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胡伯琪 （1971-）
男，浙江寧波人，工程師，畢業于成都科技大學計算機及自控系自動控制專業，獲學士學位。現就職于鎮海石化工程公司設計部，從事自控專業設計工作。
摘要：這篇論文主要介紹了Honeywell工業無線技術在中石化鎮海煉化8公里乙烯運輸管線項目上的應用。該項目采用無線溫度變送器實時監測管線每隔1公里的溫度測點，以確保乙烯管線的正常運行。工業無線方案在管線上的應用，不僅技術先進、應用創新，而且解決了一般有線方案8公里傳輸的溫度信號衰減的問題和安裝困難的問題，也節省了大量的安裝成本和調試時間，并明顯降低后期維護費用，同時確保實時可靠通訊，避免因傳統有線方式電纜損壞帶來的通訊中斷問題。本文詳細闡述這個管線項目上的技術實現方案，并進一步探討工業無線在石油煉化行業中更多的應用場合，并比較了目前無線技術應用于工業控制的2個國際標準，ISA100和WirelessHART。附件也簡單介紹了霍尼韋爾公司無線架構，以及一個無線平臺支持多種無線應用和多種通訊協議現場儀表的特點等。
關鍵詞：鎮海煉化；無線；ISA100；Wireless HART；霍尼韋爾無線；OneWireless
Abstract: This paper mainly focuses on the wireless application in ZhenHai Refinery 8 km
enthyleve pipeline project. Wireless temperature transmitters were applied in this project
to monitor the temperature measurement points every 1 km, as a result to ensure the safe
transportation operation. The advantages in installation cost saving, commission time
saving, and maintenance cost reducing, and the innovative technology application brings
value to this project. Two international industrial standards about wireless application
in monitoring and control are compared, and in the last, explained Honeywell’s OneWireless solution,
which provide a multifunctional wireless network structure, that
is one structure supporting multi wireless applications and multi protocol wireless
instruments.
Key words: Power Plant; Wireless; Multifunctional Wireless Network; ISA100; Wireless HART;
Honeywell Wireless; OneWireless
把工業無線技術應用于石油煉化工廠的過程監測和控制，可以沒有電纜的束縛，采集更多偏遠分散區域的測點、敷設電纜和接線比較困難的測點、電纜容易損壞和燙傷的測點、旋轉和移動的測點、信號傳輸危險和受干擾的測點，以及用在電纜橋架和卡件已經用滿的改造項目中，安裝工期要求迅速的項目中，以及現場沒有電源供應的場合，也支持在移動工作站以及無線視頻監視，支持現場調試和安全應用。
