工业无线（无线变送器）在镇海炼化8公里乙烯运输管线项目的应用--控制网



工业无线（无线变送器）在镇海炼化8公里乙烯运输管线项目的应用
企业：控制网 日期：2009-08-07
领域：运动控制 点击数：1080









胡伯琪 （1971-）

男，浙江宁波人，工程师，毕业于成都科技大学计算机及自控系自动控制专业，获学士学位。现就职于镇海石化工程公司设计部，从事自控专业设计工作。

摘要：这篇论文主要介绍了Honeywell工业无线技术在中石化镇海炼化8公里乙烯运输管线项目上的应用。该项目采用无线温度变送器实时监测管线每隔1公里的温度测点，以确保乙烯管线的正常运行。工业无线方案在管线上的应用，不仅技术先进、应用创新，而且解决了一般有线方案8公里传输的温度信号衰减的问题和安装困难的问题，也节省了大量的安装成本和调试时间，并明显降低后期维护费用，同时确保实时可靠通讯，避免因传统有线方式电缆损坏带来的通讯中断问题。本文详细阐述这个管线项目上的技术实现方案，并进一步探讨工业无线在石油炼化行业中更多的应用场合，并比较了目前无线技术应用于工业控制的2个国际标准，ISA100和WirelessHART。附件也简单介绍了霍尼韦尔公司无线架构，以及一个无线平台支持多种无线应用和多种通讯协议现场仪表的特点等。

关键词：镇海炼化；无线；ISA100；Wireless HART；霍尼韦尔无线；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

    把工业无线技术应用于石油炼化工厂的过程监测和控制，可以没有电缆的束缚，采集更多偏远分散区域的测点、敷设电缆和接线比较困难的测点、电缆容易损坏和烫伤的测点、旋转和移动的测点、信号传输危险和受干扰的测点，以及用在电缆桥架和卡件已经用满的改造项目中，安装工期要求迅速的项目中，以及现场没有电源供应的场合，也支持在移动工作站以及无线视频监视，支持现场调试和安全应用。

    中石化镇海炼化公司正是借助于先进的工业无线技术，实现对连接装卸码头和低温罐区的低温乙烯运输管线的实时温度监测，并同低温罐区DCS控制系统实现数据集成。

    工业无线解决方案，不同于传统的点对点的无线通讯技术，而是采用了Mesh 多路径、FHSS/ DSSS跳频，以及端对端的无线通讯控制技术，等等，确保无线通讯工业等级的可靠和安全，确保快速的、配置通讯时间滞后管理机制的通讯技术，而且解决了长时间现场仪表（变送器）的电池供电问题。由于无线传输为数字传输，再加上mesh多路径的空间通讯，基于时间同步和碰撞检测的通讯，以及跳频抗干扰通讯，能够确保无线通讯应用在工业控制领域的可靠性。

1 项目背景和挑战

    镇海炼化计划修建的低温乙烯运输管线，总长约7650米，连接装卸码头和低温罐区。运输管线的管道外径为325mm，壁厚4.5mm，材质为304碳钢，保温层厚230mm。乙烯运输温度要求范围为-150℃~-100℃。为确保管线运输正常工作，避免事故发生，需要对管线温度实时监测。管线两端约500米各有一个温度测点，其他测点分布为平均每隔1公里一个温度测点。管线温度数据要求传输至低温罐区控制室DCS控制系统，实现集中、实时监测。

    如果采用常规的有线方案，实现7.6公里管线每个1公里一个温度测点的监测，非常困难。首先是数公里外的温度信号传输至DCS控制室，信号衰减已经非常弱，不能正常测量。如FF基金会现场总线主干和分支的总长度也不能超过1.9公里（通信速率为31.25kbps），Modbus RS485通讯的距离最远也在1.2公里左右（9.6kbps 传输速度），Profibus DP/ PA的通讯距离同样在1.9公里的范围内，因此也很难用有线的方式来实现。如果采用光缆通讯，那么每个测点处都需要光电转换接口等附件，不仅设备昂贵，而且工程实施困难，通讯很容易因为故障点或光缆损坏而中断，而且后期维护费用高，维护工作量大。

2 无线方案的配置

    采用Honeywell的OneWireless工业无线解决方案，无需安装电缆、桥架和接线，非常容易就可以实现对乙烯管线的监测。低温乙烯运输管线的温度测点共7点如图所示，分别位于离罐区DCS控制室1000米处T1、1850米处（高位）T2、2850米处T3、3850米处T4、4850米处（高位）T5、5950米处T6、6950米处T7。其中T2和T5是关键测点。其中T1和T7采用有线温度变送器，T2、T3、T4、T5、T6测点采用无线温度变送器。

