霍尼韋爾公司過程控制部 Jeff Becker，Jerry Stanek

    Jeff Becker，霍尼韋爾公司過程控制部無線業務部主管，曾擔任過工程、銷售、市場和管理職務，并擁有圣地亞哥加利福尼亞大學電氣工程學士學位。Jerry Stanek，霍尼韋爾公司石油和天然氣部門業務經理，在石油和天然氣領域有著30多年的經驗，參與過上游生產設備的工程設計和采購等，擁有西雅圖城市大學電信學士學位。

    石油管道和煉油廠的地理位置給運營商帶來了挑戰：如何保持系統的高效運營和有效維護。在美國，大部分的煉油廠都位于墨西哥灣沿岸，設備需要承受高溫、高濕度、暴風雨和颶風。在這些環境條件下，煉油廠的設備和輸油管道除了正常工作條件外，還要承受很大的壓力。對于負責保證設備正常運行的技術人員來說，能夠獲取準確的實時性能數據非常寶貴。

    技術人員從車間獲得的信息越多越詳細，就可以越準確地作出預防性維護的決策。例如，如果技術人員能夠實時監測到鍋爐的日常運行時間、壓力水平和排汽溫度，那么就可以在設備發生故障之前立即確定問題并加以修復。如果能夠獲得歷史運行數據，那么技術人員就可以知道自從上一次維護檢查后單元運行的周期次數，從而確定是否需要立即維修還是要等到下一次計劃停工檢修期再說。

    工業無線技術帶來的優勢

    對于所有的加工制造業來說，保證正常工作時間對于企業的成功都是至關重要的，石油和天然氣及烴加工廠也是如此。煉廠中可以采用以下三種方式來監控生產設備和輸送管道：使用無線變送器、使用有線網絡或者采用人工檢查的方式。

    然而，由于很多管道處于嚴酷的環境條件和地理地帶，并且覆蓋了廣大的地域，因此采用人工或有線網絡的方式來監控這些基礎設施既不太可能，也成本昂貴。精煉廠也是這種情況。即使煉廠的地理位置有利于制造工業，但是其工作環境也會為有線和人工監控帶來困難。

    這正是工業無線技術的用武之地，因為其靈活性和移動性可用來遠程監控整個工廠中的設備。對于輸油管道也是如此。工業無線技術可以在整個管道范圍內使用，也可以只在某個特定的部分使用。

    工業無線技術還可以用于有爆炸性危險的環境中以提高安全性。因為傳統的有線方案需要持續供電才能工作，因此會有產生火花的危險，而工業無線技術使用的則是電池或太陽能。與有線方案相比，無線網絡避免了購買和安裝有線架構的成本，因此更加經濟。無線網絡還提供了即插即用的配置，與數英里的布線方式相比，極大地簡化了安裝過程。

    選擇工業無線網絡

    對于所有工業應用來說，安裝無線網絡的架構和策略都是一樣的。所不同的地方可能在于無線網絡的規模。無線方案的架構可以是一個網絡也可以是多個網絡，可以是小型網絡也可以是多點的大型網狀網絡。具體采用何種網絡配置應當取決于應用的場合。工業無線技術的總體用途可以分為三大類：安全性、可靠性和效率，對于石油和天然氣及乙烯加工煉廠來說，這些因素是很關鍵的。

    評估無線網絡時，要考慮的關鍵因素有：

    無線網絡是否工作在一個復雜的無線頻率環境中？

    無線網絡能否具備支持多種刷新速度進行無線傳輸的能力？

    無線變送器的電池壽命是否滿足長時間供電的要求？

    是否需要在整個無線網絡中實現端到端的數據安全性？

    是否具有擴展性，以滿足未來使用需要及支持多種無線應用來擴展無線網絡的規劃？

    應當在審核階段一開始就考慮這些問題，從而保證選擇適當的無線技術，以滿足當前和未來應用的需求。
                      
    霍尼韋爾過程解決方案的OneWireless網絡架構應當謹記，無線技術不僅僅限于過程數據采集和設備監控，尤其是當你評估網絡的未來應用時，在決定無線網絡應當如何隨著業務而擴展，并支持多種應用時，這是一個需要考慮的關鍵因素。

    例如，如果在一開始沒有對無線網絡啟用高質量的服務，那么擴展更多的無線應用，如應對緊急事故時，就可能造成網絡的超負荷。由于網絡的可用帶寬不足以支持來自過程數據采集無線設備（無線變送器）和緊急事件監測無線設備的通訊傳輸，因此就會發生上述情況。所以考慮在什么地方安裝無線網絡是很重要的。