中石化鎮海煉化公司正是借助于先進的工業無線技術，實現對連接裝卸碼頭和低溫罐區的低溫乙烯運輸管線的實時溫度監測，并同低溫罐區DCS控制系統實現數據集成。
工業無線解決方案，不同于傳統的點對點的無線通訊技術，而是采用了Mesh 多路徑、FHSS/ DSSS跳頻，以及端對端的無線通訊控制技術，等等，確保無線通訊工業等級的可靠和安全，確保快速的、配置通訊時間滯后管理機制的通訊技術，而且解決了長時間現場儀表（變送器）的電池供電問題。由于無線傳輸為數字傳輸，再加上mesh多路徑的空間通訊，基于時間同步和碰撞檢測的通訊，以及跳頻抗干擾通訊，能夠確保無線通訊應用在工業控制領域的可靠性。
1 項目背景和挑戰
鎮海煉化計劃修建的低溫乙烯運輸管線，總長約7650米，連接裝卸碼頭和低溫罐區。運輸管線的管道外徑為325mm，壁厚4.5mm，材質為304碳鋼，保溫層厚230mm。乙烯運輸溫度要求范圍為-150℃~-100℃。為確保管線運輸正常工作，避免事故發生，需要對管線溫度實時監測。管線兩端約500米各有一個溫度測點，其他測點分布為平均每隔1公里一個溫度測點。管線溫度數據要求傳輸至低溫罐區控制室DCS控制系統，實現集中、實時監測。
如果采用常規的有線方案，實現7.6公里管線每個1公里一個溫度測點的監測，非常困難。首先是數公里外的溫度信號傳輸至DCS控制室，信號衰減已經非常弱，不能正常測量。如FF基金會現場總線主干和分支的總長度也不能超過1.9公里（通信速率為31.25kbps），Modbus RS485通訊的距離最遠也在1.2公里左右（9.6kbps 傳輸速度），Profibus DP/ PA的通訊距離同樣在1.9公里的范圍內，因此也很難用有線的方式來實現。如果采用光纜通訊，那么每個測點處都需要光電轉換接口等附件，不僅設備昂貴，而且工程實施困難，通訊很容易因為故障點或光纜損壞而中斷，而且后期維護費用高，維護工作量大。
2 無線方案的配置
采用Honeywell的OneWireless工業無線解決方案，無需安裝電纜、橋架和接線，非常容易就可以實現對乙烯管線的監測。低溫乙烯運輸管線的溫度測點共7點如圖所示，分別位于離罐區DCS控制室1000米處T1、1850米處（高位）T2、2850米處T3、3850米處T4、4850米處（高位）T5、5950米處T6、6950米處T7。其中T2和T5是關鍵測點。其中T1和T7采用有線溫度變送器，T2、T3、T4、T5、T6測點采用無線溫度變送器。
安裝在管線溫度測點的無線變送器同多功能節點進行無線通訊；多功能節點之間無線通訊構建mesh無線主干網。位于低溫罐區的多功能節點M1做為網關，把所有數據同時傳輸至罐區DCS控制系統，進行數據集成。該項目的網絡通訊拓撲結構如圖1所示：
3臺多功能節點構建快速通訊的無線mesh主干網絡。安裝位置為：M1低溫罐區DCS控制室屋頂（外部供電）、 M2離罐區控制室1000米處（外部供電）、M3離碼頭控制室700米處（碼頭控制室供電）。都配置20dbi定向板狀高增益天線，帶有防雷端子。
這個無線mesh主干網，自組織、自愈合，最快通訊速度可以達到54Mbps，為構建冗余的多路徑通訊，可以考慮增加更多的多功能節點。這個主干網絡支持多種無線應用，即不僅可以支持同無線變送器的通訊，而且支持無線移動工作站，運行維護人員可以在任何一個測點的現場通過移動工作站瀏覽DCS里的畫面和信息，實現現場作業。這個多功能的無線mesh網絡也支持無線視頻通訊、即時定位、管道和儲罐腐蝕監測，以及其它Wi-Fi無線通訊。這個無線主干網絡也支持多種通訊協議的符合ISA100 國際標準的現場儀表，如HART、FF、4-20mA、Profibus等。
無線網絡通過多功能節點M1把數據集成到罐區的DCS控制系統中。采用標準的通訊協議：Modbus TCP，或Modbus RS485/232或OPC或HART。本項目采用Modbus RS485 同控制系統數據集成。
