電池能夠使用數(shù)年不需更換，如監(jiān)測點、過程變化純滯后大的測量參數(shù)中，建議刷新頻率設(shè)置為過程變量變化頻率的三倍。例如，測量熱電偶中溫度傳感器的溫度時建議刷新頻率為16s，因為過程溫度變化需要滲透熱電偶然后才會傳遞到傳感器，因此溫度變化較慢。但是，如果無線儀表由外部供電，刷新頻率可大大提高，如在4-20mA回路增加無線適配器（大母子），或無線儀表電池的更換不成問題時。

5 智能無線現(xiàn)場儀表在改造項目的展望

5.1 解決老罐區(qū)非智能儀表瓶頸，提高儀表自動化技術(shù)水平

目標(biāo)：連續(xù)監(jiān)控所有罐體的液位、壓力、溫度、閥門操作

當(dāng)前的方法和挑戰(zhàn)：儲罐分布分散、距離遠(yuǎn)；監(jiān)測數(shù)據(jù)需求越來越多；操作、維護(hù)人員減少；有線儀表方案工程費用較高、施工難度大、現(xiàn)場機柜空間有限；現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展難等。

無線智能解決方案：在原有的帶HART儀表無法直接集成智能信息，增加無線智能適配器，可以將現(xiàn)有的有線Hart設(shè)備升級為無線設(shè)備，以無線設(shè)備獲取以前不能獲取的設(shè)備診斷信息和過程數(shù)據(jù)，用AMS設(shè)備管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)全面設(shè)備管理。

5.2 常減壓裝置塔頂測量、分餾塔溫度測量

目標(biāo)：測量塔頂溫度、壓力；測量分餾塔溫度監(jiān)視分餾塔的效率

當(dāng)前的方法和挑戰(zhàn)：塔頂安裝儀表、接線盒布線困難、維護(hù)困難、電纜長度長信號衰減大

無線智能解決方案：使用無線變送器實現(xiàn)壓力、溫度；測量分餾塔溫度采用多點無線溫度變送器

好處：減少維護(hù)成本；分餾塔內(nèi)溫度情況可以有效反映塔內(nèi)效率，保持正確溫度分布可以有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5.3 風(fēng)機振動測量、次級關(guān)鍵轉(zhuǎn)動設(shè)備的監(jiān)測

目標(biāo)：要避免馬達(dá)、風(fēng)機、泵、壓縮機等“非關(guān)鍵設(shè)備但很重要”的旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障造成意外停車，通常這些設(shè)備的監(jiān)測采用手提監(jiān)測儀

當(dāng)前的方法和挑戰(zhàn)：如果人員到現(xiàn)場監(jiān)測，機器又正好不在工作狀態(tài)，對該設(shè)備的監(jiān)測就會被漏掉；對這些次關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備安裝永久振動檢測儀，安裝成本費用昂貴，顯得不經(jīng)濟(jì)。

無線智能解決方案：采用無線振動監(jiān)測變送器，可以檢測軸承振動、溫度等參數(shù)，安裝簡單方便、成本低廉。

好處：操作人員在中控室就可以監(jiān)測到旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動、溫度異常，這些數(shù)據(jù)還可以存儲在工廠歷史事件庫中，根據(jù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的工作狀況，可以提早做好檢修計劃，減少設(shè)備故障率。

5.4 安全閥運行狀態(tài)監(jiān)測

目標(biāo)：快速了解異常工況

當(dāng)前的方法和挑戰(zhàn)：當(dāng)發(fā)生異常工況時，安全閥跳，氣體被送到火炬燃燒或排放，安全閥狀態(tài)沒有監(jiān)測

無線智能解決方案：采用無線位置變送器可以監(jiān)測安全閥實際開關(guān)狀態(tài)，并將位置反饋信號送回中控室

好處：更清楚了解工藝問題、設(shè)備問題，及時處理，減少排放污染、節(jié)能降耗。

6 結(jié)束語

智能無線儀表的應(yīng)用可以解決有些有線儀表無法達(dá)到的領(lǐng)域，包括對生產(chǎn)過程和設(shè)備的監(jiān)測、工廠環(huán)境的管理。通過無線儀表對有線儀表的盲點的有效補充，當(dāng)被監(jiān)測設(shè)備發(fā)出預(yù)警信號時，可以主動去檢查設(shè)備的運行狀態(tài)，采取有效的維修維護(hù)，避免故障進(jìn)一步惡化而影響生產(chǎn)，使得現(xiàn)場設(shè)備得到及時監(jiān)測和管理，為實現(xiàn)智能工廠提供全面的、及時的設(shè)備運行數(shù)據(jù)。

[1] 方原柏. Wireless HART無線系統(tǒng)工程設(shè)計探討[J]. 石油化工自動化，2011，47（4）：10-13.

Application of Wireless Intelligent Instrument System in Petrochemical Tank Area

Zhuang Wen-en

The intelligent wireless field instrumentation program is used to extend the intelligent forecasting function to the real conditions or the economic and other reasons that can not be achieved and to monitor the various aspects of the factory with a new perspective.Based on the introduction of the basic principle and scope of the instrument in the related areas of the petrochemical industry，this paper puts forward the countermeasures to analyze the practical application of the wireless instrument，and discusses the reconstruction project of the intelligent wireless fi eld instrument.

wireless HART instrument；gateway；refresh rate

TH811

：A

：1003–6490（2017）04–0122–02

2017–04–10

莊文恩（1971—），男，福建泉州人，技師，主要從事儀表維修工作。