【方原柏专栏】点评One Wireless在中国的应用—工业无线技术的“真谛"

方老师带你一起通过OneWireless工业无线系统在国内的典型应用实例，来找到无线技术的“真谛”。

前面的话

第一次听到OneWireless工业无线系统技术报告时，脑子里马上联想到自己从事的设计工作：“无线？无线！好了，我今后不必再去画什么仪表接线图、供电系统图、接线柜端子图、I/O端子图了，最烦、最令人讨厌的敷设图我也只需标个测点位置就行了，哈哈！” 当然，我也想到了别人：安装工人也无需配线、对线、接线，无需配管、穿线，无需架电缆桥架；现场维修工人也不用成天面对密如蛛网的接线柜，不用再看接线图纸，不用检查线路故障。

冷静下来一想，早着呢，无线的确有优势，今后的趋势也将是无线取代有线。但是，无线刚出来，产品价格还有点贵，怎么用还不清楚，推广得有个过程，学习也得有个过程。

还好，有些心急的人不是已经开始用了吗？先看看他们是怎样用的，学学他们的经验。以后咱们不说创新，依葫芦画瓢总是可以的吧！

首先得大致了解OneWireless无线主干网络的设备构成，大致弄明白了我就满世界去找OneWireless工业无线系统在国内的应用实例，先把他是怎么用的搞清楚，然后看看咱能从中学点什么东西，研究一下能否找到无线技术的“真谛”。

网络构成

OneWireless 无线主干网络的设备构成

OneWireless无线主干网络的设备构成有不同的方案，其中最常见的是由无线现场设备（如无线变送器）、无线网关（多功能节点或现场设备接入点）、无线管理平台组成的系统（见图1）。

图1 OneWireless无线主干网络的设备构成

无线变送器是带无线通讯功能的变送器；无线网关（多功能节点或现场设备接入点）支持同无线变送器的无线通讯并构建一个通讯速度非常快的无线Mesh主干网络；无线管理平台管理无线现场设备和无线网络，并实现与应用主机的通讯。

应用实例

重庆锦湖化工厂回转窑

重庆锦湖化工厂回转窑上测温点，以往采用碳刷滑环的方式从转动的窑体上引出信号，由于固定的碳刷与转动的滑环接触不好，信号不稳定，影响测温效果，故采用无线方案。16台无线温度变送器自动选择同多功能节点M1、M2进行无线通讯，位于控制室附近的多功能节点M1作为网关，把所有数据传输至无线管理平台及控制系统（见图2）。

图2 锦湖化工厂回转窑无线通讯结构

点评：回转窑是360°旋转，一台多功能节点总有接收不到测量信号的时候，所以这里用了两台多功能节点。转动设备、移动设备上的参数测量，现场偶而能碰上，以前有一些只能说是应付的办法，如碳刷滑环，很难达到应用要求，这一回可有了一个好的解决办法，咱们得学一学。

华东电力试验研究院现场设备性能测试

应用情况：电力试验研究院的科研人员经常要到各电厂进行现场设备性能测试（如汽机、锅炉性能测试），以往每到一个现场除了安装检测仪表外，都需要敷设电缆并接线。测试结束后，又要拆除接线，收回电缆。现在该院配备了全套无线系统，包括2台多功能节点、22台表压变送器、10台差压变送器、5台绝压变送器、15台温度变送器、4台模拟量输入变送器、无线管理平台。

点评：一般的现场使用有线设备要敷设管线，要接线，再麻烦主要就在开头安装这一次，而在这里提到的测试工作在不同现场要重复多次。无需接线，无需敷设电缆，灵活方便，准备工作及收尾工作大大简化，无线系统的优越性就充分体现出来。

中石化镇海炼化8公里乙烯运输管线

应用情况：中石化镇海炼化修建了一条低温乙烯运输管线，总长约7650m，连接装卸码头和低温罐区。乙烯运输温度要求为-150℃至-100℃。为确保管线运输正常工作，需要对管线温度实时监测。管线两端约500m各有一个温度测点，其他5个测点分布为平均每隔1km一个，共有7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，距离过长，信号衰减导致不能正常测量。采用OneWireless工业无线系统配置如下：

多功能节点，3台；

无线温度变送器，5台；

有线温度变送器，2台（距离多功能节点近的管线两端使用）；

热电阻，7支；

无线管理平台，软件25点；

工作站，DELL D630；

无线网络授权设备，XSK00。

乙烯运输管线无线通讯系统示意图见图3，图中，M1~M3为多功能节点，T1~T7为无线或有线温度变送器。无线温度变送器同多功能节点进行无线通讯，3台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作为网关，把所有数据同时传输至罐区DCS控制系统，采用Modbus RS485 同控制系统数据集成，可完成如下功能：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。由于多功能节点与无线温度变送器之间最远距离约3km，多功能节点M2与M3之间距离约6km，所以多功能节点与无线温度变送器均配置了定向板状高增益天线，可实现远程通讯（通讯距离分别可达4km、10km）。