該項目中T2至T6共5臺無線溫度變送器安裝在管架正上方1米高的抱柱上，采用20dbi定向板狀高增益天線（傳輸距離遠、安裝隱蔽）實現遠程通訊，而且都配有防雷端子。其中T2用2個天線，可實現冗余通訊路徑。溫度變送器的測溫元件采用PT100 外貼式熱電阻，導線直接接入無線溫度變送器。每臺無線溫度變送器配置1個熱電阻：材質316不銹鋼、溫度范圍-150℃至-100℃，長度350mm。
Honeywell公司的解決方案也為項目配置一個管理軟件平臺（服務器），安裝在罐區控制室，完成如下功能：可視化監測無線網絡的通訊狀態；支持無線變送器在線遠程組態；負責無線網絡的診斷和安全管理。
這個無線通訊網絡采用2.4GHz公用波段跳頻（ISM），自組織、自愈合；無線網絡通訊遲延短；無線變送器自恢復速度快；無線網絡的規模靈活，安裝方便；無線設備有國家無線電委員會的核準。Honeywell的無線變送器的刷新速度可以設定為1秒、5秒、10秒、30秒；無線溫度變送器可以同時隔爆和本安。無線變送器的電池壽命可預測，常溫下，1秒刷新時為4.5年；5秒時為10年。該項目的設備清單見表1。
表1
序號 名稱 型號 數量
1 無線多功能節點 （帶電源轉換模塊） WNMS-M00000-W00000-F00000-PM-XXXX 3
2 無線溫度變送器 STTW400-000-0000-V0000-XD,MB,1C-XXXX 5
3 表面式熱電阻PT100 PT100 7
4 無線網絡管理平臺：軟件25點 SP 1
5 工作站 DELL D630工作站、2G內存、160G固態硬盤 1
6 無線網絡授權設備 XSK00 1
3 無線方案的優勢及技術討論
在鎮海管線的實時溫度監測項目中采用Honeywell的無線解決方案，突破接線和電纜的束縛，實現更靈活和更方便的遠距離運輸管線的過程參數采集，并同現有有線的DCS控制系統無縫式數據集成，這進一步延伸DCS控制網絡的廣度和深度，提高了管線運輸安全監控水平、提高了項目施工效率，也同時節省了大量安裝成本、調試時間，和后期維護費用。而且未來項目非常容易擴展，例如如果未來再增加2條運輸管線，那么可以直接安裝無線變送器即可，它們經過授權后，可以自動加入現有的無線網絡進行通訊。
無線方案在石油煉化工廠的應用場合還很多，如在罐區安裝無線變送器監測罐區過程參數；安裝工業無線攝像頭，實現無線視頻監視；支持無線移動工作站，實現現場實時獲取DCS控制系統的靜態或動態數據等等；如在工廠改造項目中由于電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完，可以實現快速增加測點；凡是敷設電纜或接線非常困難的測點、分布分散的區域、隔離和屏蔽的區域、檢修困難的區域、移動或旋轉的設備、電纜容易損壞和折斷的場所，都可以考慮采用工業無線方案。
確定工業無線技術應用的因素包括過程因素、技術因素、成本因素等。需要考慮到未來無線應用的可擴展性、延續性和互操作性（一個平臺支持多種無線應用、多通訊協議的現場儀表、開放式標準），需要考慮無線儀表的安全考慮；無線通訊的可靠性、安全性；無線儀表的電池供電；無線網絡的實時性（儀表的刷新速度、網絡的通訊時間滯后）；無線通訊的頻段考慮；網絡規模；以及同有線DCS控制系統的數據集成等等。
3.1 多功能無線網絡 vs. 單一功能無線網絡
用戶在考慮采用無線方案時，必須考慮無線網絡未來的可擴展性，以確保現有的投資在未來也不會過時。其中就要考慮是采用單一功能無線網絡，還是采用多功能無線網絡的問題。采用單一功能無線網絡時，只能支持某一種通訊協議的儀表，只支持某一種無線應用。如果未來需要實施其它無線應用時，需要構建多個不同的無線網絡平臺。這既增加了用戶的投資，增添用戶管理多個無線平臺的困難，同時也是對現有投資的浪費。
與之相反，（如圖2所示）如果采用多功能無線網絡，那么構建一個單一架構，就可以同時支持多種應用和多種通訊協議的現場儀表。這既可以減少不必要的相互干擾，確保無線通訊更加可靠，同時也節省了用戶的投資，工廠運行維護人員不必面對多個單獨的單一功能無線網絡平臺，不必為管理不同的單一功能無線網絡而煩惱。
