國歌（長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南 岳陽 414000）

工業(yè)無線傳輸技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用及前景展望

國歌（長嶺煉化岳陽工程設(shè)計有限公司，湖南 岳陽 414000）

通過對工業(yè)無線傳輸技術(shù)在芳烴罐區(qū)的應(yīng)用，說明工業(yè)無線傳輸技術(shù)的發(fā)展特點和技術(shù)優(yōu)勢，并對無線傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢進行展望。

無線傳輸技術(shù);有線傳輸技術(shù);WIA-PA

工業(yè)無線傳輸技術(shù)是一種新型的,短距離交互信息的無線通信技術(shù)。隨著信息化技術(shù)的進步與發(fā)展，工業(yè)無線傳輸技術(shù)現(xiàn)已延伸至工業(yè)數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場，采集以前有線方式不能或者不方便采集到的過程數(shù)據(jù)，或投資更低更經(jīng)濟的實現(xiàn)過程參數(shù)的采集，最終確保工業(yè)裝置更安全經(jīng)濟高效[1]。

1 無線傳輸技術(shù)運用的現(xiàn)有技術(shù)

工業(yè)無線傳輸技術(shù)是一種基于電磁波傳輸與接收的技術(shù)，核心部件需要有強大的發(fā)射能力、脈沖時間短、抗干擾能力強等功能。現(xiàn)在較為通用的方法是建立統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。Wire?lessHART、ISA SP100和WIA這些國際組織正大力地積極地推進工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進程。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已形成了國家標(biāo)準(zhǔn)草案，它是由中國工業(yè)無線聯(lián)盟推出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，并將與WirelessHART、ISA100并列成為主流工業(yè)無線傳輸技術(shù)體系。

WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是針對過程控制領(lǐng)域的需求而制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，定義了用于過程控制的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范。

WIA-PA采用星型和網(wǎng)狀相結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖一所示。左側(cè)是第一層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由無線網(wǎng)關(guān)及現(xiàn)場儀表構(gòu)成，是系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理；右側(cè)是第二層星型結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場儀表節(jié)點或現(xiàn)場設(shè)備組成。每個節(jié)點設(shè)備都是路由器，既能發(fā)送信號，又能接收信號，同時發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點、測量射頻信號強度、獲取同步和跳頻信號并與相鄰節(jié)點確定連接路徑。多個相鄰的節(jié)點便構(gòu)成嵌入式的自組織和自愈智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種星狀結(jié)構(gòu)解決了遠(yuǎn)距離傳輸信號衰減的問題。

圖一 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

無線設(shè)備均采用電池供電，能耗越低，電池使用壽命越長，安裝后的維護成本便越低，設(shè)備的可用性和實用性才能得到保證。對于單個的無線設(shè)備，在工作功率一定的情況下，降低其能耗主要通過降低占空比①來實現(xiàn)。占空比越低，周期時間內(nèi)工作時間越短，空閑時間越長，設(shè)備的能耗越低。由于每個節(jié)點設(shè)備既是路由器，又要發(fā)送信號和接收傳輸信號，而無線設(shè)備的功率約95%是在發(fā)射和接收時耗掉的，只有全部節(jié)點同步喚醒和同步休眠，使所有信號同時發(fā)送、同時傳輸，才能實現(xiàn)無線設(shè)備電池的長壽命。目前主流儀表廠線無線儀表電池的使用壽命是5-10年。

WIA-PA技術(shù)通常采用的技術(shù)上DSSS[2]（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列展頻技術(shù)）多通道技術(shù)進行通信，如今在DSSS的基礎(chǔ)上引入FHSS（Frequency-Hopping Spread Spec?trum跳頻技術(shù)），根據(jù)信道狀態(tài)采用自適應(yīng)跳頻等機制（如圖二），有效抑制突發(fā)性干擾，消除頻率選擇性衰減。

圖二 自適應(yīng)跳頻技術(shù)

2 工業(yè)無線傳輸技術(shù)應(yīng)用

以某石化芳烴罐區(qū)隱患治理為例，該罐區(qū)風(fēng)險評估顯示，罐頂自力式調(diào)節(jié)閥、呼吸閥失效無法預(yù)測和搶修，儲罐罐頂需增加壓力變送器及時監(jiān)控氮封壓力，避免氮封失效引發(fā)貯罐發(fā)生安全事故，監(jiān)測點均不參與控制，可以考慮有線傳輸技術(shù)和無線傳輸技術(shù)兩種方式。

2.1 有線傳輸技術(shù)