    如果網絡將要運行在復雜的無線頻率環境下，那么就應當確定合適的無線架構以降低風險。如果需要在以后添加新的無線應用，那么網絡能夠支持各種多快刷新速度的傳輸而不會犧牲電池電量就非常關鍵。例如，如果網絡僅支持高速傳輸，那么以較快的數據刷新速度就會縮短無線變送器的電池壽命并占用無線網絡的帶寬。反過來，較低速度的網絡可能無法為更關鍵的應用提供滿足實時性要求的數據。

    整個工廠中可能會遍布數百個數據監測點，因此具有足夠的帶寬將可以保證無線網絡的工作效率，此外還能保證無線變送器最大限度地利用電池能量。由于可能需要更換遍布整個工廠的數百個測點中的電池，因此無線變送器電池的壽命是制造商普遍關注的問題。

    不管怎樣，相比較減少布線帶來的成本節約，更換電池的費用并不高昂。評估無線解決方案時，很多廠商提供的都是極低刷新速度下的電池壽命。了解到這一點后，您就應當選擇自己所需的刷新速度并詢問在該刷新速度下的電池壽命。業內的標準刷新速度通常為3至5秒。

    下一步是要保證無線網絡的安全。為了防止惡意侵犯并保護員工、知識產權和市場占有率，安全性是必不可少的。無線網絡中的安全防護措施應當易于部署、維護簡便、并且能夠提供多層保護。采用分層的安全措施可以防止多種風險，例如：? 位于工廠之外的被動式監聽器可以讀取和訪問數據。為了降低這種危險，網絡中應當采用機密性和加密的消息傳輸。

    主動式監聽器可以截獲一個正確的消息然后再發送一個錯誤的消息、更改真實的消息或者重放過去的消息。為了避免這種情況，網絡應當采用消息完整性和重放保護機制，包括時間標簽、循環碼校驗和其他消息標記。

    帶病毒的設備可能會取代合法的無線變送器并不斷地向系統發送錯誤消息。為了降低這種風險，網絡應當采取來源認證措施。

    采用拒絕服務式攻擊（DoS）的攻擊者將用大量的錯誤消息轟炸系統，使正確的消息無法通過網絡，從而在事實上中斷所有通過無線訪問點的無線通訊。安全的網絡應當采用認證、網狀網絡、冗余路徑等組合方式來抵抗拒絕服務式攻擊，并通過高性能的網狀網絡架構來減輕這種效應。

    確定無線網絡的安全措施時，應當考慮到工廠和管道的位置、因安全破壞造成的潛在危害以及傳輸的數據關鍵程度。對于要求高度安全性的網絡，系統應當提供強大的加密、完整的認證以及分層的保護。系統還應當提供端到端的數據加密，這意味著數據在到達有線網絡之前始終是加密的。

    正確地選擇無線網絡需要考慮到網絡的工作環境、可用的網絡帶寬、無線變送器的刷新速度和電池壽命以及安全要求。

    罐區遠程數據監控

    Reliance Industries（RIL）是印度能源和材料市場上最大的私營公司。當需要從原油罐區最遠端獲得可靠的儲油罐液位和溫度讀數時，該公司遇到了困難。RIL公司現有的有線網絡位于工廠內部，距離很遠，給技術人員進行系統維護和布線帶來困難。

    針對數據遠程采集監控的挑戰，RIL認為無線網絡可以帶來最大的優勢。該公司選擇了無線網狀網絡，因為這種網絡可以覆蓋更廣的區域，并且在某個無線節點故障的情況下可以提供系統的故障切換。

    通過從有線網絡轉換到無線網絡來監控遠程原油罐區，RIL公司節約了儀表電纜、人工和維護的成本。應用無線網絡后，RIL公司消除了不準確的數據采集，避免了不正確的容量使用和潛在的貿易結算偏差。

    開放的標準

    大多數的無線技術都采用了開放的標準協議，這保證了網絡可以與各種新、舊應用一起運行。目前存在著多種標準有線開放接口協議，例如Modbus、OPC、HART、Foundation Fieldbus、Profibus和以太網等。在實踐中，無線網絡使用的協議對網絡的實現沒有影響。相反，重要的是應當驗證開發的無線網絡支持開放協議標準。
   