Honeywell公司的OneWireless無線方案就是一個多功能的無線網絡，實現一個平臺支持全廠的多種應用如：過程參數的監控、安全視頻監視、支持流動作業、移動設備即時定位、管道腐蝕監測、設備狀態如振動等診斷等等 ；一個平臺支持多種通訊協議的現場儀表：如HART，Modbus，FF，4-20mA等；
3.2 ISA 100 vs. Wireless HART
目前無線技術應用于工業控制的技術方案可以分為2類，即以WirelessHART為代表的儀表傳感器無線mesh解決方案，和以ISA100為代表的節點mesh無線方案。兩種解決方案都為了達到工業等級的無線應用而集成了mesh多路徑的通訊技術、跳頻擴頻通訊技術以及基于精確時間同步的通訊和基于數據碰撞的通訊技術。也都考慮了其它技術特點，如無線網絡的安全性、無線儀表的電池供電、無線網絡的實時性（儀表的刷新速度、網絡的通訊時間滯后）、無線通訊的頻段考慮、網絡規模及可擴展性，以及同有線DCS控制系統的數據集成等等。但是兩種方案的技術路徑卻差別很大，給用戶帶來的價值和優勢也不盡相同。
（1）以WirelessHART為代表的儀表mesh無線網絡
該解決方案的主要特征是現場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數，而且同時為其它儀表的通訊進行路由（如圖3所示）。通常配置一個網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個無線網絡自組織、自愈合，所以優點就是實施較為簡單。
但是這種技術路徑的缺點也非常明顯，因為整個無線網絡的通訊是通過變送器路由來實現的，所以其通訊速度受到了相應的限制，如變送器的刷新速度不可能做到很快，典型的是16秒和8秒；整個網絡的通訊時間滯后可能很明顯，典型的是16秒或60秒，設定的刷新速度越慢，網絡的通訊時間滯后也越長。
因為無線變送器為其它變送器的路由都需要消耗電池，所以電池的壽命不會很長，30秒刷新時可能5年，但是快速刷新時，如8秒或更快如1秒，那么電池壽命會很短。而且正是由于設備的路由需要消耗電池，所以即使電池的電壓可以隨時顯示報警，但是電池的壽命很難預測。
也是由于需要節省電池的能量，所以無線儀表的無線發射功率就有所限制，即2個無線儀表之間的通訊距離很短（如果申請的是2.4GHz微功率設備，那么不同的國家關于其發射功率的限定都不同，如中國無線電管理委員會關于微功率無線設備的發射功率限制設定為必需小于10毫瓦，設備間的通訊距離也就在100米左右）。
也正是由于考慮到網絡通訊時間滯后和通訊速度的因素，整個無線mesh網絡的通訊路由次數必需有所限制，即最遠的儀表到網關的路由次數不能大于多少次，否則通訊時間滯后會很長；同時通訊時間滯后的因素也決定了整個網絡的規模，如無線儀表1秒刷新時一個網關所帶的設備可能非常有限。
另外這種以WirelessHART為代表的儀表mesh無線解決方案，一個無線架構只支持一種通訊協議的儀表（而且是HART儀表）的無線通訊，沒有考慮到支持其它協議的現場儀表和其它無線應用，也是其局限性。
(2）以ISA100為代表的節點mesh無線網絡
該方案主要是由節點構建一個通訊速度非常快速的無線mesh主干網絡，而且這個無線主干網絡自組織，自愈合，同時支持多種無線應用和多種通訊協議的現場儀表。現場無線儀表可以自動選擇同任意一個節點進行無線通訊，自組織，自愈合。但是現場儀表不配置路由功能。通常任何一個節點都可以或同時作為網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。
這種方案的優點就是由于節點構建的快速的、mesh主干網絡，使得無線變送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于無線變送器只需要1個“hop”就可以把數據傳輸到一個通訊速度非常快的無線主干網上，所以整個網絡的通訊時間滯后也很短。
