黃忠勝 許亮 古自強

摘要：隨著國內(nèi)儲油庫的運行時間越來越長，油庫內(nèi)的改造也會越來越多。目前，油庫內(nèi)埋地電纜數(shù)量大、電纜敷設(shè)走向錯綜復(fù)雜，這對于油庫運行和改造帶來了不小的難度。從便于油庫改造的角度出發(fā)，針對重新開挖電纜溝、在已建設(shè)施上敷設(shè)電纜比較困難的問題，文章提出了WIA-PA無線通信技術(shù)在油庫上的應(yīng)用，旨在通過應(yīng)用工業(yè)無線通信技術(shù)解決油庫在改造過程中出現(xiàn)的信號傳輸、電纜敷設(shè)的難題。技術(shù)分析及項目案例分享說明了WIA-PA無線通信技術(shù)在油庫中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：油庫；改造；WIA-PA；無線通信

中圖分類號：TN92? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著石油消耗量逐年增加，油庫的建設(shè)越來越多，規(guī)模也越來越大。油庫建成后，后續(xù)因日常運行維護而需要改造的工程也非常多。尤其是歷經(jīng)多年改造后，庫區(qū)內(nèi)地下管纜等隱蔽工程現(xiàn)狀極為復(fù)雜，并且電纜溝開挖、破路、回填等均耗費了大量的人力和工期，還需采購大量的電纜、接線箱、電纜保護管、電纜橋架等材料，迫切需要一種能夠替代電纜的信號傳輸技術(shù)，解決改造過程中出現(xiàn)的人力資源消耗大、工期長、采購成本高等問題。

1 無線傳輸技術(shù)

無線傳輸技術(shù)作為有線傳輸技術(shù)的補充，已經(jīng)在交通運輸、水利、航運、鐵路、治安、消防、森林防火、公園、景區(qū)、廠區(qū)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。

目前，可用于工業(yè)無線傳輸技術(shù)主要包括：運營商5G公網(wǎng)、微波、eLTE、Wi-Fi6、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳輸技術(shù)特征對比如表1所示。

5G公網(wǎng)、Wi-Fi6更適用于油庫搭建信息化網(wǎng)絡(luò)方面，對于油庫提升信息化建設(shè)水平有巨大幫助。通過搭建無線網(wǎng)絡(luò)，可提升如智能巡檢、人員定位、作業(yè)票管理、封閉管理等能力。而微波技術(shù)更適用于偏遠地區(qū)，無任何通信依托的地區(qū)，例如：地處偏遠的油井。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），是一種由大量小型傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)［2］。這些小型傳感器可定義為節(jié)點設(shè)備，WSN通過部署大量節(jié)點設(shè)備采集傳輸數(shù)據(jù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：（1）分布式、自組織性。組網(wǎng)靈活方便，

通過布設(shè)若干節(jié)點設(shè)備，組成網(wǎng)絡(luò)。（2）健壯性。當一些傳感器節(jié)點不能正常工作，剩下可以工作的節(jié)點能夠協(xié)調(diào)互補，不會影響到全局任務(wù)［3］。（3）可擴展性。當網(wǎng)絡(luò)中增加新的節(jié)點設(shè)備時［4］，可以快速融入網(wǎng)絡(luò)參與工作，利于今后改造項目中再次利用該網(wǎng)絡(luò)進行擴容。（4）規(guī)模大。為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，可在監(jiān)測區(qū)域布置大量節(jié)點，通過不同空間視角獲得更大的信噪比，提高監(jiān)測的準確性。（5）高冗余性。節(jié)點數(shù)量的增加，使網(wǎng)絡(luò)的容錯能力更強。鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備以上優(yōu)勢，當油庫更換、增加儀表設(shè)備時，可優(yōu)先考慮無線傳感器技術(shù)。

2 WIA-PA傳輸網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)外主要有3種標準：ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA。3種網(wǎng)絡(luò)標準都是基于IEEE 802.15.4，但其中又有很多不同。

目前，基于ISA100.11a標準的廠家主要有Honeywell、YoKogawa等。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為Onewireless，其Mesh網(wǎng)絡(luò)為星形+網(wǎng)狀形式。ISA100.11a在國際上已形成IEC 62734—2014國際標準?；赪ireless

HART標準的廠家主要有Emerson、E+H、Siemens等。WirelessHART在國際上已形成IEC 62591—2016國際標準，其Mesh網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)狀形式。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)標準作為我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的一種無線標準體系［6］。目前，在國際上已形成IEC 62601—2011標準，國家標準GB/T 26790—2011。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與ISA100.11a類似，架構(gòu)為星形+網(wǎng)狀形式。目前，國內(nèi)基于WIA-PA標準的廠家主要是中科院沈陽自動化所中科奧維。

現(xiàn)有一個油庫項目因運行多年，在用儀表已到了急需更換的節(jié)點，油庫業(yè)主想采用無線傳輸技術(shù)，這樣省時省力又能滿足日常運行的要求。根據(jù)以上業(yè)務(wù)需求，可對ISA100.11a、WIA-PA、WirelessHART 3種協(xié)議進行比選，如表2所示。