    安装在管线温度测点的无线变送器同多功能节点进行无线通讯；多功能节点之间无线通讯构建mesh无线主干网。位于低温罐区的多功能节点M1做为网关，把所有数据同时传输至罐区DCS控制系统，进行数据集成。该项目的网络通讯拓扑结构如图1所示：

                                 图1   网络通讯拓扑结构

    3台多功能节点构建快速通讯的无线mesh主干网络。安装位置为：M1低温罐区DCS控制室屋顶（外部供电）、 M2离罐区控制室1000米处（外部供电）、M3离码头控制室700米处（码头控制室供电）。都配置20dbi定向板状高增益天线，带有防雷端子。

    这个无线mesh主干网，自组织、自愈合，最快通讯速度可以达到54Mbps，为构建冗余的多路径通讯，可以考虑增加更多的多功能节点。这个主干网络支持多种无线应用，即不仅可以支持同无线变送器的通讯，而且支持无线移动工作站，运行维护人员可以在任何一个测点的现场通过移动工作站浏览DCS里的画面和信息，实现现场作业。这个多功能的无线mesh网络也支持无线视频通讯、即时定位、管道和储罐腐蚀监测，以及其它Wi-Fi无线通讯。这个无线主干网络也支持多种通讯协议的符合ISA100 国际标准的现场仪表，如HART、FF、4-20mA、Profibus等。

    无线网络通过多功能节点M1把数据集成到罐区的DCS控制系统中。采用标准的通讯协议：Modbus TCP，或Modbus RS485/232或OPC或HART。本项目采用Modbus RS485 同控制系统数据集成。

    该项目中T2至T6共5台无线温度变送器安装在管架正上方1米高的抱柱上，采用20dbi定向板状高增益天线（传输距离远、安装隐蔽）实现远程通讯，而且都配有防雷端子。其中T2用2个天线，可实现冗余通讯路径。温度变送器的测温元件采用PT100 外贴式热电阻，导线直接接入无线温度变送器。每台无线温度变送器配置1个热电阻：材质316不锈钢、温度范围-150℃至-100℃，长度350mm。

    Honeywell公司的解决方案也为项目配置一个管理软件平台（服务器），安装在罐区控制室，完成如下功能：可视化监测无线网络的通讯状态；支持无线变送器在线远程组态；负责无线网络的诊断和安全管理。

    这个无线通讯网络采用2.4GHz公用波段跳频（ISM），自组织、自愈合；无线网络通讯迟延短；无线变送器自恢复速度快；无线网络的规模灵活，安装方便；无线设备有国家无线电委员会的核准。Honeywell的无线变送器的刷新速度可以设定为1秒、5秒、10秒、30秒；无线温度变送器可以同时隔爆和本安。无线变送器的电池寿命可预测，常温下，1秒刷新时为4.5年；5秒时为10年。该项目的设备清单见表1。

                                    表1

    序号    名称                                     型号                              数量

     1    无线多功能节点 （带电源转换模块）      WNMS-M00000-W00000-F00000-PM-XXXX      3

     2    无线温度变送器                        STTW400-000-0000-V0000-XD,MB,1C-XXXX    5

     3    表面式热电阻PT100                      PT100                                  7

     4    无线网络管理平台：软件25点             SP                                     1

     5    工作站                               DELL D630工作站、2G内存、160G固态硬盘    1

     6    无线网络授权设备                      XSK00                                   1

3 无线方案的优势及技术讨论

    在镇海管线的实时温度监测项目中采用Honeywell的无线解决方案，突破接线和电缆的束缚，实现更灵活和更方便的远距离运输管线的过程参数采集，并同现有有线的DCS控制系统无缝式数据集成，这进一步延伸DCS控制网络的广度和深度，提高了管线运输安全监控水平、提高了项目施工效率，也同时节省了大量安装成本、调试时间，和后期维护费用。而且未来项目非常容易扩展，例如如果未来再增加2条运输管线，那么可以直接安装无线变送器即可，它们经过授权后，可以自动加入现有的无线网络进行通讯。

    无线方案在石油炼化工厂的应用场合还很多，如在罐区安装无线变送器监测罐区过程参数；安装工业无线摄像头，实现无线视频监视；支持无线移动工作站，实现现场实时获取DCS控制系统的静态或动态数据等等；如在工厂改造项目中由于电缆桥架、卡件、机柜等备用容量用完，可以实现快速增加测点；凡是敷设电缆或接线非常困难的测点、分布分散的区域、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，都可以考虑采用工业无线方案。

