智能无线技术在海上油田的应用

许晓英 （天津修船技术研究所 天津300456）

金秀北 （天津信达自动化工程有限公司 天津300457）

智能无线技术在海上油田的应用

许晓英 （天津修船技术研究所 天津300456）

金秀北 （天津信达自动化工程有限公司 天津300457）

过程工业的现场设备向数字化、网络化的变迁是过程控制领域的必然趋势。针对“友谊号”改造提出了智能无线技术，主要介绍了智能无线技术的原理及特点，并进一步介绍了无线技术在海上油田的应用。

智能无线技术 自组织网络 解决方案 网关 路由器

0 引言

过程工业的现场设备向数字化、网络化的变迁是过程控制领域的必然趋势。现场总线技术具有节约布线费用、操作灵活、可实现网络管理、可实现互操作等优点，因此近年来在各行各业得到广泛应用。但是最新的研究表明如果所需敷设电缆不超过250 m，连接点数小于500点，那么无线仪表的安装成本比Foundation现场总线方案还要低。如果高于这个指标，现场总线方案会比无线方案更省钱。这就说明在寸土寸金的海上油田应用可以综合利用这些技术。

1 工程背景

在BZ28-2S工程项目中，BZ29-4平台需要把天然气经“友谊号”输送到龙口终端。这次SPM单点改造工程是增加两条输气海管到SPM，对于新增控制设备，需要通过单点滑环连接到“友谊号”控制系统内，但是单点滑环容量已满，已无备用通道。以往传统解决方案是通过设立远程控制单元（Remote control unit）+微波通讯器的方案，其结构如图1。

采用这种解决方案，需要单点现场有足够的空间放置RTU控制机柜，并为其搭建符合防爆防护等级要求的恒温空间，同时还要提供稳定的供电电源。但在多数FPSO或单点上，并无足够的空间和稳定的电源供远程控制单元使用，同时改造时需新增的控制点一般很少，此方案工程造价也很高且设备利用率低。因此，上述方案并不适合解决此类问题。

经过多方面的考虑和大量论证，最终选用了一种创新的解决方案，即智能无线技术方案，尽管无线技术在欧美国家已广泛应用，但是国内海上油田还是第一次使用项目组比较慎重。本次采用了ROSEMOUNT公司生产的无线智能变送器和配套网关，构成监控工艺状况的无线网络，来满足工程项目的仪表控制要求。其结构如图2。

2 网络架构

目前无线技术应用于工业控制的技术方案主要有两类，即通过无线仪表本身路由或通过节点路由。其中WirelessHART标准的无线网络，就是依靠无线变送器本身路由来实现的；而ISA 100工业无线标准的整个无线网络是依靠节点路由来实现的。本工程项目中采用了第一种，即无线变送器本身作路由。

WirelessHART标准的无线网络可分为两层：第一层是现场无线设备之间的自组织网络（self organizing network），这些设备以自我组织的、智能化的方式与网关（gateway）通讯。第二层就是网关和主机系统之间的无缝式通讯。这个主机系统可以是如DCS，PLC，或类似于设备管理和维护的工作站等。

自组织无线网络能够实现现场无线设备和主机系统之间的无缝式通讯，详见图3。

2.1 自组织网络（Self Organizing Network）

在自组织无线网络中，每一台现场设备都是其他邻近设备的路由器，它们接力传递数据，直到这些数据通过智能无线网关，到达控制室。

现场设备之间的无线通讯物理层协议，采用2.4 GHz的世界公用频段（ISM，2 400～2 482.4 MHz），直接序列扩频技术（DSSS）和跳频技术（FHSS）。无需重新组态或人工介入，设备可以自动跳频。无线通讯的链路层（Link Layer）符合IEEE 802.15.4工业无线通讯标准。

无线通讯网络的架构保证了可靠通讯，容易使用。现场设备支持HART协议，现场设备之间的通讯也是非常安全，数据包采用AES-128位的行业标准加密技术，每台设备通讯时必须由密码保护，设备加入某一个网络也必须由密码确认等。详见图4。

