无线远传技术在罐区监控中的应用

柳永刚，李冬生，韩丽云

(福斯特惠勒(河北)工程设计有限公司，石家庄 050051)

随着石油化工生产技术的革新和发展，对罐区的监控提出了更高的要求。在浙江某化工石油公司润滑油项目中，若采用传统的有线方式，无论是施工安装还是后期维护，都存在着成本高、工期长的弊端。结合罐区实际应用，根据项目工艺要求，笔者设计了一套基于无线远传技术的罐区监控系统，具有操作简单、施工快捷、维护方便、费用低廉等优点[1]。

1 总体结构设计

无线远传技术是面向设备间低速率、短程信息交换的无线通信技术，具有较强抗干扰能力、超低功耗、实时通信等特点，适用于恶劣工况下的工业现场和环境[2]。

鉴于项目占地面积大，监控设备多，且相互间距较远等特点，罐区监控系统(含基础油灌区和成品油罐区)设计中采用无线远传技术的监控方案。监控系统由现场检测设备、通信链路、中心控制设备三大部分组成，结构如图1所示。其中现场检测设备包含无线温度变送器、无线压力变送器、无线液位变送器、液位开关等；通信链路包含无线网关、工业控制网、交换机等；中心控制设备包含操作台、操作员站、工程师站等。

2 产品选型方案

由于主装置区的控制系统采用艾默生的Delta V系统，为了确保整个控制系统的稳定性、实用性和兼容性，罐区监控采用艾默生智能无线仪表技术。选用该系统的优点： 采用与主装置有线变送器相同的检测元件，保证了数据采集的可靠性；采用带自主搜索功能的无线网关，使得传输路径短、数据实时性更高；上位机组态简单方便，人机交互性强，组态界面友好且支持多种通信协议[3]。

图1 监控系统结构示意

2．1 无线压力变送器

无线压力变送器选用罗斯蒙特 3051S压力变送器，用于实时监测储罐入口、出口管道介质压力。3051S无线压力传感器总体精度不低于±0．1% 量程，就地显示配置液晶显示器；采用防腐蚀设计，适用于基础油灌区和成品油罐区的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点；通过无线通信协议与控制室间进行数据通信。

2．2 无线温度变送器

储罐温度检测为单点温度测量，变送器采用罗斯蒙特 648 无线温度变送器，包括1个大型易读显示屏、用户可配置的过程警报、长距离和扩展范围天线选项以及用于增强准确性的变送器-传感器匹配技术。648无线温度变送器完全兼容经 IEC 认证的 Wireless HART 网络，是一项可提供丰富诊断数据和可靠性能的智能无线温度仪表。

2．3 无线液位变送器

罐区液位变送器采用3051S差压变送器，该设备结构简单、安装方便，与传统的传感器安装方法相同，同时省去了有线仪表电缆敷设的施工量；运行稳定，使用电池供电，消除了外界电网干扰；通过无线通信协议与控制室进行数据通信。

2．4 无线液位报警

液位报警采用罗斯蒙特2160无线振动音叉式液位开关。根据工艺要求选用法兰连接方式、铝制外壳、带五位集成式 LCD就地显示器、PBT/PC 一体化全向天线、防护等级IP66、本质安全型。该液位开关可连续执行音叉和传感器的仪表健康诊断，这些诊断可检测音叉的外部损坏、传感器的内部损坏、过度腐蚀和超温情况；可承受-70～260 ℃(-94～-500 ℉)的温度和高达10 MPa (100 bar) 的压力，在项目周围环境下满足监控要求。

2．5 无线网关

监控系统中，现场仪表将检测得到的温度、压力、液位、报警等实时参数通过无线网关传输到控制室的上位机系统。项目采用Wireless HART自组织网络，通信协议使用以太网(也可选用RS-485)实现系统交互操作，并选用具有OPC功能的智能网关，使其能够为新系统提供数据链路。该设备具有1个无线接口、1个RS-485接口、1个TCP/IP网络接口，可以实现如下功能： 实现第三方产品的协议转换；实现有线通信和无线通信之间的转换；作为网关设备，将有线RS-485或者无线通信转换为网络数据传输。

智能无线网关具备安全性能高、可扩展、传输数据可靠等特点。其网络采用安全分层模式，确保其具有较高的安全性；可扩展性满足了用户可随时增加设备的需求；同时网关具有自动管理网络功能，无需配置通信路径，确保了Wireless HART现场设备传送数据线路的可靠性。