    确定工业无线技术应用的因素包括过程因素、技术因素、成本因素等。需要考虑到未来无线应用的可扩展性、延续性和互操作性（一个平台支持多种无线应用、多通讯协议的现场仪表、开放式标准），需要考虑无线仪表的安全考虑；无线通讯的可靠性、安全性；无线仪表的电池供电；无线网络的实时性（仪表的刷新速度、网络的通讯时间滞后）；无线通讯的频段考虑；网络规模；以及同有线DCS控制系统的数据集成等等。

3.1 多功能无线网络 vs. 单一功能无线网络

    用户在考虑采用无线方案时，必须考虑无线网络未来的可扩展性，以确保现有的投资在未来也不会过时。其中就要考虑是采用单一功能无线网络，还是采用多功能无线网络的问题。采用单一功能无线网络时，只能支持某一种通讯协议的仪表，只支持某一种无线应用。如果未来需要实施其它无线应用时，需要构建多个不同的无线网络平台。这既增加了用户的投资，增添用户管理多个无线平台的困难，同时也是对现有投资的浪费。

    与之相反，（如图2所示）如果采用多功能无线网络，那么构建一个单一架构，就可以同时支持多种应用和多种通讯协议的现场仪表。这既可以减少不必要的相互干扰，确保无线通讯更加可靠，同时也节省了用户的投资，工厂运行维护人员不必面对多个单独的单一功能无线网络平台，不必为管理不同的单一功能无线网络而烦恼。

                                    图2   多功能无线网络

    Honeywell公司的OneWireless无线方案就是一个多功能的无线网络，实现一个平台支持全厂的多种应用如：过程参数的监控、安全视频监视、支持流动作业、移动设备即时定位、管道腐蚀监测、设备状态如振动等诊断等等 ；一个平台支持多种通讯协议的现场仪表：如HART，Modbus，FF，4-20mA等； 

3.2 ISA 100 vs. Wireless HART

    目前无线技术应用于工业控制的技术方案可以分为2类，即以WirelessHART为代表的仪表传感器无线mesh解决方案，和以ISA100为代表的节点mesh无线方案。两种解决方案都为了达到工业等级的无线应用而集成了mesh多路径的通讯技术、跳频扩频通讯技术以及基于精确时间同步的通讯和基于数据碰撞的通讯技术。也都考虑了其它技术特点，如无线网络的安全性、无线仪表的电池供电、无线网络的实时性（仪表的刷新速度、网络的通讯时间滞后）、无线通讯的频段考虑、网络规模及可扩展性，以及同有线DCS控制系统的数据集成等等。但是两种方案的技术路径却差别很大，给用户带来的价值和优势也不尽相同。

    （1）以WirelessHART为代表的仪表mesh无线网络

    该解决方案的主要特征是现场仪表配置路由功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，而且同时为其它仪表的通讯进行路由（如图3所示）。通常配置一个网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。由于整个无线网络自组织、自愈合，所以优点就是实施较为简单。

                                     图3  仪表网络

    但是这种技术路径的缺点也非常明显，因为整个无线网络的通讯是通过变送器路由来实现的，所以其通讯速度受到了相应的限制，如变送器的刷新速度不可能做到很快，典型的是16秒和8秒；整个网络的通讯时间滞后可能很明显，典型的是16秒或60秒，设定的刷新速度越慢，网络的通讯时间滞后也越长。

    因为无线变送器为其它变送器的路由都需要消耗电池，所以电池的寿命不会很长，30秒刷新时可能5年，但是快速刷新时，如8秒或更快如1秒，那么电池寿命会很短。而且正是由于设备的路由需要消耗电池，所以即使电池的电压可以随时显示报警，但是电池的寿命很难预测。

    也是由于需要节省电池的能量，所以无线仪表的无线发射功率就有所限制，即2个无线仪表之间的通讯距离很短（如果申请的是2.4GHz微功率设备，那么不同的国家关于其发射功率的限定都不同，如中国无线电管理委员会关于微功率无线设备的发射功率限制设定为必需小于10毫瓦，设备间的通讯距离也就在100米左右）。

    也正是由于考虑到网络通讯时间滞后和通讯速度的因素，整个无线mesh网络的通讯路由次数必需有所限制，即最远的仪表到网关的路由次数不能大于多少次，否则通讯时间滞后会很长；同时通讯时间滞后的因素也决定了整个网络的规模，如无线仪表1秒刷新时一个网关所带的设备可能非常有限。

