炼化企业物联网技术应用研究

曹 旭

（中国石油锦西石化分公司，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引言

工业物联网（IIoT，Industry Internet of Things）是物联网在工业上的应用。工业物联网的连接方式分为有线和无线两大类。而无线网络由于其架设更为方便，成本低廉，将会被越来越多地应用到流程工业中。

1 低功耗广域网建设

低功耗广域网技术正是为了满足物联网远距离通信需求应运而生的一种无线通信技术。低功耗广域网络在物联网发展中占据重要位置，包括NB－IoT、LoRa、eMTC、UNB、Wi－Fi HaLow 等多个标准，适用于不同场景的长距离无线物联网通信应用，具有低功耗、广覆盖、大量连接、低成本、高频谱利用率等优势。

流程行业智能化转型的关键在大量工业数据的获取及分析应用，数据采集需求会随着低功耗广域网的发展被提出，随着数据的汇总量越来越多，以及云计算、大数据以及人工智能技术的发展，可以对这些数据进行有效存储、挖掘分析与应用，使得流程行业的管理形成更多基于数据的闭环，推动工厂逐步向智能化方向演进。在这个过程中，低功耗广域网扮演了重要的数据汇集传输的角色。

eLTE－IoT（Enterprise Long Term Evolution -Internet of Things）是华为公司将4G－eLTE 技术与NB－IoT 技术相结合，推出的一个支持企业自建的低功耗广域网技术，也是华为公司专门为行业物联网领域开发的基于3GPP 标准的窄带物联解决方案。eLTE－IoT 解决方案充分考虑了开放频谱的共享特性可能引发的干扰，采用跳频等技术避免外部干扰，提高了通信的可靠性。同时，采用先进的纠错码、快速纠错能力保障ISM 开放频谱的连接可靠性。

eLTE－IoT 解决方案采用免授权的Sub－GHz 频段，免去了企业难以申请频谱的困扰。eLTE－IoT 解决方案支持470MHz－510MHz、902MHz－928MHz、863MHz－870MHz 等 开 放 频 谱，且满足中国《微功率（短距离）无线电设备管理暂行规定》的要求，满足美国FCC、欧洲ERC－REC 70－03 等各个国家和地区的规范要求。

1.1 低功耗

eLTE－IoT 采用PSM（Power Saving Mode，功率节约模式）和DRX（Discontinuous Reception，非连续接收）技术降低功耗，支持小包快传技术，数据发送时间短、传输效率高，电池寿命高达10 年。

1.2 广覆盖

eLTE－IoT 是一种广域组网技术，最大可达10 千米覆盖半径，支持室内、室外多场景覆盖，甚至可穿透建筑物地下二层，也适合于流程行业工厂下的钢结构装置区使用。

1.3 大量连接

eLTE－IoT 单设备支持最大5 万个接入用户数，可解决高密终端或传感器同时接入网络的问题。

1.4 高频带利用率

内置1GHz 以下ISM 频谱、功率谱密度提升发射、时域重传等技术，单信道占用更小的频率资源，相同带宽下可以带来更大的容量提升。SlottedALOHA 技术能够减少碰撞概率、提高传输效率、增强系统容量，并且支持多并发信道，提高频带利用率。

1.5 抗干扰能力强

其采用了跳频技术避免外部干扰，使用先进的纠错码实现快速纠错能力，增强了通信的抗干扰性。

2 低功耗广域网应用

通过低功耗广域网的建设，能实现以下各类应用：

2.1 人员三维定位

人员三维定位在石油化工智能制造扮演着重要的角色。首先，可以对外操人员的日常巡检、维修等操作进行位置指引，提升工作效率。其次，可以根据位置情况进行必要的现场警示、通知、危险讲解。再次，在人员发生紧急意外时，可以精确定位位置和高度，便于快速施救，避免二次伤害。此外，还可以高效地对现场工作人员进行基于位置的调度指挥，便于应对各类突发事件。

2.2 SOS 报警

石油化工现场存在各类危险作业环境，一旦发生气体泄漏伤害、高温液体溅射伤害、蒸汽伤害、人员跌落伤害、电击伤害等事故后，如何快速将人员发生的伤害信息及位置信息报送到指定的救援人员，并实现快速施救，保障现场工作人员的生命安全，是智能工厂建设必须考虑的问题。首先，SOS 报警功能应将现场操作人员活动状态、三维位置以及报警信息等数据，通过人员随身携带的智能终端或身份卡上的eLTE-IoT 模块，发送到后台。其次，报警终端应具有摔倒检测功能和多媒体通信功能，在报警发出后，便于救援人员与报警人员进行沟通并对报警信息进行确认。最后，报警身份卡需要极低的功耗，使得该卡不用频繁插线充电，为使用人员带来极大的方便。