評判哪種協(xié)議更適用于此油庫項目，主要考慮3方面：（1）傳輸距離，從表2中可以看出WIA-PA傳輸距離最長，這樣在油庫內(nèi)搭建無線網(wǎng)絡(luò)所需的節(jié)點也就最少，投資經(jīng)濟性最好。（2）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，雖然WIA-PA單網(wǎng)關(guān)可帶節(jié)點數(shù)量不是最多，但通過增加網(wǎng)關(guān)即可擴充網(wǎng)絡(luò)，滿足油庫內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)搭建的要求。（3）接入信號，表1中只有WIA-PA支持接入Modbus RTU串口，這樣應(yīng)用范圍最為廣泛，更能滿足庫區(qū)各類設(shè)備信號傳輸?shù)男枰?/p>

用戶使用WIA-PA技術(shù)具有更高的自主開發(fā)權(quán)。因此，推薦在油庫使用WIA-PA無線技術(shù)用于更換儀表設(shè)備傳輸信號。

3 WIA-PA在油庫中的應(yīng)用

在油庫中心控制室內(nèi)安裝WIA-PA無線接收網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)可支持Modbus TCP/IP協(xié)議與庫區(qū)分散控制系統(tǒng)（DCS）通信。為了確保庫區(qū)的工控網(wǎng)絡(luò)安全，在WIA網(wǎng)關(guān)和工控網(wǎng)交換機之間，設(shè)置一道網(wǎng)絡(luò)隔離區(qū)。隔離區(qū)可設(shè)置工業(yè)網(wǎng)閘、日志流量安全審計設(shè)備。WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓撲如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)隔離區(qū)的功能是用來保護庫區(qū)DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全。

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)使用AES標準128位加入密鑰，一方面用于鑒別要加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備是否合法，另一方面用于向網(wǎng)關(guān)證明設(shè)備屬于該網(wǎng)絡(luò)，加入密鑰由手持設(shè)備寫入。未通過認證的加入請求將被忽略。網(wǎng)關(guān)統(tǒng)計認證失敗的加入請求。如果認證失敗次數(shù)增加，將發(fā)出現(xiàn)場安全警告。通過密鑰方式，杜絕無線網(wǎng)絡(luò)被其他惡意攻擊侵入。

在油庫改造設(shè)計中，要依據(jù)2臺節(jié)點設(shè)備之間的有效距離，確定節(jié)點設(shè)備的數(shù)量。有效距離是指WIA-PA設(shè)備之間沒有障礙，節(jié)點設(shè)備之間間距約500 m［5］。障礙物將減小設(shè)備的有效距離。大部分工業(yè)現(xiàn)場會有很多裝置平臺和管道，障礙物會阻擋信號傳輸，因而減弱無線信號［6］。在布設(shè)節(jié)點時，需鑒別4種有效距離。

（1）重度障礙：有效距離50 m。油庫內(nèi)的泵房、空壓機房內(nèi)。

（2）中等障礙：有效距離100 m。油罐的罐頂平臺。

（3）輕度障礙：有效距離300 m。油罐防火堤內(nèi)外儀表之間。

（4）設(shè)備可視：有效距離500 m。WIA-PA設(shè)備空間上沒有任何障礙。

油庫現(xiàn)場更換的儀表和設(shè)備可根據(jù)需要選擇4～20 mA、開關(guān)量信號、RS485任一種接入WIA-PA無線發(fā)射器，發(fā)射器安裝在儀表和設(shè)備周邊。在相隔一定距離外，布設(shè)中繼器，為了增強庫區(qū)網(wǎng)絡(luò)的健壯性，通常在一個終端設(shè)備附近2個方位至少布設(shè)2臺中繼器。中繼器起到接收信號，放大信號后再次發(fā)走的作用。對于面積大的油庫，建議多布設(shè)中繼器。無線網(wǎng)關(guān)安裝在機柜間內(nèi)，接收現(xiàn)場儀表的無線信號，將信號傳輸至DCS系統(tǒng)進行監(jiān)控。

無線發(fā)射器、無線中繼器選擇隔爆型產(chǎn)品，供電可自帶電池，在無需維護的情況下，電池可持續(xù)使用2年以上。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)儲油庫運行時間越來越長，油庫內(nèi)的改造也會越來越多。基于此，本文提出了WIA-PA無線通信技術(shù)在油庫中的應(yīng)用。技術(shù)分析和項目案例說明了WIA-PA無線通信技術(shù)在油庫中應(yīng)用的可行性。

參考文獻

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（編輯 王永超編輯）

Application of WIA-PA wireless communication technology in the oil depot

Huang? Zhongsheng1， Xu? Liang2*， Gu? Ziqiang1

（1.Western Pipeline Branch of National Pipeline Network Corporation， Urumqi 830013， China;

2.China Petroleum Pipeline Engineering Co.， Ltd.， Langfang 065000， China）

Abstract：? As the operation time of the domestic oil storage depot becomes longer and longer， the transformation in the oil depot will be more and more. At present， the number of buried cables in the oil depot is large and the cable laying is complicated， which causes great difficulty to the operation and transformation design of the oil depot. From the perspective of facilitating the transformation of oil depot， in view of the difficulty of digging the cable trench and laying the cable， it aims to solve the difficulty of signal transmission and cable laying in the application of industrial wireless communication technology. This paper explains the availability of WIA-PA wireless communication technology in oil depot through technical analysis and project case sharing.

Key words： oil depot; transformation; WIA-PA; wireless communication