图3 乙烯运输管线无线通讯示意图

点评：对测点少、相互间距离过长的现场，采用无线传输方案就具有减少管线敷设投资、提高测量精度的优点，试想一下，总长约7650m的管线上的7个温度测点，每个温度测点平均敷设长度应在4km左右，4km管线中的两芯导线、保护管及施工费用，大约在十二万元左右，七八十万元花在管线上（投资应该超过全部无线设备的费用），实在是划不来。

中石油大连石化

应用情况：在溶剂再生装置/酸水气提装置管线（包括富溶剂、轻烃、贫溶剂、酸性水等介质）上安装CEW6000M无线腐蚀变送器进行管线腐蚀监测，包括2台多功能节点、8台无线腐蚀变送器(配电极、探针)。无线腐蚀监测采用先进的测量技术和数据分析技术进行精确的总体腐蚀速率测量和点蚀测量，可同时给出总体腐蚀率、点蚀系数、斯特恩——盖里常数以及腐蚀机理因子4个参数，即可对管道的腐蚀状态进行监测，预防管道泄漏，减少维护费用，从而实现管线远程在线诊断、预测维护和报警。

点评：这是国内首套无线腐蚀变送器的应用，其在线诊断、预测维护功能是高水平的用户期盼的。近年来中石油大连石化因设备泄漏故障频发造成数次火灾，同一企业内的溶剂再生装置/酸水气提装置所使用的设备是否对他们有所启示呢？毕竟安全是第一位的。

中联煤层气山西沁县气田

应用情况：无线系统包括：31台各类无线压力、温度、多输入变送器；6台多功能节点；5台无线视频；10套太阳能供电系统；无线管理平台。涵盖了方圆五公里的10口煤层气井的温度、压力、流量及抽油机停机状态信号的数据采集及5口气井的无线视频监控，其中5口煤层气井的温度、压力、流量的数据是通过无线变送器采集、5口煤层气井的温度、压力、流量的数据为常规仪表，通过有线方式采集后，再通过多点无线模拟量输入变送器转换成无线信号后输出。

点评：据介绍这是一个国家煤层气高技术产业化示范工程，煤层气井共有150口，真正大规模的应用还在后面呢。太阳能、视频监控、无线，果真是示范工程，全是最时髦的，但也许用在这个沟壑纵横的偏僻山区就是最合适的。煤层气井相互间距较远，无线可能是最经济的；偏僻的地方人迹罕至，视频监控可能是最安全的；距离远又偏僻，供电是个难题，太阳能发电可能是最现实的。

这里还有一个特点是有线、无线结合，5口煤层气井是清一色的无线设备，另外5口煤层气井则是常规有线仪表与多点无线模拟量输入变送器组合，看来有的时候需要采用这样一些灵活的配置方案。

中石油西固油库

应用情况：中石油西北销售公司西固油库改造项目中，要求做到以下几点：在罐区增加输油管路压力测点；支持员工在铁路栈桥作业时，能够实时获取控制系统的数据和实时录入装车数据和信息；实时获取远离控制室的油库数据，实现数据共享。

由于输油管线的压力测点与控制中心之间被铁路分隔、现有桥架和电缆沟已经接近满载，实施方案采用霍尼韦尔公司的PKS控制系统和无线信号传输方案，所提供的无线设备包括：5台多功能节点、20台无线压力变送器、4台移动工作站/RESS Server、无线管理平台。

西固油库无线通讯结构见图4。

图4 西固油库无线通讯示意图

通过5个多功能节点构建的无线网络架构同时支持3种无线应用：

• 支持同20台无线压力变送器的通讯和过程数据监测；

• 采用Modbus TCP将无线网络有线接入油库计量PLC控制系统和油库PKS控制系统。

• 支持移动工作站、IntelaTrac PKS无线手持巡检设备（见图5），实现现场移动作业时可实时浏览PKS控制系统各类画面及输入铁路装卸站台的过程数据；

图5 移动工作站（左）和IntelaTrac PKS无线手持巡检设备（右）

霍尼韦尔公司为该项目提供PKS控制系统，其功能涵盖一下子系统：库存管理系统、油品移动系统、公路自动付油系统、铁路定量装车系统、订单管理系统、在线设备管理系统、视频监控系统、无线通讯及广播系统、门禁系统和绩效管理系统。2010年12月投运后，火车装运原由人工抄写车号再计算机录入的工作由无线手抄器完成；装运20t油的油罐车所需时间由40min缩短为25min，油罐车装运工由7人/班减少为2人/班；视频监控系统、门禁系统的投入提高了罐区安全管理水平。