2.3 动设备温度、振动监测

旋转机械设备在流程工业起到非常重要的作用，工业生产设备一旦因故障停机，损失将十分巨大。另一方面，企业为了防止发生因机械故障导致的事故，又会对机械设备进行过度维修。因此，既防止故障发生，又减少维修支出就显得尤为重要。旋转类机械是机械设备中的重要组成部分，也是国民经济各个部门中应用最普遍、最广泛的机械设备，旋转机械设备在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。齿轮、轴和轴承是构成机器传动系统的关键零件，机器工作时这些零件会产生振动，若发生故障，其振动信号的能量分布就会发生变化，因此振动信号可以作为机器传动系统故障特征的载体。经验丰富的维修人员，通过触摸和倾听振动强度及声音，就可以判断出机械设备明显的故障。但关于设备早期或特征不突出的故障，维修人员还是无能为力。对机械设备进行振动检测的研究，不但可以有效地检测设备的运行情况，还可以正确地判断出故障发生的位置，并进行处理，减少了对设备拆卸的次数。

现有流程行业工厂的旋转机械设备中，10%～20%的大型重要机泵基本实现了基于有线连接的在线振动检测分析，但其它80%～90%的中、小机泵等旋转机械设备，很多依然采用维修人员通过触摸和倾听振动强度及声音来判断故障，这是因为有线的在线振动采集及分析系统设备价格昂贵，不便于大规模推广使用。随着低功耗、低成本振动传感器、eLTE-IoT 低功耗广域网、现场本质安全充电等技术的发展，使得低成本、广覆盖、长寿命的无线振动及温度检测、故障分析成为可能。工厂内全部旋转机械设备在线检测的实现，将为真正意义上的预测性维检修提供完整、及时的数据支持。在节省大量的人力、物力检测维护成本的同时，也提高了企业的安全管理水平，为传统工厂向智能工厂演进提供了有利的工具。

2.4 静设备腐蚀监测

腐蚀是材料与外部环境、内部物料反应引起的材料破坏与变质，腐蚀是造成流程工业中金属设施破坏的主要原因之一。在流程行业，大量使用各种金属设备，容易遭受腐蚀，设备腐蚀造成的损失及危害包括：设备发生腐蚀后的维修、更换及劳务费用；设备腐蚀造成的停工、停产；跑、冒、滴、漏造成的物料流失、环境污染；腐蚀造成的产品污染、质量下降、能耗增加；腐蚀造成的设备破坏、人员伤亡、灾害事故等。

腐蚀监测就是对设备的腐蚀状态、腐蚀速度以及某些与腐蚀有关的参数进行系统的测量，并通过监测的信息对生产过程有关的参数进行自动控制或报警。流程工业生产的特点是连续性和大型化，这要求尽量减少停车检修的时间和次数，延长设备连续运转的周期。然而，腐蚀的发展是不可避免的，控制腐蚀发展的速度则需要进行腐蚀监测。一般认为，腐蚀监测可以带来数十倍乃至上百倍的经济效益。

腐蚀监测的目的主要有：一是使设备在接近最佳状态下运行，提高生产能力，改善产品质量，延长设备使用寿命；二是预报适时维修需要，减少投资费用，减少操作费用；三是保证设备的安全运行，保证操作人员的安全，有益于降低环境污染；四是有助于鉴定腐蚀原因，判断防腐蚀方法的效果；五是为管理决策提供依据。

腐蚀监测技术包含离线检测和在线监测两大类。离线检测是设备运行一段时间后，检查设备的腐蚀状况，如有无裂纹、剩余壁厚、剩余强度以及是否有局部腐蚀穿孔的危险。在线监测是在设备处于运行状态，利用各种在线腐蚀监测手段测量即时腐蚀速率，以及能影响腐蚀速率的各种工艺参数，并据此来调整工艺参数和采取相应防范措施，从而预防和控制腐蚀的发生与发展，使设备处于良好的可控运行状态。目前，常用的腐蚀监测技术主要有：挂片法、电阻探针法、电化学法、电位监测法、电感法、化学分析法、超声波法、涡流法、红外成像法、耦合多电极技术、氢通量法等。

将传统的腐蚀测量技术进行筛选评估，选择广谱适用、低功耗的传感器，与eLTE-IoT 通信技术相结合，实现对流程工业现场设备腐蚀状况信息的采集，也能进一步提升设备预测性维检修的效率。

2.5 有毒有害气体浓度监控

石油化工行业，加强对有毒有害气体泄漏的管理具有十分重要的意义。石油化工生产过程存在的有毒有害气体种类多、分布广，主要有硫化氢、氯气、一氧化碳、氨气、苯蒸气等。特别是随着原油种类的变化，原油中硫含量升高，其生产工艺介质中硫化氢的含量也越来越高，硫化氢中毒的危险性越来越大。设备故障、管理不善等原因造成有毒有害气体泄漏时，极易造成人员中毒的严重后果。

随着半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、红外气体传感器、热传导式气体传感器、固体电解质气体传感器等不同种类的气体传感器的发展，将低功耗广域网与低功耗气体传感器技术结合起来，形成基于无线的低成本易部署气体传感采集网络，将是流程行业现场有毒有害气体监测的发展趋势。