因為每臺無線變送器都不為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長，常溫下1秒刷新的時候就可以達到5年。而且正是由于沒有配置路由功能，所以電池的電壓不僅可以隨時顯示報警，而且電池什么時候電池電壓低，即電池的壽命，都是可以預測的。
也是由于電池的壽命很長，所以無線儀表的無線發射功率就可以相對靈活，即2個無線儀表之間的通訊距離可以做到更遠（如中國無線電管理委員會關于2.4GHz 擴頻通信設備的發射功率限制設定為不能超過500毫瓦，設備之間的通訊距離可以做到數十公里）。
而且這種解決方案由于整個架構的優勢，網絡的規模非常靈活，一個網絡支持的無線儀表的數量可以達到上千臺。另外這個多功能的解決方案實現了一個無線架構支持多種協議的現場儀表和多種工廠的無線應用。
4 無線通訊的可靠性和安全性
無線技術應用在工業監測和控制領域，不同于傳統意義的點對點無線通訊技術。為了確保工業等級的可靠性，象ISA100和WirelessHART都采用了mesh 多路徑和跳頻的技術，以及基于時間同步/數據碰撞檢測的無線通訊技術。
例如，如果某一個設備受到干擾，當這個干擾的頻段不是2.4GHz時，則不會影響無線網絡的可靠通訊。如果干擾的頻段正好是2.4GHz，那么無線設備會自動選擇下一個最優的通訊頻道進行跳頻通訊，可以設置數據包通訊重試的次數。如果跳頻通訊也不能完成通訊，那么設備還可以自動選擇下一個最優通訊路徑進行通訊。而且無線通訊的速度非常快，一次數據傳輸只需要15毫秒，無線設備可以在干擾的15毫秒的波谷時間窗口完成數據傳輸。Honeywell 端對端的通訊控制技術，支持無線變送器主動傳輸數據和系統主動向無線變送器索取數據，來確保通訊數據的可靠。
在無線網絡的安全性方面，Honeywell的OneWireless無線解決方案設計更為巧妙和便捷。一個無線管理軟件平臺負責管理整個無線網絡的安全授權，凡是要加入無線網絡進行通訊的設備必須經過授權，這個授權密碼是從管理平臺上唯一獲取，然后授權設備會通過無線變送器和多功能節點的紅外端口進行授權。經過授權的設備會自動加入無線網絡進行通訊，并完成其它設置如通訊的認證和驗證、數據包加密、數據源驗證、CRC循環碼校驗、回放保護、跳頻、密碼管理等等。
5 Honeywell公司無線方案簡介
霍尼韋爾公司的OneWireless無線網絡是基于ISA100 技術路徑的多功能無線網絡解決方案。主要是由多功能節點構建一個通訊速度最快可以達到54Mbps的無線mesh主干網絡，無線變送器可以自動選擇同任何一個多功能節點進行冗余、跳頻的無線通訊。同時可以配置一個無線網絡管理和診斷平臺，實現實時圖形可視化監測無線網絡的通訊狀態、統一的安全管理，和支持無線變送器的遠程在線組態和校驗。
這個由多功能節點（Multinode）搭建起來的mesh主干網絡，可以無線接入工業用的無線變送器（采用2.4GHz世界公用頻段跳頻通訊），無線接入802.11 Wi-Fi無線設備，每一個多功能節點都可以同時做為網關或配置冗余網關同DCS控制系統進行無縫式通訊，可以避免單點故障。它支持802.11a/b/g無線局域網通訊；無線設備之間相互通訊、自我組織和管理，形成一個通用、安全、容易管理和維護的無線網絡。
這個多功能的工業無線網絡（如圖5所示）支持多種應用，可以支持的設備如變送器、閥門、WiFi設備、移動工作站、即時定位設備、煙氣探測等等；支持多種現場儀表的通訊協議，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。該網絡中任何多功能節點都可以同時作為網關，通過標準的數據接口實現同控制系統和高級應用平臺進行數據集成。
Honeywell 無線產品的特點：