    另外这种以WirelessHART为代表的仪表mesh无线解决方案，一个无线架构只支持一种通讯协议的仪表（而且是HART仪表）的无线通讯，没有考虑到支持其它协议的现场仪表和其它无线应用，也是其局限性。

    (2）以ISA100为代表的节点mesh无线网络

    该方案主要是由节点构建一个通讯速度非常快速的无线mesh主干网络，而且这个无线主干网络自组织，自愈合，同时支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表。现场无线仪表可以自动选择同任意一个节点进行无线通讯，自组织，自愈合。但是现场仪表不配置路由功能。通常任何一个节点都可以或同时作为网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。

    这种方案的优点就是由于节点构建的快速的、mesh主干网络，使得无线变送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于无线变送器只需要1个“hop”就可以把数据传输到一个通讯速度非常快的无线主干网上，所以整个网络的通讯时间滞后也很短。

    因为每台无线变送器都不为其它变送器的路由，所以电池的寿命很长，常温下1秒刷新的时候就可以达到5年。而且正是由于没有配置路由功能，所以电池的电压不仅可以随时显示报警，而且电池什么时候电池电压低，即电池的寿命，都是可以预测的。

    也是由于电池的寿命很长，所以无线仪表的无线发射功率就可以相对灵活，即2个无线仪表之间的通讯距离可以做到更远（如中国无线电管理委员会关于2.4GHz 扩频通信设备的发射功率限制设定为不能超过500毫瓦，设备之间的通讯距离可以做到数十公里）。

    而且这种解决方案由于整个架构的优势，网络的规模非常灵活，一个网络支持的无线仪表的数量可以达到上千台。另外这个多功能的解决方案实现了一个无线架构支持多种协议的现场仪表和多种工厂的无线应用。

                                     图4  节点网络

4 无线通讯的可靠性和安全性

    无线技术应用在工业监测和控制领域，不同于传统意义的点对点无线通讯技术。为了确保工业等级的可靠性，象ISA100和WirelessHART都采用了mesh 多路径和跳频的技术，以及基于时间同步/数据碰撞检测的无线通讯技术。

    例如，如果某一个设备受到干扰，当这个干扰的频段不是2.4GHz时，则不会影响无线网络的可靠通讯。如果干扰的频段正好是2.4GHz，那么无线设备会自动选择下一个最优的通讯频道进行跳频通讯，可以设置数据包通讯重试的次数。如果跳频通讯也不能完成通讯，那么设备还可以自动选择下一个最优通讯路径进行通讯。而且无线通讯的速度非常快，一次数据传输只需要15毫秒，无线设备可以在干扰的15毫秒的波谷时间窗口完成数据传输。Honeywell 端对端的通讯控制技术，支持无线变送器主动传输数据和系统主动向无线变送器索取数据，来确保通讯数据的可靠。

    在无线网络的安全性方面，Honeywell的OneWireless无线解决方案设计更为巧妙和便捷。一个无线管理软件平台负责管理整个无线网络的安全授权，凡是要加入无线网络进行通讯的设备必须经过授权，这个授权密码是从管理平台上唯一获取，然后授权设备会通过无线变送器和多功能节点的红外端口进行授权。经过授权的设备会自动加入无线网络进行通讯，并完成其它设置如通讯的认证和验证、数据包加密、数据源验证、CRC循环码校验、回放保护、跳频、密码管理等等。

5 Honeywell公司无线方案简介

    霍尼韦尔公司的OneWireless无线网络是基于ISA100 技术路径的多功能无线网络解决方案。主要是由多功能节点构建一个通讯速度最快可以达到54Mbps的无线mesh主干网络，无线变送器可以自动选择同任何一个多功能节点进行冗余、跳频的无线通讯。同时可以配置一个无线网络管理和诊断平台，实现实时图形可视化监测无线网络的通讯状态、统一的安全管理，和支持无线变送器的远程在线组态和校验。

    这个由多功能节点（Multinode）搭建起来的mesh主干网络，可以无线接入工业用的无线变送器（采用2.4GHz世界公用频段跳频通讯），无线接入802.11 Wi-Fi无线设备，每一个多功能节点都可以同时做为网关或配置冗余网关同DCS控制系统进行无缝式通讯，可以避免单点故障。它支持802.11a/b/g无线局域网通讯；无线设备之间相互通讯、自我组织和管理，形成一个通用、安全、容易管理和维护的无线网络。

