在处理好可用的无线通讯带宽的前提下，以无线方式采集数据可以降低成本并提高效率
JEFF BECKER和JERRY STANEK
霍尼韦尔公司过程控制部

石油管道和炼油厂的地理位置给运营商带来了挑战：如何保持系统的高效运营和有效维护。在美国，大部分的炼油厂都位于墨西哥湾沿岸，设备需要承受高温、高湿度、暴风雨和飓风。
在这些环境条件下，炼油厂的设备和输油管道除了正常工作条件外，还要承受很大的压力。对于负责保证设备正常运行的技术人员来说，能够获取准确的实时性能数据非常宝贵。
技术人员从车间获得的信息越多越详细，就可以更好地作出预防性维护方面的决策。例如，如果技术人员能够实时监测到锅炉的日常运行时间、压力水平和排汽温度，那么就可以在设备发生故障之前立即确定问题并加以修复。如果能够获得历史运行数据，那么技术人员就可以知道自从上一次维护检查后单元运行的周期次数，从而确定是否需要立即维修还是等到下一次预定停工检修期再说。

工业无线技术带来的优势
对于所有的加工制造业来说，保证正常工作时间对于企业的成功都是至关重要的，石油和天然气及乙烯加工炼厂也是如此。炼厂中可以采用以下三种方式来监控生产设备和输送管道：使用无线变送器、使用有线网络或者采用人工检查的方式。
然而，由于很多管道处于严酷的环境条件和地理地带，并且覆盖了广大的地域，因此采用人工或有线网络的方式来监控这些基础设施既不太可能，也成本昂贵。精炼厂也是这种情况。即使炼厂的位置有利于制造工业，但是其工作环境也会为有线和人工监控带来困难。
这正是工业无线技术的用武之地，因为其灵活性和移动性可用来远程监控整个工厂中的设备。对于输油管道也是如此。工业无线技术可以在整个管道范围内使用，也可以只在某个特定的部分使用。
工业无线技术还可以用于有爆炸性危险的环境中以提高安全性。因为传统的有线方案需要持续供电才能工作，因此会有产生火花的危险，而工业无线技术使用的则是电池或太阳能。与有线方案相比，无线网络避免了购买和安装有线架构的成本，因此更加经济。无线网络还提供了即插即用的配置，与数英里的布线方式相比，极大地简化了安装过程。

选择工业无线网络
对于所有工业应用来说，安装无线网络的架构和策略都是一样的。所不同的地方可能在于无线网络的规模。无线方案的架构可以是一个网络也可以是多个网络，可以是小型网络也可以是多点的大型网状网络。具体采用何种网络配置应当取决于应用的场合。工业无线技术的总体用途可以分为三大类：安全性、可靠性和效率 – 对于石油和天然气及乙烯加工炼厂来说，这些因素是很关键的。

工业无线网络架构
无线网络不仅仅限于过程数据采集和设备的状态监测。由于在工厂车间可以应用Wi-Fi技术，支持利用无线技术即时应对紧急事故，或者支持员工实时获取工厂数据。

应当谨记，无线技术不仅仅限于过程数据采集和设备监控，尤其是当你评估网络的未来应用时 – 在决定无线网络应当如何随着业务而扩展，并支持多种应用时，这是一个需要考虑的关键因素。
例如，如果在一开始没有对无线网络启用高质量的服务，那么扩展更多的无线应用，如应对紧急事故时，就可能造成网络的超负荷。由于网络的可用带宽不足以支持来自过程数据采集无线设备（无线变送器）和紧急事件监测无线设备的通讯传输，因此就会发生上述情况。所以考虑在什么地方安装无线网络是很重要的。
如果网络将要运行在复杂的无线频率环境下，那么就应当确定合适的无线架构以降低风险。如果需要在以后添加新的无线应用，那么网络能够支持各种多快刷新速度的传输而不会牺牲电池电量就非常关键。例如，如果网络仅支持高速传输，那么以较快的数据刷新速度就会缩短无线变送器的电池寿命并占用无线网络的带宽。反过来，较低速度的网络可能无法为更关键的应用提供满足实时性要求的数据。
整个工厂中可能会遍布数百个数据监测点，因此具有足够的带宽将可以保证无线网络的工作效率，此外还能保证无线变送器最大限度地利用电池能量。由于可能需要更换遍布整个工厂的数百个测点中的电池，因此无线变送器电池的寿命是制造商普遍关注的问题。
不管怎样，相比较减少布线带来的成本节约，更换电池的费用并不高昂。评估无线解决方案时，很多厂商提供的都是极低刷新速度下的电池寿命。了解到这一点后，您就应当选择自己所需的刷新速度并询问在该刷新速度下的电池寿命。业内的标准刷新速度通常为3至5秒。
下一步是要保证无线网络的安全。为了防止恶意侵犯并保护员工、知识产权和市场占有率，安全性是必不可少的。