最多可以由40個多功能節點構建一個快速無線主干網絡，自組織、自愈合，無線變送器可以自動選擇任何一個多功能節點進行多路徑、冗余、跳頻通訊；多功能節點可以同時作為網關同DCS進行數據集成（標準通訊接口 Modbus TCP / OPC/ RTU / HART）。
每臺無線變送器只采集自己的過程參數，可以自動選擇任何一個多功能節點通訊，但不為其它無線變送器路由；現場無線儀表的刷新速度可以設定：1秒、5秒、10秒、30秒，未來可以達到0.25秒。
最多可以有40個多功能節點構建無線主干網，每個多功能節點可以帶400臺無線變送器（30秒刷新時）或100臺（5秒刷新時）或20臺（1秒刷新時）。
2個多功能節點之間1公里（或10公里，采用高增益天線時）通訊距離，可以mesh延伸，變送器同多功能節點之間的通訊距離為610米（或3~4公里，采用高增益天線時）。
無線變送器電池供電4.5年（1秒刷新時）或10年（5秒刷新時）；采用4種經過安全設計的通用電池；支持在一般區域現場更換、不建議在危險的現場就地更換；無線變送器同時符合隔爆和本安。
整個網絡自組織、自愈合、實施簡單；國家無線電管理委員會核準，2.4GHz 公用頻段擴頻通信設備。
一個架構支持多種無線應用和多種通訊協議的無線儀表。多種應用如：安全視頻監視、支持流動作業、移動設備即時定位、管道腐蝕監測、設備狀態如振動等診斷等等 ；支持多種通訊協議的現場儀表，如HART、Modbus、FF、4-20mA等。
支持向后、向前的產品兼容：Honeywell承諾目前的無線產品安裝到現場，以后全廠只需要＄500下載升級軟件，可以在線升級整個無線網絡，以符合最新的ISA100標準。
Honeywell 配置一個管理平臺，可視化管理現場無線網絡、支持對現場無線變送器的在線遠程組態、負責統一管理整個網絡的安全；Honeywell的方案簡單易用，不需要復雜的現場勘測
6 總結
綜上所述，工業無線技術在鎮海煉化8公里乙烯運輸管線的應用，突破接線和電纜的束縛，實現更靈活和更方便的遠距離運輸管線的過程參數采集，并同現有有線的DCS控制系統無縫式數據集成，延伸了DCS控制網絡的廣度和深度，提高了管線運輸安全監控水平，提高了項目施工效率，也同時節省了大量安裝成本、調試時間，和后期維護費用。而且未來項目非常容易擴展。多功能無線網絡能夠確保現有的投資未來也不會過時。
工業無線技術在石油煉化行業的潛在應用還有很多，主要是敷設電纜或接線非常困難的測點、分布分散的區域、隔離和屏蔽的區域、檢修困難的區域、移動或旋轉的設備、電纜容易損壞和折斷的場所，以及電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場合。
工業無線的應用需要考慮的因素，主要是要考慮應用場合、技術因素、成本因素等。技術因素主要包括無線儀表的安全選型考慮；無線通訊的可靠性、安全性；無線儀表的電池供電；無線網絡的實時性（儀表刷新速度、網絡通訊滯后管理）；網絡規模及可擴展性；以及同有線DCS控制系統的數據集成等。
目前無線技術在過程控制領域的應用技術路徑主要是以WirelessHART為代表的儀表傳感器無線mesh解決方案，和以ISA100為代表的節點mesh無線方案。兩種解決方案都為了達到工業等級的無線應用而集成了mesh多路徑的通訊技術、跳頻擴頻通訊技術以及基于精確時間同步的通訊和基于數據碰撞的通訊技術。也都考慮了其它技術特點，如無線網絡的安全性、無線儀表的電池供電、無線網絡的實時性（儀表的刷新速度、網絡的通訊時間滯后）、無線通訊的頻段考慮、網絡規模及可擴展性，以及同有線DCS控制系統的數據集成。但是兩種不同的技術路徑有著不同的技術特點，ISA100更適合刷新速度快、測點更分散的場合。
參考文獻
[1] 江天生.一個無線平臺支持多種應用和多種通訊協議的現場儀表[J]. 中國儀器儀表，2009(4).
[2] Honeywell 公司無線技術資料.
[3] 控制工程中文網: 無線儀表的拓撲結構.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號