点评：因有铁路站台的分隔，有线传输的方案无法实施，这是采用无线方案最早的理由；油库计量PLC控制系统的数据是通过多功能节点无线传输到油库PKS控制系统，也就是说，无线系统不仅传送无线现场设备测量的信息，同时还可以在两个控制系统之间远距离传送信息；无线技术将过程自动化延伸到了控制室之外，无线手持巡检设备，可以通过无线网络自动收集现场数据，移动工作站这可以在现场通过无线的方式访问控制系统的关键过程参数、历史数据、图形、过程画面、维护信息和其它重要数据，我想，这是否相当于将操作站搬到现场？

“自动化博览”杂志一年前刊登过由现场技术人员、霍尼韦尔公司专家共同撰写的技术论文，一年后又刊登了由该杂志编辑撰写的追踪报道，所以我们可以知道这套无线系统不仅用得好，而且还有本文所列出的现场运行的实际数据。

申能上海临港燃气电厂

应用情况：上海临港燃气电厂有4套350MW燃气机组，生产现场参数检测采用有线变送器，所测量的过程信息传送到西门子DCS。电厂4套机组配有4套DCS，2套DCS公用一个控制室，各套DCS之间完全隔离，但又要求控制系统发生故障时，要保障其他机组的DCS操作站可以监视故障机组最重要的25个参数。25个参数中包括锅炉部分的主蒸汽流量、压力和温度，中压蒸汽流量、低压蒸汽流量、温度和压力，高压汽包压力、中压汽包压力、低压汽包压力、再热蒸汽压力和温度、高压给水流量、中压给水流量、低压给水（低压气包入口）流量、低压给水（凝结水）流量共16个测点，还包括汽轮发电机部分的汽轮机真空、润滑油压力、控制油压力、振动1、振动2、振动3、闭式水压力、发电机功率、转速共9个测点。

4套机组每套配一台多功能节点作为其网关，采用Modbus RTU协议以RS485信号电缆有线接入DCS控制系统。这4台多功能节点构成无线主干网络，每套锅炉机组的无线数据通过自己的多功能节点可集中汇入统一的无线数据库，从而每套DCS不但可以通过自己的多功能节点获得本机组的无线数据，同时还可以获得其它3个机组的无线数据，从而满足上述要求。

霍尼韦尔公司为该项目提供了253台有线变送器、101台无线变送器、4台多功能节点和一套无线管理平台。

点评：4套350MW燃气机组各自的DCS完全隔离，在控制系统规模越来越大的潮流中，这个思路看起来怪怪的，但仔细一想也蛮有道理，肯定也是从他们自身的实践经验中总结出来的。这个方案如果采用有线方式实施，附加的设备、管线之多实在是难以想象。这里采用无线方案完美地解决了这个难题，的确有创意，让我又学了一手。

再从整个系统看，又是一个有线、无线结合的例子，这样做充分发挥了各自的优点。上面提到的每套机组25个无线变送器检测的参数，分析一下，这些参数肯定也同时采用有线变送器检测，从而做到同一参数中一套有线、一套无线，用不同方式实现冗余，其可靠性应该是最好的。有线、无线结合，看来是早期无线技术应用最常见的方案，怎样结合，得根据具体项目好好研究。

中石化武汉80kt/a乙烯罐区

应用情况：无线系统包括：237台各类无线压力、温度变送器；22台多功能节点（包括5台主网关和5台冗余网关）；Experion Server 内嵌无线管理平台。用于乙烯厂原料罐区、中间罐区、产品罐区的温度、压力、汽车衡数据采集。在网关接入Experion FTE（容错以太网）之前，安装了无线防火墙，只允许无线I/O数据双向通过，而阻隔可能的病毒和垃圾信息，有效保护控制网络和无线网络，避免通讯中断或丢失数据等情形的发生。

点评：因控制系统DCS Experion 与无线系统都是霍尼韦尔公司的，只需使用内嵌在Experion C300控制器与服务器中的无线管理平台实现一体化集成。该系统的规模是目前中国最大的，离我想象中应该达到几千个点的规模已经不远了。

结束语

目前见诸报道的应用实例不是太多，还有像无线读表器、无线可燃气体监测、无线设备振动（健康状态）监测变送器、无线阀门回讯变送器（定位器）等类型的无线现场设备尚未见到国内应用的报道，我也还在等待国内更多的创新应用，以不断地研究学习。我始终相信：工业无线，前景无限。

作者简介

方原柏：湖北黄冈人，昆明仪器仪表学会理事长，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，冶金自动化、衡器、自动化信息、仪器仪表用户、自动化与仪器仪表等杂志编委、中国衡器协会技术专家委员会顾问。发表论文270余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）两本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。