傳統(tǒng)采用有線傳輸方式的煉化裝置區(qū)及罐區(qū)等區(qū)域都安裝有DCS或PLC控制系統(tǒng)，各現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)之間采用有線方式進行連接。如改造前的芳烴罐區(qū)采用就是傳統(tǒng)的有線傳輸，這種傳輸方式存在兩方面的問題：一方面是煉廠建設(shè)的年代比較久遠(yuǎn)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)較落后，現(xiàn)場儀表傳輸信號是4-20mA模擬信號，隨著科技進步與生產(chǎn)規(guī)模的擴大，現(xiàn)場已經(jīng)使用了很多智能儀表，如現(xiàn)場總線儀表。這些儀表既能用4-20mA模擬信號傳輸采集到的溫度、壓力等過程參數(shù)，同時還收集和保存了這些儀表的自身性能及生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息，僅靠模擬線路并不能將這些信息傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)以供監(jiān)控使用；另一方面，采用有線傳輸方式的只能傳輸模擬信號的控制系統(tǒng)或先進的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，都需要高昂的投資和繁瑣的施工布線。

圖三有線傳輸投資估算

2.2 無線傳輸技術(shù)

工業(yè)無線傳輸技術(shù)補充了控制系統(tǒng)中有線傳輸方式的不足，利用工業(yè)無線傳輸技術(shù)，為智能儀表增加無線數(shù)據(jù)傳輸能力，將大量有價值的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。同時也可以因投資限制，利用無線技術(shù)對非關(guān)鍵監(jiān)測點進行低成本監(jiān)測[3]。

隨著無線傳輸技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，煉油中非關(guān)鍵的監(jiān)測點，比如煉油裝置中存在大量的泵信號，需要被控制系統(tǒng)監(jiān)測。了解這些泵的工作狀態(tài)，如是否運行、能否正常啟停等，這對提高系統(tǒng)安全性有非常重要的意義。

因此，工業(yè)無線傳輸技術(shù)應(yīng)用的場合可以是以下幾種：敷設(shè)電纜或接線非常困難的測量點；測量點分布過于分散的區(qū)域；隔離和屏蔽的區(qū)域；檢修困難的區(qū)域；移動或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備；電纜容易損壞和折斷的場所；電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場合[4]。

2.3 芳烴罐區(qū)隱患治理方案選擇及原因

芳烴罐區(qū)隱患治理方案在設(shè)備費，主要材料費、安裝費，還有其他費用這幾個方面對比有線傳輸技術(shù)和無線傳輸技術(shù)。

（1）投資：有線傳輸總投資共82萬元（主要工程量投資估算詳見圖三），無線傳輸總投資共58萬元（詳見圖四），無線傳輸節(jié)省30%的投資。

（2）安裝：沒有電纜的采購和安裝，使得施工變得簡單，施工量減少，同時也省去了后期維護費用，在一定的程度上相當(dāng)于“一勞永逸”。

（3）其他費用：有線傳輸需要增加電纜、接線箱等的選型、采購、鋪設(shè)等環(huán)節(jié)，DCS中增加大量的卡件，再加上后期維護，不僅增加了投資，而且導(dǎo)致施工復(fù)雜，材料和施工成本提高。

圖四 無線傳輸投資估算

綜合上述三點，芳烴罐區(qū)隱患治理最終選擇無線傳輸技術(shù)方案，同時也為未來的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)打下基礎(chǔ)。

3 工業(yè)無線傳輸技術(shù)未來發(fā)展

工業(yè)無線傳輸技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用延伸了原有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制范圍和靈活性，成為有線傳輸技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)的補充?，F(xiàn)階段工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)雖有信號加密和抗干擾等技術(shù)，但是工業(yè)無線傳輸技術(shù)與傳統(tǒng)無線傳輸技術(shù)如Wi-Fi、藍牙等一樣都是工作在2.4GHz頻段，在物理層是開放的，依舊存在安全隱患，這也是工業(yè)無線傳輸技術(shù)亟待解決的問題。

4 結(jié)語

隨著WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)的確立及政策和資金的大力支持,無線傳輸技術(shù)將會擁有巨大的市場前景和廣泛的社會基礎(chǔ)，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，開拓廣闊的市場。

①占空比指的是在一段連續(xù)工作時間內(nèi)脈沖占用的時間與總時間的比值.

[1]工業(yè)無線傳輸技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用 王發(fā)兵[J].大氮肥.第33卷第3期.2010.6.

[2]工業(yè)無線傳輸技術(shù)理論與應(yīng)用張龍、吳勇志[J].自動化博覽.NO.4,2011.

[3]工業(yè)無線通信技術(shù)曾鵬張華良徐皚冬[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量.2008.02.

[4]無線變送器在電廠的應(yīng)用及可靠性測試 石踐[J].電氣時代.2010.05.10.