    基于開放協議的無線網絡可以允許系統連接到工廠中還在使用的多種固有應用的和新的應用。這樣網絡就可以為整個工廠提供服務，而不僅僅局限于某個部門?？梢允篃o線網絡支持多種應用。了解無線網絡未來可能的多種應用，有助于確定應用所需的無線網絡架構和設備的類型。

    無線技術的工業應用

    無線技術在煉油廠和乙烯加工工業中的用途非常廣泛，包括壓力、腐蝕、溫度和氣體排放監控、儲油罐液位管理、預防性維護計劃、資產管理和員工跟蹤，并且可以實現雙向通訊。通過Repsol YPF公司的例子我們可以了解到無線技術在監控石油管道內部壓力方面起到的關鍵作用。該公司完成了阿根廷科羅拉多河的水下管道交叉，其中包括河下的一條石油管道、兩條天然氣管道和一條585米的溝渠，將Medoza Head和Neuquen Head油田連接起來。

    政府的規范要求對管道進行正確的監控，以避免石油因管道破裂涌入河中。為了確保管道的安全性，避免對環境造成破壞，Repsol公司決定對管道的壓力進行持續監測，并將數據集成到監控和數據采集（SCADA）系統中。

    為了給監控系統傳輸實時數據，Repsol公司對無線網絡和有線網絡均作了評估。該公司認為使用無線技術來連接Medoza Head和Neuquen Head可以更好地節約成本。Repsol公司在兩個管道接頭處均安裝了無線壓力變送器，并在Neuquen Head采用已有的遠程終端單元將數據發送到SCADA系統。

    通過安裝無線網絡，Repsol公司不但節約了成本，而且還消除了接線、數據轉換等過程中的數據傳輸故障。

    安裝一個或多個無線網絡

    Repsol公司決定只安裝一個無線網絡拓撲結構，這與該公司需要解決的問題完全吻合。該公司認為目前無線網絡只有一個用途，即監測管道的壓力。確定了無線網絡僅用于單一應用后，Repsol公司認為沒有必要安裝多點網絡或者更大的網狀網絡。

    單一架構、支持多種無線應用的工業無線網絡拓撲結構能夠為用戶提供更大的靈活性，既可以支持控制層次的應用，也可以支持設備層次的應用，能夠與無線變送器和Wi-Fi無線設備進行無線通訊。這種無線網絡基本上是DCS控制網絡的擴展和延伸。其拓撲結構將依賴W-VLAN技術來創建一個邏輯網絡，用于人機交互界面過程顯示和移動操作的全面應用。

    單一架構、支持多種無線應用的無線網絡在車間層次上更加容易維護和監控。它們采用了高速通訊的主干無線網絡來傳輸數據，這樣無線設備就可以無線回傳，從而減少了現場設備和控制器之間的等待時間，并延長了無線設備的電池壽命。

    采用網狀網絡的時機和方式網狀網絡被認為是最全面的工業無線解決方案，但是不一定適合所有的部署。此外，適當的無線網絡拓撲結構取決于網絡的用途。

    無線網狀網絡可以有效地利用工業、科學和醫療（ISM）無線通訊頻段來提供傳輸冗余性，從而提高數據傳輸的可靠性。由于使用ISM頻段的通訊設備必須能夠耐受來自其他ISM設備的干擾，因此這些頻段通常用于未獲許可的操作。例如，美國的ISM頻段是由聯邦通訊委員會管理的。

    為了減少有限的ISM頻段中的信號干擾，高效率的網狀網絡將采用跳頻擴譜（FHSS）技術。這種技術將數據信號與載波信號調制，并在很寬的頻段內周期性地進行頻率跳躍。通過中繼程序后，無線數據包會找到通往目的地址的路徑，并通過具有可靠通信連接的中間節點。

    當發生因貨車撞到節點等事故而引起網絡故障時，無線網狀網絡還具有自我恢復的能力。信號的傳輸路徑將被重新安排，繞過受損的節點而通過其他節點，從而保證流程數據等關鍵信息的發送。