2.2 网关与主机系统如DCS的数据通讯

无线设备的数据通过智能无线网关集成到主机系统（如DCS、PLC、及工作站）中。网关安装在户外，提供至少2个Ethernet 10baseT以太网标准通讯接口：分别为同主机系统的通讯和现场维护之用，同主机系统的通讯是OPC和Modbus TCP/IP。网关传输所有的 HART数据（PV、SV、TV、QV）及相关设备信息。

3 无线技术的特点

上位机组态方便，无专用软件，IE浏览器组态界面友好，人机交互性强，支持Modbus、OPC等多种通讯协议，以无线方式实现与监控系统的无缝式通讯。无线网关主动搜索并自动调整无线网络以适应无线设备的增加或减少，同时网关可管理并选择数据传输的路径。采用与相应有线变送器相同的检测元件和数据转换电路，保证工艺数据来源可靠。在数据传输上，它采用时间同步技术，以此保证数据传输实时可靠，能够以99%以上的通讯可靠性实现实时数据的监控；能够确保工业级的安全，以及不干扰其他任何现有系统。节省材料成本，不需要敷设电缆、不需要桥架，不需要接线盒、机柜和I/O卡件，不需要接线，不需要开挖或打开电缆沟及桥架，能够节省90%的安装成本,由此可使平台总重量大大减轻。系统扩展方便、快捷，增加新的测点非常容易；未来改造也无需考虑增加机柜、接线盒、卡件、桥架等，并且建设周期短。系统布置简洁，安装简单，后期维护费用大大减少

4 无线技术在“友谊号”改造中的应用

“渤海友谊号”FPSO（Floating Production&Storage Offloading，浮式生产储油轮，以下简称“友谊号”）是我国1987年于沪东造船厂建造，由挪威设计的最早自主建造的浮式生产储油轮，作为渤海南部油田的中心枢纽，通过海底管线将周边平台生产的原油和天然气集中并初步处理，处理过的原油储存在FPSO油舱内集中后外输。由于BZ28-2S和BZ34-1油田气量富裕，目前产量受到下游用量限制，仍有部分产能没有释放。为了合理利用该地区的天然气，中海油公司决定新建海底管线通过“友谊号”将富裕的天然气输送到天津地区，因此对友谊号单点进行相关改造。

本次改造中需要增加DI点4个（两台关断阀的远传阀位信号），DO点2个（两台关断阀的远程控制信号），AI点2个（两台压力变送器的远传信号）。这就需要单点上至少有8条硬线信号线，但单点上仅存4条硬线信号线（单点至FPSO中控之间无法再拉硬线，电缆需通过滑环），为此设计人员提出了两个可行性方案供选择：一是在单点上新增1套RTU，压力变送器和电磁阀信号通过硬线连接至中控，关断阀的阀位信号接入RTU，RTU与FPSO的通讯信号通过原滑环硬线信号联入中控系统。优点是RTU使用比较成熟，缺点是投入大，原滑环硬线与通信线路不一定匹配，还有可能存在干扰。二是压力变送器和电磁阀信号通过硬线连接至中控，关断阀的阀位信号通过无线变送器传送到中控，总共需要增加两台无线变送器，一台网关。优点是造价低，信号传输可靠；缺点是国内海上油田无使用先例。工程项目组经过认真权衡，并与厂家充分沟通在其他地方的使用情况，最终选用无线变送器传输方案。

此项目自2009年11月28日投运以来，无线仪表运行正常，数据传输可靠，仪表维护工程师反映良好。

5 结论

先进的无线技术与有线技术相比，投入成本低，占地面积小，是平台应用的理想选择。在海上平台应用智能无线技术，无论对新平台建设和现有平台改造项目，智能无线技术都将发挥其重要的作用。■

2011-09-06