概述

    许多过程生产商如今正在研究如何利用无线技术改善他们工厂的生产和安全状况。 然而在油气工业，无线技术早已被用作远程监测和自动化的工具了。 比较突出的例子是，数据采集和监视控制系统（SCADA）利用无线技术例如高功率900MHz无线电同位于水源、管道以及其它远距离现场的远程测控终端（RTU）进行通信。

    这些设备场所距离中央控制室可能达数英里之遥，常常由于距离过于遥远，有线通信会变得过于昂贵而难于实现。 这就是为什么无线技术在这种情况下可以提供理想的技术体系的原因了。

    本文将介绍适于这些应用的无线技术以及无线技术的最新进展如何使通信变得更加简便： 不但可以用来传递测量控制数据，而且还可以用来传输这些处于偏僻场所中设备的健康状况信息。

    无线先锋

    无线技术在油气工业的成功应用已经有数十年的历史了，这毫不奇怪。 许多水源、管道以及其它设施常常距离中央控制室有5~20英里之远，甚至更远。有些地点由于太过遥远，有线通信基础设施，如电话线路等等，根本无法实现。在这种情况之下，无线技术成为唯一切实可行的技术方案。

    通常，这些设施地点的远程测控终端（RTUs）采集现场仪表的过程变量和其它的测量数据，先将数据根据需要转换成数字格式，然后以无线方式将它们传送到SCADA系统。 SCADA系统对数据进行监测并按需向RTU发回控制命令。

    油气田位置偏远，在有些电源以及通信的硬线连接很难实现或费用很高的地方，无线技术被用来进行数据传输。
这种方法已经得到广泛应用并可能在未来的许多年中继续用来满足用户需求。 但是无线技术近期的进展拓宽了用户的选择， 并增加了新的功能——现在可以处理的不仅仅是测量和控制数据，还可以帮助用户最大可能地推进他们的油气生产。

    技术

    用于RTU 和SCADA系统之间连接的最好技术，通常应该能够提供覆盖面、速度以及成本的最佳结合。 耗电量在本地电源受限或者不具备的情况下也会成为影响因素之一。油气田远程应用的三种最可能的选择是蜂窝技术、卫星技术以及900MHz无线通信技术。 

    ·蜂窝技术

    蜂窝网络的不断扩展扩大了这项技术在油气领域的潜在应用。 然而在许多偏僻孤立的区域，蜂窝网络仍然未能覆盖。 蜂窝技术有几种类型，而GSM/GPRS是数据通信的良好选择。

    GPRS还允许远程终端以每秒56kb的通信速度跟互联网进行连接。有些网络，例如EDGE，可以支持更高的速度。然而，RTU 和SCADA系统之间通过互联网进行双向通信常常要求有固定的IP地址，而许多互联网服务供应商并不愿意提供IP地址，或者他们会收取很高的费用。 同任何其它利用互联网进行通信的技术一样，用户还需要在决定是否应用这种方法时考虑到网络的等待时间和安全问题。 当传统的高功率900MHz无线通信方案难以实现时，蜂窝技术仍可适用。 

    ·卫星

    基于卫星的通信技术一般来说可以提供最广阔的覆盖面积。 它可以将非常遥远的设施直接通过一个静态的互联网IP地址连接到中央控制室。

    卫星技术同其它的无线技术相比更加昂贵。 它所用的无线装置通常更大，消耗的功率也更多，这是因为卫星信号的传播必须达到它的轨道位置方可。然而，近来在小口径天线卫星通信技术（VSAT）的进步使卫星数据终端在大小、功率和费用方面都大大减少，同时允许数据以高达每秒5,000比特的速度进行传播。 费用收取根据所传送的数据量而定。 

    同任何其它利用互联网进行通信的技术一样，用户还需要将网络的等待时间和安全问题纳入考虑的范围之内，并在此基础上做出决定是否应用卫星技术。
 
    ·900 MHz 无线通信

    已经许可的以及近来还未经许可的900MHz无线通信技术都已经投入到油气田数据传输的应用之中，且应用范围主要都在北美地区。

    许可技术。 高功率90MHz无线通信是一种经过考验的成熟技术，它们在油气田自动化领域的成功应用已经超过20年之久。 对于本应用中的距离和数据率而言，这种技术非常合适。

    许可900MHz通信技术的发送范围一般是15~25km（10~25英里）。 距离更远，则意味着功耗更高，而且可能数据传输率更慢。

    未许可技术。由于可用频率的缺乏，以及获取许可时间的耽搁和费用问题，许可通信技术在更大范围内的应用受到局限。而未许可技术却可以消除这些障碍。
 
    加拿大工业局和美国联邦通信委员会（FCC）将射频频谱的一部分，包括902－928MHz和2.4GHz频带进行分配，用于未许可的通信系统。

    为了不对现有的许可用户产生干扰，这些系统的发射功率受到有关规定的限制。这些限制限定了这些无线系统的发射范围，同高功率许可系统比较，这是一个重要的区别。

    许可无线通信设备制造商还必须为他们的产品提供保护，以避免来自于其它系统的干扰。 通常提供的保护是利用扩展频谱传输技术来进行的。

    有必要提及的是，这两种无线通信系统一般都限于视线传输，而且每种应用都要求有专用的无线网络，其中可能包括多个发射塔和中继器。 

    ·关键属性的比较

    下面的表格对于以上讨论的三种无线技术的关键属性进行总结。

             