    一般來說，有兩種類型的網狀網絡：傳感器類型和干線類型。傳感器網狀網絡采用一系列傳感器，在本地區域相互通訊。

    干線網狀網絡則帶有供電的節點，可以在更遠的距離上相互通訊，將工廠的各個部分連接起來。這些節點使數千個設備（從現場儀表、移動員工設備到語音和視頻通訊）能夠在單一的網絡基礎設施中共存。制造商通常會出于兩個主要原因決定采用多功能的干線網狀網絡。首先，可以基于需要監控的點的數量以及這些點的地理分布作出決定。工廠車間中需要監控的區域越多，安裝無線干線網狀網絡就越經濟。其次，一些公司對可靠的通訊以及可預測的電池壽命及數據刷新速度非?？粗?。干線網狀網絡利用了通過供電節點的優勢，可以使無線變送器節約電池能量并提供靈活的數據刷新速度。

    無線技術的大規模應用

    哥倫比亞的Ho c o l公司是一家勘探和生產公司，該公司希望提高自己四個生產油田中三個油田的生產效率。油田位于Magdalena谷，該谷地從Huila的安第斯山脈最下端一直穿過Tatacoa沙漠并通過白雪覆蓋的Nevado del Tolima山，有些地方屬于世界上地理和環境上最具挑戰性的地點。

    為了提高油田的生產率，Hocol公司認識到必須延長設備的正常工作時間并提高工人的安全保障。公司確定了要實現以上目標，必須通過以下途徑：

    改善生產油井的可監控水平，這樣才能及時、有效地作出生產決策，從而改善操作員的效率。

    減少操作人員的日常輪班次數，從而減少上下班的往返時間。

    消除日常油井監控班次，使操作人員可以關注于能夠提高生產的活動。

    增加遠程監控石油和天然氣生產活動的能力。

    要實現這些目標，Hocol公司認為，該公司的36個油井平臺上的110個油井只實現了四分之一的生產能力。為了改善物料向生產設施的配送，需要以下系統的信息互聯和共享：

    每個井臺的SCADA。

    ESP/VSD制造商等遠程用戶的SCADA，這樣這些制造商就可以按照性能合同獲得最佳生產配置點。

    主管道泵站的SCADA。

    與生產設施控制系統的信息交換。

    與工藝水處理廠的SCADA。

    為了使這些不同系統能夠有效地進行通訊，油井應當包含一個可編程邏輯控制器（PLC），采用無線方式與現場無線變送器無線通訊，并且對于單獨的油井采用與變速驅動器的硬連線接口。

    考慮到該地區的地形布局和植被不適合長距離的點對點或多點通訊，Hocol公司決定采用衛星通訊從PLC獲取井臺信息。

    采用P LC與衛星技術連接的現場變送器進行無線通訊為公司提供了靈活性，可以添加、刪除油井或改變油井的生產方法，以及其他控制優勢。在井臺的生產通過一個主機冗余控制器（PLC）進行控制。

    在每個井口，Hocol公司都采用無線現場變送器將過程數據采集到PLC。然后這一信息被傳輸到生產中心，在那里對油井進行遠程監控。由于無線解決方案具有遠程監控的功能，因此主要生產油井可以實時提升油井的生產水平。此外，為了保證井臺與生產中心的雙向傳輸交換的交互性，Hocol公司還在一些井臺上安裝了Modbus網關。

    下面以Hocol公司的哥倫比亞油井為例說明該公司采用無線技術獲得的成功。在實現遠程監控之前，油井的產量為每天86桶，其中含有50%的水分，也就是每天大約生產43桶原油。采用遠程監控后，通過關井測試分析，發現了井壓力下降的原因。采取糾正措施后，哥倫比亞油井的產量提高了1700%，從每天40桶原油達到了每天750桶原油。

    長期的投資

    采用工業無線技術是一項長期的投資，帶來的優點遠不止是提高工廠效率，并且還面向未來的業務增長和效率。工業無線網絡架構應當能夠隨著業務而成長和擴展，因此必須考慮到從安裝到支持未來需要的總體成本。有線網絡之間是很容易共存的，但是無線網絡則共享著一片有限的物理空間。網絡的未來擴展是不可避免的，如果不考慮到這一點，那么以后添加新的無線網絡時就會造成沖突。

    無線技術帶來的優點遠不止是避免布線的成本，還包含對以前難以采集數據的地方進行實時訪問以及提高員工效率和安全性等。工廠可以在無線變送器和控制系統之間提供無線連接，以便連接到遠程控制器和I/O設備。此外工廠還能從可靠性相關的應用中獲益，例如旋轉設備的振動監測、安全設備、移動操作站、訪問實時數據的手持終端和無線視頻等。

摘自《自動化博覽》2010年第七期