3 罐区监控系统通信与组态

3．1 系统通信

从图1可以看出，罐区监控系统采用了无线和有线相结合的通信方式。

3．1．1无线通信部分

每个储罐需要检测的温度、液位、压力、报警等参数，一般分布相对比较集中。智能无线技术采用的是2．4 GHz频段，并将其分成了16个更窄的频段且采用跳帧技术，若在一个频段检测到干扰，网络通信会自动切换到另外一个频段[4]。此外还采用了先进的基于标准的加密、识别、验证、密钥管理等技术，提高了网络的安全可靠性。

3．1．2有线通信部分

数据经过网关要传送到控制室工业控制机中，传输媒介采取了抗干扰能力强、传输距离远、数据通信量大的光纤，以保证数据传输的实时性、可靠性和稳定性。

3．2 系统组态

基于无线远传技术的仪表组态主要包含网络标示(Network ID)、数据刷新速率、握手密码(Join key)等参数的设置，这些参数均通过支持无线功能的HART375手操器实现。数据刷新速率需根据实际工况确定，该罐区检测系统设置为5 s；网络标示、握手密码要与网关设置一致。

通过电脑登录网关对诸如IP地址、网络标示、数据刷新速率、握手密码等参数进行配置。IP地址根据生产装置区有线系统的网络地址段修改，网络标示、握手密码，使用了默认值。

设置完以上参数，无线仪表与网关连接成功后，再对无线仪表进行PV值地址设置。经过无线网关和仪表的组态配置，形成了无线控制系统的网络。根据Delta V系统要求，对控制室工控机工程师站、操作员站的I/O点和画面进行组态，整个控制系统即可实现对罐区的监控功能。

4 注意事项

根据项目竣工总结得知，基础油灌区和成品油罐区监控系统施工工期缩短了17天；监控系统投资减少10．7万元。从项目的执行效果看，系统运行中仍有需注意之处。由于现场无线网络设备由电池供电，尽管设备在研发中已采取了诸如先进的电源管理技术、快速设备唤醒时间、低功率电子部件和能量收集技术等[5]，力求将设备的耗电量降低到最低限，但在苛刻的工厂环境中电池仍是一个非常重要的组件。在设计选型和设备使用中，应采取以下措施，来保证设备正常运行：

1) 仪表电池选配高质量产品，要求其使用寿命不低于5年。

2) 加强日常设备巡检，须将现场仪表的供电状况纳入全天监控范围，一旦发现供电异常，应及时处理，做到有问题早发现、早处理，避免因电池供电问题影响设备的正常使用。

5 结束语

基于无线远传技术的仪表监控系统投用后，数据传输稳定可靠，维护工作量小。实际应用表明： 无线远传技术具有施工快捷简便、成本低廉，节省材料和人工，建设周期短，安全可靠，便于后期维护等优点，特别适用于罐区以及其他具有占地面积大，设备间距较远，监控设备多而分散特点区域的系统监控。

参考文献：

[1] 曲涛．工业无线仪表在油气行业的应用[J]．科技创新与应用,2012(09)： 6-7．

[2] 卓传金．无线仪表技术在油田扩建项目中的应用[J]．自动化与仪表,2013(05)： 56-57．

[3] 曾鹏,张华良,徐皑冬．工业无线技术在油气行业的应用[J]．仪器仪表标准化与计量,2008(02)： 27-32．

[4] 李蛟,杨仁锟,肖峻．2．4 GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰性能[J]．电信工程技术与标准化,2006(03)： 31-35．

[5] 赵新秋．工业控制网络的发展[J]．自动化与仪器仪表，2008(04)： 3-6．

[6] 李文仲，段朝玉．ZigBee无线网络技术入门与实战[M]．北京： 北京航空航天大学出版社，2007．

[7] 中国石化集团北京设计院．SH/T 3092—1999 石油化工分散控制系统设计规范[S]．北京： 中国石化出版社,1999．

[8] 中国石化集团北京石油化工工程公司．SH 3005—1999 石油化工自动化仪表选型设计规范[S]．北京： 中国石化出版社,1999．

[9] 邱宣振,贺大运,姜国平．工程自动化设计应用手册[M]．合肥： 国际科教文出版社,2004．

[10] 许航．基于无线自组网技术的能源计量数据采集系统[J]．计量与测试技术,2010(03)： 19-20．

[11] 夏琳琳,谷丽君,王建国,等．CAN总线与ZigBee无线网络网关的设计[J]．化工自动化及仪表,2012,39(01)： 63-67．