确定无线网络的安全措施时，应当考虑到工厂和管道的位置、因安全破坏造成的潜在危害以及传输的数据关键程度。对于要求高度安全性的网络，系统应当提供强大的加密、完整的认证以及分层的保护。系统还应当提供端到端的数据加密，这意味着数据在到达有线网络之前始终是加密的。
正确地选择无线网络需要考虑到网络的工作环境、可用的网络带宽、无线变送器的刷新速度和电池寿命，以及安全要求。

罐区远程数据监控
Reliance Industries（RIL）是印度能源和材料市场上最大的私营公司。当需要从原油罐区最远端获得可靠的储油罐液位和温度读数时，该公司遇到了困难。RIL公司现有的有线网络位于工厂内部，距离很远，给技术人员进行系统维护和布线带来困难。
针对数据远程采集监控的挑战，RIL认为无线网络可以带来最大的优势。该公司选择了无线网状网络，因为这种网络可以覆盖更广的区域，并且在某个无线节点故障的情况下可以提供系统的故障切换。
通过从有线网络转换到无线网络来监控远程原油罐区，RIL公司节约了仪表电缆、人工和维护的成本。应用无线网络后，RIL公司消除了不准确的数据采集，避免了不正确的容量使用和潜在的贸易结算偏差。

开放的标准
大多数的无线技术都采用了开放的标准协议，这保证了网络可以与各种新、旧应用一起运行。目前存在着多种标准有线开放接口协议，例如Modbus、OPC、HART、Foundation Fieldbus、Profibus和以太网等。在实践中，无线网络使用的协议对网络的实现没有影响。相反，重要的是应当验证开发的无线网络支持开放协议标准。
基于开放协议的无线网络可以允许系统连接到工厂中还在使用的多种固有应用的和新的应用。这样网络就可以为整个工厂提供服务，而不仅仅局限于某个部门。可以使无线网络支持多种应用。了解无线网络未来可能的多种应用，有助于确定应用所需的无线网络架构和设备的类型。

无线技术的工业应用
无线技术在炼油厂和乙烯加工工业中的用途非常广泛，包括压力、腐蚀、温度和气体排放监控、储油罐液位管理、预防性维护计划、资产管理和员工跟踪，并且可以实现双向通讯。
通过Repsol YPF公司的例子我们可以了解到无线技术在监控石油管道内部压力方面起到的关键作用。该公司完成了阿根廷科罗拉多河的水下管道交叉，其中包括河下的一条石油管道、两条天然气管道和一条585米的沟渠，将Medoza Head和Neuquen Head油田连接起来。
政府的规范要求对管道进行正确的监控，以避免石油因管道破裂涌入河中。为了确保管道的安全性，避免对环境造成破坏，Repsol公司决定对管道的压力进行持续监测，并将数据集成到监控和数据采集（SCADA）系统中。
为了给监控系统传输实时数据，Repsol公司对无线网络和有线网络均作了评估。该公司认为使用无线技术来连接Medoza Head和Neuquen Head可以更好地节约成本。Repsol公司在两个管道接头处均安装了无线压力变送器，并在Neuquen Head采用已有的远程终端单元将数据发送到SCADA系统。
通过安装无线网络，Repsol公司不但节约了成本，而且还消除了接线、数据转换等过程中的数据传输故障。

安装一个或多个无线网络
Repsol公司决定只安装一个无线网络拓扑结构，这与该公司需要解决的问题完全吻合。该公司认为目前无线网络只有一个用途，即监测管道的压力。确定了无线网络仅用于单一应用后，Repsol公司认为没有必要安装多点网络或者更大的网状网络。
单一架构、支持多种无线应用的工业无线网络拓扑结构能够为用户提供更大的灵活性，即可以支持控制层次的应用，也可以支持设备层次的应用，能够与无线变送器和Wi-Fi无线设备无线通讯。这种无线网络基本上是DCS控制网络的扩展和延伸。其拓扑结构将依赖W-VLAN技术来创建一个逻辑网络，用于人机交互界面过程显示和移动操作的全面应用。
单一架构、支持多种无线应用的无线网络在车间层次上更加容易维护和监控。它们采用了高速通讯的主干无线网络来传输数据，这样无线设备就可以利用无线回传，从而减少了现场设备和控制器之间的等待时间，并延长了无线设备的电池寿命。