    虽然GSM/GPRS、卫星技术以及900MHz无线通信都适用于远程油气田监测应用，通常选择的技术还是900MHz。

    设备诊断

    由于油气田十分巨大，设备分布遥远，要对这些设备进行维护是一件困难而且费时的工作。 有时候用户甚至不知道设备出现了问题，直到有人注意到测量值“看上去不正常”的时候，才能意识到问题的存在。

    假如用户能够探测到可能导致设备发生故障的状况，并在引发意外停工的事故之前及时搞定问题，这项任务就简单多了。 而且今天的市场上，每分钟的停工期，或者产量的减少都会导致利润机会的丧失。

    传统的无线SCADA系统通常不会提供关于设备状况以及周围相关操作过程的信息，而是依赖于操作人员或者工程师来关注那些反常信息，这些信息可能会显示潜在的设备问题或者故障。

    幸运的是，由于近期无线技术的进步和RTU性能的改善， 从HART现场设备发送诊断数据到中央资产管理系统已经可以做到。

    中央系统的资产管理软件可以直接通过无线网关同设备进行通信。无线网关如专门设计用于处理此类信息的高级RTU， 可以继续将实时过程的数据传递给SCADA系统。 网关乃是SCADA系统、资产管理系统以及现场设备的中央通信环节。

    用户可以直接访问这些最新信息，对潜在问题的探测、诊断、甚至预测，以尽可能地防止设备故障甚至由遥控操作造成的停机，都变得更加容易。

    艾默生的“智能远程自动化”为油气田应用提供了PlantWeb 数字体系之优势，包括将智能HART设备的健康状况数据转换成预测信息，供操作人员之用。 其重要部件包括：

    · ROC800系列远程操作控制器是一种经过现场考验的测量与控制远程测控终端设备（RTU），作为远程HART仪表和在中央控制室的艾默生AMS?设备管理组合的通信环节。 ROC800支持各种通信与网络技术，其中包括高速与低速的有线和无线体系架构。

   · ROC 现场服务器是一种现场设备，它将低带宽、低速现场诊断通信和高带宽、高速度以太网主机通信结合起来，并进行管理。 它通过确定数据包发送优先顺序、缓冲、带宽管理以及自动目录生成等来克服带宽限制。

   · AMS 设备管理组合是一种业内领先的开放式软件家族产品，为智能仪表提供实时组态、标定、诊断、文档以及用户界面。 它包括AMS智能设备管理系统和AMS设备信息平台，为每个远程ROC800控制器提供通信与数据库接口。

    低成本增量监测

    以上所介绍的都是关于如何利用无线技术将远距离油气田的设备数据连接到数英里之外的中央控制系统或者中央信息系统的问题。 但是在远距离现场之内，也有利用无线通信的机会。 特别是，无线技术可以以合适的费用来采集现场附加信息，即更多的测量值，以帮助用户改善操作的效率。

    例如，“抽水机”需要频繁访问远处的现场以检查油罐和水罐的液位，并在必要时将他们抽空。但是若访问的是无需抽空的储罐，就会对时间和资源造成浪费。通过为储罐加装液位测量仪表，将数据发回控制室，操作人员就可以检查每个储罐的液位，并在必要时向需要的地方派遣抽水机，从而可以减少出行的次数以及相关的旅行成本。

    不幸的是，从许多偏远地点的RTU铺设附加的电源和通信电缆到另外的测量仪表非常困难而且费用昂贵。 在许多地区，甚至需要获得挖掘地沟的许可才能埋入连接电缆。 然而，利用合适的无线技术和仪表，这些增量测量仪表的安装可以变得更加简单而且成本合算。

    例如， 在油井区或者其它的偏远场所，自组织无线网络可以连接那些坚固耐用、电池供电的仪表设备， 而这些设备自动地测量并向本地网关或者RTU报告油罐的液位或者其它的测量值，然后网关将这些信息再通过SCADA网络加以传递。 无需因电源或通信之故来敷设电缆或者挖沟。

    如果自组织网络内的无线信号遭到中断，例如，由于有辆卡车停泊在设备和网关之间，网络将自动通过其它的无线设备改道进行通信，直到信号抵达目的地为止。设备安装、拆除以及重新定位都很容易。而且用户也无需担心需要司机比以前跑得更勤以便为所有的设备更换电池。 根据使用和环境的情况，在进行了能量效率以及有效能源管理设计的设备中，电池的寿命可以持续数年。

    总结

    无线技术作为一种工具将远距离油气田和中央监测控制系统联系起来已经有很长的历史。 缺乏硬线连接的电源和通信基础设施的状况常常使无线技术在这些偏远地区成为唯一可行的选择。

    综上所述，新技术正在提供更多类型的通信选择以满足特定的应用需求，从蜂窝网络到卫星技术，再到900MHz无线通信等等。最近的技术进展提供了新的途径， 使无线技术可以用于改善操作。 这包括将设备诊断信息整合到无线通信中，然后再将信息从远处的现场发送到中央系统；以及利用自组织网络以合适的价格在远处现场增加增量测量仪表等等。 


                                                      ——转自《自动化博览》