劉微，王宏建，李杰，李自紅，潘衛(wèi)東

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司 蘭州石化分公司 a. 計(jì)量部；b. 電議事業(yè)部，甘肅 蘭州 730060)

傳統(tǒng)的工業(yè)計(jì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用電纜物理連接，電纜用量大，后期維護(hù)周期短、維護(hù)量大，對(duì)距離控制室較遠(yuǎn)的分散計(jì)量點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)、集中監(jiān)測(cè)需求，同時(shí)不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展以及管理的提升。筆者提出現(xiàn)場(chǎng)采用面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò) WIA-PA(wireless networks for industrial automation process automation) 技術(shù)和具備無(wú)線傳輸功能的采集設(shè)備，解決計(jì)量不實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確性不高、人工抄表計(jì)量工作量大等問(wèn)題，既可實(shí)現(xiàn)計(jì)量管理部門對(duì)各計(jì)量點(diǎn)的集中、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與交接計(jì)量，同時(shí)也可滿足各生產(chǎn)裝置對(duì)物料平衡數(shù)據(jù)的及時(shí)查詢與跟蹤。

1　WIA-PA技術(shù)簡(jiǎn)介

WIA-PA是面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，是中國(guó)工業(yè)無(wú)線聯(lián)盟針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域制定的 WIA 子標(biāo)準(zhǔn)，是基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過(guò)程測(cè)量、監(jiān)視與控制的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)由主控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、路由設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和手持設(shè)備5 類物理設(shè)備構(gòu)成，采用星型和網(wǎng)狀結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備組成，第二層的星型結(jié)構(gòu)由路由設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或手持設(shè)備組成。

2　WIA-PA無(wú)線計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1　整體結(jié)構(gòu)

WIA-PA無(wú)線計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用三層式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和控制中心應(yīng)用層[2]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層。主要用WIA-PA無(wú)線適配器與現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量流量計(jì)的HART接口連接，再由WIA-PA無(wú)線適配器將采集到的數(shù)據(jù)上傳到WIA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)。

2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸層。通過(guò)WIA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)接入公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

圖1　WIA-PA無(wú)線計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意

3) 控制中心應(yīng)用層。主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)集中顯示、綜合分析，隨時(shí)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，并將數(shù)據(jù)上傳到PHD數(shù)據(jù)庫(kù)，再由計(jì)量信息管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

2.2　硬件搭建結(jié)構(gòu)

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件搭建主要分為廠區(qū)內(nèi)WIA-PA數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及控制中心應(yīng)用管理平臺(tái)的建設(shè)。

廠區(qū)內(nèi)WIA-PA數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由WIA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)[3]、WIA-PA無(wú)線適配器、WIA-PA中繼設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表構(gòu)成，并以不同生產(chǎn)裝置區(qū)為劃分組建現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。其中由WIA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)管理現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線適配器、中繼節(jié)點(diǎn)，同時(shí)匯集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換上傳到主控計(jì)算機(jī)[4]；WIA-PA無(wú)線適配器主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)的無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)功能，設(shè)備通過(guò)HART接口提取現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表數(shù)據(jù)并無(wú)線透?jìng)鞯絎IA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)，對(duì)于建筑遮擋嚴(yán)重的應(yīng)用地點(diǎn)，使用WIA-PA中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)盲點(diǎn)的數(shù)據(jù)跳傳功能[5]；控制中心的管理平臺(tái)集服務(wù)器、Buffer機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)于一體，提供管理設(shè)備信息、網(wǎng)絡(luò)信息、設(shè)備狀態(tài)信息和網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，并通過(guò)OPC協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到公司PHD數(shù)據(jù)庫(kù)，供用戶使用。

3　WIA-PA無(wú)線計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

煉油區(qū)物料有6臺(tái)計(jì)量?jī)x表可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，其中包括20單元T1流量計(jì)，27單元T2流量計(jì)，潤(rùn)滑油20線、27/2線2臺(tái)流量計(jì)，68泵房、4號(hào)計(jì)量點(diǎn)各1臺(tái)流量計(jì)。根據(jù)各計(jì)量點(diǎn)的分布特征及生產(chǎn)網(wǎng)接入點(diǎn)分布特征，規(guī)劃為27單元中心控制室、潤(rùn)滑油中心控制室和4號(hào)計(jì)量點(diǎn)3個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。

3.1　共性硬件系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用

共性硬件系統(tǒng)主要包括3臺(tái)ZAGW2000-A001無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)、6臺(tái)ZAWA1000-B001無(wú)線適配器和1臺(tái)ZART1000-A無(wú)線路由及對(duì)應(yīng)天線的安裝。

3.1.1網(wǎng)關(guān)安裝

WIA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理、調(diào)度和優(yōu)化[6]，設(shè)定和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)，統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源和路由，配置網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，監(jiān)控并報(bào)告網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)[7]。WIA無(wú)線網(wǎng)關(guān)作為全網(wǎng)的時(shí)間同步源及均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提供消息緩沖與保存，橋接所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是整個(gè)WIA網(wǎng)絡(luò)的核心。為保證無(wú)線信號(hào)覆蓋整個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，盡可能選取高度在2～10 m并且具有一定開(kāi)闊空間的位置進(jìn)行安裝。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，為了避免建筑物等遮擋，3臺(tái)網(wǎng)關(guān)均采用壁掛的方式安裝，網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)線連接到生產(chǎn)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，24 V電源線與網(wǎng)絡(luò)線纜從所在局域網(wǎng)的中心控制室內(nèi)獲取。天線安裝在屋頂或根據(jù)需要延長(zhǎng)到管廊頂端固定，可以有效地避免管線遮擋和其他干擾，同時(shí)覆蓋區(qū)域更大，為將來(lái)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供有利條件，天線與網(wǎng)關(guān)連接進(jìn)行了防雷設(shè)計(jì)，避免雷擊損壞設(shè)備。WIA-PA智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)的所有外部接口完成連接后，用防水膠帶或防水膠泥做密封處理，防止設(shè)備過(guò)程接口進(jìn)水，影響網(wǎng)絡(luò)整體的通信性能。