采用网状网络的时机和方式
网状网络被认为是最全面的工业无线解决方案，但是不一定适合所有的部署。此外，适当的无线网络拓扑结构取决于网络的用途。
无线网状网络可以有效地利用工业、科学和医疗（ISM）无线通讯频段来提供传输冗余性，从而提高数据传输的可靠性。由于使用ISM频段的通讯设备必须能够耐受来自其他ISM设备的干扰，因此这些频段通常用于未获许可的操作。没有许可的操作需要能够处理来自其他设备的干扰。例如，美国的ISM频段是由联邦通讯委员会管理的。
为了减少有限的ISM频段中的信号干扰，高效率的网状网络将采用跳频扩谱（FHSS）技术。这种技术将数据信号与载波信号调制，并在很宽的频段内周期性地进行频率跳跃。通过中继程序后，无线数据包会找到通往目的地址的路径，并通过具有可靠通信连接的中间节点。
当发生因货车撞到节点等事故而引起网络故障时，无线网状网络还具有自我恢复的能力。信号的传输路径将被重新安排，绕过受损的节点而通过其他节点，从而保证流程数据等关键信息的发送。
一般来说，有两种类型的网状网络：传感器类型和干线类型。传感器网状网络采用一系列传感器，在本地区域相互通讯。干线网状网络则带有供电的节点，可以在更远的距离上相互通讯，将工厂的各个部分连接起来。这些节点使数千个设备（从现场仪表、移动员工设备到语音和视频通讯）能够在单一的网络基础设施中共存。制造商通常会出于两个主要原因决定采用多功能的干线网状网络。首先，可以基于需要监控的点的数量以及这些点的地理分布作出决定。工厂车间中需要监控的区域越多，安装无线干线网状网络就越经济。其次，一些公司对可靠的通讯以及可预测的电池寿命及数据刷新速度非常看重。干线网状网络利用了通过供电节点的优势，可以使无线变送器节约电池能量并提供灵活的数据刷新速度。

无线技术的大规模应用
哥伦比亚的Hocol公司是一家勘探和生产公司，该公司希望提高自己四个生产油田中三个油田的生产效率。油田位于Magdalena谷，该谷地从Huila的安第斯山脉最下端一直穿过Tatacoa沙漠并通过白雪覆盖的Nevado del Tolima山，有些地方属于世界上地理和环境上最具挑战性的地点。

为了使这些不同系统能够有效地进行通讯，油井应当包含一个可编程逻辑控制器（PLC），采用无线方式与现场无线变送器无线通讯，并且对于单独的油井采用与变速驱动器的硬连线接口。
考虑到该地区的地形布局和植被不适合长距离的点对点或多点通讯，Hocol公司决定采用卫星通讯从PLC获取井台信息。
采用PLC与卫星技术连接的现场变送器进行无线通讯为公司提供了灵活性，可以添加、删除油井或改变油井的生产方法，以及其他控制优势。在井台的生产通过一个主机冗余控制器（PLC）进行控制。
在每个井口，Hocol公司都采用无线现场变送器将过程数据采集到PLC。然后这一信息被传输到生产中心，在那里对油井进行远程监控。由于无线解决方案具有远程监控的功能，因此主要生产油井可以实时提升油井的生产水平。此外，为了保证井台与生产中心的双向传输交换的交互性，Hocol公司还在一些井台上安装了Modbus网关。
下面以Hocol公司的哥伦比亚油井为例说明该公司采用无线技术获得的成功。在实现远程监控之前，油井的产量为每天86桶，其中含有50%的水分，也就是每天大约生产43桶原油。采用远程监控后，通过关井测试分析，发现了井压力下降的原因。采取纠正措施后，哥伦比亚油井的产量提高了1700%，从每天40桶原油达到了每天750桶原油。

长期的投资
采用工业无线技术是一项长期的投资，带来的优点远不止是提高工厂效率，并且还面向未来的业务增长和效率。工业无线网络架构应当能够随着业务而成长和扩展，因此必须考虑到从安装到支持未来需要的总体成本。有线网络之间是很容易共存的，但是无线网络则共享着一片有限的物理空间。网络的未来扩展是不可避免的，如果不考虑到这一点，那么以后添加新的无线网络时就会造成冲突。
无线技术带来的优点远不止是避免布线的成本，还包含对以前难以采集数据的地方进行实时访问以及提高员工效率和安全性等。工厂可以在无线变送器和控制系统之间提供无线连接，以便连接到远程控制器和I/O设备。此外工厂还能从可靠性相关的应用中获益，例如旋转设备的振动监测、安全设备、移动操作站、访问实时数据的手持终端和无线视频等。

Experion、XYR和OneWireless是霍尼韦尔有限公司的注册商标。

Jerry Stanek，霍尼韦尔公司石油和天然气部门的业务经理，在石油和天然气领域有着30多年的经验，参与过上游生产设备的工程设计和采购等，拥有西雅图城市大学的电信学士学位。
电子邮件：jerry.stanek@honeywell.com
Jeff Becker，霍尼韦尔公司过程控制部无线业务部主管，拥有着丰富的职业生涯经历，担任过工程、销售、市场和管理职务。他拥有圣地亚哥加利福尼亚大学的电气工程学士学位。