工业无线传输技术在石化行业的应用及前景展望

国歌（长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南 岳阳 414000）

工业无线传输技术在石化行业的应用及前景展望

国歌（长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南 岳阳 414000）

通过对工业无线传输技术在芳烃罐区的应用，说明工业无线传输技术的发展特点和技术优势，并对无线传输技术的发展趋势进行展望。

无线传输技术;有线传输技术;WIA-PA

工业无线传输技术是一种新型的,短距离交互信息的无线通信技术。随着信息化技术的进步与发展，工业无线传输技术现已延伸至工业数据采集的现场，采集以前有线方式不能或者不方便采集到的过程数据，或投资更低更经济的实现过程参数的采集，最终确保工业装置更安全经济高效[1]。

1 无线传输技术运用的现有技术

工业无线传输技术是一种基于电磁波传输与接收的技术，核心部件需要有强大的发射能力、脉冲时间短、抗干扰能力强等功能。现在较为通用的方法是建立统一的国际标准。Wire⁃lessHART、ISA SP100和WIA这些国际组织正大力地积极地推进工业无线网络技术的标准化进程。工业无线网络WIA标准现已形成了国家标准草案，它是由中国工业无线联盟推出的具有自主知识产权的技术体系，并将与WirelessHART、ISA100并列成为主流工业无线传输技术体系。

WIA-PA标准是针对过程控制领域的需求而制定的WIA子标准，定义了用于过程控制的WIA系统结构与通信规范。

WIA-PA采用星型和网状相结合的两层网络拓扑结构，如图一所示。左侧是第一层网状结构，由无线网关及现场仪表构成，是系统管理的网络管理和安全管理；右侧是第二层星型结构，由现场仪表节点或现场设备组成。每个节点设备都是路由器，既能发送信号，又能接收信号，同时发现相邻节点、测量射频信号强度、获取同步和跳频信号并与相邻节点确定连接路径。多个相邻的节点便构成嵌入式的自组织和自愈智能网络结构。这种星状结构解决了远距离传输信号衰减的问题。

图一 WIA-PA网络拓扑

无线设备均采用电池供电，能耗越低，电池使用寿命越长，安装后的维护成本便越低，设备的可用性和实用性才能得到保证。对于单个的无线设备，在工作功率一定的情况下，降低其能耗主要通过降低占空比①来实现。占空比越低，周期时间内工作时间越短，空闲时间越长，设备的能耗越低。由于每个节点设备既是路由器，又要发送信号和接收传输信号，而无线设备的功率约95%是在发射和接收时耗掉的，只有全部节点同步唤醒和同步休眠，使所有信号同时发送、同时传输，才能实现无线设备电池的长寿命。目前主流仪表厂线无线仪表电池的使用寿命是5-10年。

WIA-PA技术通常采用的技术上DSSS[2]（Direct Sequence Spread Spectrum直接序列展频技术）多通道技术进行通信，如今在DSSS的基础上引入FHSS（Frequency-Hopping Spread Spec⁃trum跳频技术），根据信道状态采用自适应跳频等机制（如图二），有效抑制突发性干扰，消除频率选择性衰减。

图二 自适应跳频技术

2 工业无线传输技术应用

以某石化芳烃罐区隐患治理为例，该罐区风险评估显示，罐顶自力式调节阀、呼吸阀失效无法预测和抢修，储罐罐顶需增加压力变送器及时监控氮封压力，避免氮封失效引发贮罐发生安全事故，监测点均不参与控制，可以考虑有线传输技术和无线传输技术两种方式。

2.1 有线传输技术

传统采用有线传输方式的炼化装置区及罐区等区域都安装有DCS或PLC控制系统，各现场仪表与控制系统之间采用有线方式进行连接。如改造前的芳烃罐区采用就是传统的有线传输，这种传输方式存在两方面的问题：一方面是炼厂建设的年代比较久远，相应的控制系统较落后，现场仪表传输信号是4-20mA模拟信号，随着科技进步与生产规模的扩大，现场已经使用了很多智能仪表，如现场总线仪表。这些仪表既能用4-20mA模拟信号传输采集到的温度、压力等过程参数，同时还收集和保存了这些仪表的自身性能及生产过程的数据信息，仅靠模拟线路并不能将这些信息传输到DCS系统以供监控使用；另一方面，采用有线传输方式的只能传输模拟信号的控制系统或先进的基于现场总线技术的控制系统，都需要高昂的投资和繁琐的施工布线。

图三有线传输投资估算

2.2 无线传输技术

工业无线传输技术补充了控制系统中有线传输方式的不足，利用工业无线传输技术，为智能仪表增加无线数据传输能力，将大量有价值的数据传输到控制系统中。同时也可以因投资限制，利用无线技术对非关键监测点进行低成本监测[3]。

随着无线传输技术的应用与发展，炼油中非关键的监测点，比如炼油装置中存在大量的泵信号，需要被控制系统监测。了解这些泵的工作状态，如是否运行、能否正常启停等，这对提高系统安全性有非常重要的意义。

因此，工业无线传输技术应用的场合可以是以下几种：敷设电缆或接线非常困难的测量点；测量点分布过于分散的区域；隔离和屏蔽的区域；检修困难的区域；移动或旋转的设备；电缆容易损坏和折断的场所；电缆桥架、卡件、机柜等备用容量用完改造的场合[4]。

2.3 芳烃罐区隐患治理方案选择及原因

芳烃罐区隐患治理方案在设备费，主要材料费、安装费，还有其他费用这几个方面对比有线传输技术和无线传输技术。

（1）投资：有线传输总投资共82万元（主要工程量投资估算详见图三），无线传输总投资共58万元（详见图四），无线传输节省30%的投资。

（2）安装：没有电缆的采购和安装，使得施工变得简单，施工量减少，同时也省去了后期维护费用，在一定的程度上相当于“一劳永逸”。

（3）其他费用：有线传输需要增加电缆、接线箱等的选型、采购、铺设等环节，DCS中增加大量的卡件，再加上后期维护，不仅增加了投资，而且导致施工复杂，材料和施工成本提高。

图四 无线传输投资估算

综合上述三点，芳烃罐区隐患治理最终选择无线传输技术方案，同时也为未来的工业物联网打下基础。

3 工业无线传输技术未来发展

工业无线传输技术在工业现场中的应用延伸了原有的工业网络的控制范围和灵活性，成为有线传输技术和现场总线技术的补充。现阶段工业无线网络系统虽有信号加密和抗干扰等技术，但是工业无线传输技术与传统无线传输技术如Wi-Fi、蓝牙等一样都是工作在2.4GHz频段，在物理层是开放的，依旧存在安全隐患，这也是工业无线传输技术亟待解决的问题。

4 结语

随着WIA-PA标准的确立及政策和资金的大力支持,无线传输技术将会拥有巨大的市场前景和广泛的社会基础，在工业领域得到广泛应用，开拓广阔的市场。

①占空比指的是在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值.

[1]工业无线传输技术在石油化工行业的应用 王发兵[J].大氮肥.第33卷第3期.2010.6.

[2]工业无线传输技术理论与应用张龙、吴勇志[J].自动化博览.NO.4,2011.

[3]工业无线通信技术曾鹏张华良徐皑冬[J].仪器仪表标准化与计量.2008.02.

[4]无线变送器在电厂的应用及可靠性测试 石践[J].电气时代.2010.05.10.