    这个多功能的工业无线网络（如图5所示）支持多种应用，可以支持的设备如变送器、阀门、WiFi设备、移动工作站、即时定位设备、烟气探测等等；支持多种现场仪表的通讯协议，如HART、Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet和Modbus等。该网络中任何多功能节点都可以同时作为网关，通过标准的数据接口实现同控制系统和高级应用平台进行数据集成。

                                     图5  多功能工业无线网络

    Honeywell 无线产品的特点：

    最多可以由40个多功能节点构建一个快速无线主干网络，自组织、自愈合，无线变送器可以自动选择任何一个多功能节点进行多路径、冗余、跳频通讯；多功能节点可以同时作为网关同DCS进行数据集成（标准通讯接口 Modbus TCP / OPC/ RTU / HART）。

    每台无线变送器只采集自己的过程参数，可以自动选择任何一个多功能节点通讯，但不为其它无线变送器路由；现场无线仪表的刷新速度可以设定：1秒、5秒、10秒、30秒，未来可以达到0.25秒。

    最多可以有40个多功能节点构建无线主干网，每个多功能节点可以带400台无线变送器（30秒刷新时）或100台（5秒刷新时）或20台（1秒刷新时）。

    2个多功能节点之间1公里（或10公里，采用高增益天线时）通讯距离，可以mesh延伸，变送器同多功能节点之间的通讯距离为610米（或3~4公里，采用高增益天线时）。

    无线变送器电池供电4.5年（1秒刷新时）或10年（5秒刷新时）；采用4种经过安全设计的通用电池；支持在一般区域现场更换、不建议在危险的现场就地更换；无线变送器同时符合隔爆和本安。

    整个网络自组织、自愈合、实施简单；国家无线电管理委员会核准，2.4GHz 公用频段扩频通信设备。

    一个架构支持多种无线应用和多种通讯协议的无线仪表。多种应用如：安全视频监视、支持流动作业、移动设备即时定位、管道腐蚀监测、设备状态如振动等诊断等等 ；支持多种通讯协议的现场仪表，如HART、Modbus、FF、4-20mA等。

    支持向后、向前的产品兼容：Honeywell承诺目前的无线产品安装到现场，以后全厂只需要＄500下载升级软件，可以在线升级整个无线网络，以符合最新的ISA100标准。

    Honeywell 配置一个管理平台，可视化管理现场无线网络、支持对现场无线变送器的在线远程组态、负责统一管理整个网络的安全；Honeywell的方案简单易用，不需要复杂的现场勘测

6 总结

    综上所述，工业无线技术在镇海炼化8公里乙烯运输管线的应用，突破接线和电缆的束缚，实现更灵活和更方便的远距离运输管线的过程参数采集，并同现有有线的DCS控制系统无缝式数据集成，延伸了DCS控制网络的广度和深度，提高了管线运输安全监控水平，提高了项目施工效率，也同时节省了大量安装成本、调试时间，和后期维护费用。而且未来项目非常容易扩展。多功能无线网络能够确保现有的投资未来也不会过时。

    工业无线技术在石油炼化行业的潜在应用还有很多，主要是敷设电缆或接线非常困难的测点、分布分散的区域、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，以及电缆桥架、卡件、机柜等备用容量用完改造的场合。

    工业无线的应用需要考虑的因素，主要是要考虑应用场合、技术因素、成本因素等。技术因素主要包括无线仪表的安全选型考虑；无线通讯的可靠性、安全性；无线仪表的电池供电；无线网络的实时性（仪表刷新速度、网络通讯滞后管理）；网络规模及可扩展性；以及同有线DCS控制系统的数据集成等。

    目前无线技术在过程控制领域的应用技术路径主要是以WirelessHART为代表的仪表传感器无线mesh解决方案，和以ISA100为代表的节点mesh无线方案。两种解决方案都为了达到工业等级的无线应用而集成了mesh多路径的通讯技术、跳频扩频通讯技术以及基于精确时间同步的通讯和基于数据碰撞的通讯技术。也都考虑了其它技术特点，如无线网络的安全性、无线仪表的电池供电、无线网络的实时性（仪表的刷新速度、网络的通讯时间滞后）、无线通讯的频段考虑、网络规模及可扩展性，以及同有线DCS控制系统的数据集成。但是两种不同的技术路径有着不同的技术特点，ISA100更适合刷新速度快、测点更分散的场合。

参考文献

[1] 江天生.一个无线平台支持多种应用和多种通讯协议的现场仪表[J]. 中国仪器仪表，2009(4).

[2] Honeywell 公司无线技术资料.

[3] 控制工程中文网: 无线仪表的拓扑结构.
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