3.1.2適配器安裝

WIA-PA無(wú)線適配器是一種將傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WIA-PA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備，采用WIA-PA無(wú)線適配器，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的傳輸由有線方式到無(wú)線方式的轉(zhuǎn)變。煉油區(qū)物料6臺(tái)流量計(jì)的WIA-PA適配器均采用抱桿式安裝，通過(guò)兩線制接線方式接入現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量流量計(jì)變送器，從中獲取HART信號(hào)，適配器24 V電源由信號(hào)線直接提供，天線由適配器的WIA-PA模塊直接輸出。

3.1.3無(wú)線路由安裝

68泵房距離潤(rùn)滑油中心控制室局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)265 m，由于距離較遠(yuǎn)，中間管廊遮擋較多，因而在適配器與潤(rùn)滑油中心控制室局域網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)之間加裝了ZART1000-A型無(wú)線路由進(jìn)行信號(hào)跳轉(zhuǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，確保數(shù)據(jù)正確傳輸[8-9]。無(wú)線路由采用抱桿式安裝，由7.2 V ER34615 能量型鋰-亞硫酰氯電池組供電，電池正常使用壽命為3 a。同時(shí)電池自帶休眠機(jī)制，當(dāng)所屬網(wǎng)關(guān)信號(hào)中斷時(shí)，路由會(huì)分別以0.5，1.0，2.0，4.0，6.0 h的頻次嘗試與所屬網(wǎng)關(guān)依次進(jìn)行循環(huán)連接，避免不間斷地實(shí)時(shí)連接耗損電能，從而提高了電池使用壽命。

3.2　軟件應(yīng)用配置

3.2.1配置的主要方法與原則

軟件應(yīng)用主要包括網(wǎng)關(guān)的連接配置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、適配器與路由的相關(guān)配置。網(wǎng)關(guān)連接配置主要分為串口方式和以太網(wǎng)方式[10]，實(shí)際應(yīng)用中多采用以太網(wǎng)的連接方式，其中連接地址對(duì)應(yīng)交換機(jī)的網(wǎng)址；網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置包括基本配置和以太網(wǎng)配置，遵循的主要配置原則是網(wǎng)關(guān)IP地址對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)連接地址，可用信道采用無(wú)WLAN干擾的純凈信道，取值范圍11～26，一般1臺(tái)網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)3個(gè)可用信道，其中包括廣播信道；網(wǎng)絡(luò)ID，即配置中的PANID，2 個(gè)字節(jié)，取值范圍是00-01～FF-FE，對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)路由和適配器的關(guān)鍵參數(shù)

3.2.2控制臺(tái)應(yīng)用

控制臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)與應(yīng)用，顯示拓?fù)湫畔?、?shí)時(shí)信息表和數(shù)據(jù)配置等。配置完成后登陸對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)，查詢網(wǎng)關(guān)傳送的數(shù)據(jù)，并上傳至計(jì)量信息管理平臺(tái)?？刂婆_(tái)需要配置的主要參數(shù)是鏈接地址和端口，要求均與網(wǎng)關(guān)地址和端口一一對(duì)應(yīng)。

3.2.3軟件配置注意事項(xiàng)

軟件配置參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循同一網(wǎng)關(guān)的路由、適配器對(duì)應(yīng)所在網(wǎng)關(guān)的PANID和廣播信道，同一路由的適配器對(duì)應(yīng)所在路由的組號(hào)，同一網(wǎng)關(guān)的不同路由均由不同組號(hào)進(jìn)行定位，同一路由的不同適配器通過(guò)射頻長(zhǎng)地址和編號(hào)進(jìn)行定位。

4　數(shù)據(jù)跟蹤比對(duì)情況

無(wú)線計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集層主要采集現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、密度、溫度4個(gè)數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)每分鐘上傳一次。系統(tǒng)全部安裝、調(diào)試結(jié)束后，針對(duì)潤(rùn)滑油中心控制室局域網(wǎng)絡(luò)的20線質(zhì)量流量計(jì)，累計(jì)統(tǒng)計(jì)了7月4日至7月10日一周內(nèi)每天10:00的計(jì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)一次表與通過(guò)無(wú)線傳輸上傳到計(jì)量信息管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)比對(duì)，數(shù)據(jù)比對(duì)匯總見(jiàn)表1所列。

表1　無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)跟蹤比對(duì)情況匯總　t

理論上，因采集的是HART脈沖信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)一次表與無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)該完全一致，但因現(xiàn)場(chǎng)人工抄取一次表時(shí)存在時(shí)間誤差，同時(shí)由于無(wú)線采集數(shù)據(jù)的時(shí)間同步問(wèn)題，由表1可看出，數(shù)據(jù)在小數(shù)位上有少許誤差，但在允許范圍內(nèi)。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于WIA-PA的無(wú)線計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以較低的成本提高了石油企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，通過(guò)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可得到大量距中心控制室較遠(yuǎn)的分散計(jì)

量點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳及時(shí)、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化、信息化管理的全覆蓋。同時(shí)在使用過(guò)程中可以迅速將新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)加入到現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，擴(kuò)容能力強(qiáng)，后期維護(hù)少，維護(hù)成本低。

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