【方原柏专栏】WirelessHART无线网络的实际案例应用集锦（2）
编者按
无线网络已经给过程控制领域带来了令人瞩目的许多惊喜，这主要体现在更好满足用户需求的全新解决方案和快捷的调度能力等方面。继续上一期，方老师将通过12个WirelessHART无线网络在各行各业的实际应用案例来为大家展现和分析目前各行各业无线网络的实际应用情况。
无线解决方案优势汇总
无线网络已经给过程控制领域带来了令人瞩目的许多惊喜，这主要体现在更好满足用户需求的全新解决方案和快捷的调度能力等方面。
表1列举了其中一部分能更好满足用户需求的全新解决方案的优势。
WirelessHART无线网络的实际案例应用集锦（2）
5 电科院电厂性能测试
为保证电厂运行性能，国内各地电力科学研究院都会对其所服务的电厂在汽机、锅炉新机组竣工验收时或在大小修前后进行性能试验，为电厂的汽机、锅炉维护及检修提供参考数据。在性能试验中，困扰电科院多年未能解决的现场问题如下：
测试数据来自现场相应测点的常规有线仪表，采用临时线缆连接，全部线缆由电科院提供，用卡车运至电厂所在地，运输成本高；
安装临时线缆不符合电厂安全规程，存在安全隐患；
仪表安装完成后，一旦回路联调出现问题，需再次检查线缆，调试时间加长；
现场相应测点的常规有线仪表为多个厂家的硬件，其硬件匹配程度对测量精度带来一定影响；
常规测试仪表系统不能对现场测试仪表进行设备管理，仪表运行状态无实时监控，不能及时消除仪表故障，因此无法判定采集的数据正确与否。
2010年2月，华电电科院首次将艾默生过程管理公司的1台1420智能无线网关和24台智能无线变送器（包括3051S无线压力变送器、648无线温度变送器或848无线多点温度变送器）应用于宁夏灵武电厂汽机性能测试（见图1），和使用常规有线仪表相比智能无线技术具有以下优点：
无需敷设电缆，无需数据采集I/O卡件，便于安装、调试及维护，安装和调试时间减少了90%；
通过AMS设备管理软件可实现无线变送器的远程在线组态、校验、诊断及网络通信状态监控，缩短回路调试时间，简化项目实施步骤；
采用全数字通信，数字化保证了过程值的高精度及抗干扰能力，减少了中间连接环节和误差，如压力变送器最高参考精度可达0.025%。
艾默生智能无线技术的解决方案，进一步提高了电科院性能试验数据的权威性，提高了性能测试的工作效率，目前全国已有超过15家电科院采用了艾默生过程管理公司的智能无线技术进行电厂的性能测试。
图1 现场安装的无线变送器
6 云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂
云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂为新建工程项目，设计规模60kt/a粗铅、100kt/a电锌及渣综合利用，2013年11月投入试生产。
在云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂新建工程项目中，采用了以FF现场总线作为信号传送方式的艾默生过程管理的DeltaV控制系统，为了尝试使用工业无线网络，选择了多膛炉焙烧车间采用了WirelessHART智能无线网络与DeltaV控制系统集成。该工序相对不太重要、监测点数不多、很少或没有涉及安全连锁及快速控制回路的参数。
多膛炉焙烧车间的Delta V控制系统主要由1个工程师站、2个操作员站，1个控制系统柜、1套不间断电源组成。多膛炉控制系统分为多膛炉主厂房和多膛炉收尘两部分。
智能无线系统硬件包括无线变送器、1420无线网关和交换机，1420无线网关有4台，交换机有2台，无线变送器包括63台共90个测点的848T多点（4点）无线温度变送器、648（单点）无线温度变送器、3051S无线压力（差压）变送器。图1为现场安装的智能无线网关和无线变送器。
图1 Wireless HART智能无线网络设备现场安装
左：智能无线网关 右：无线温度变送器和无线压力变送器
多膛炉焙烧车间工业厂房内配置了3台270m2多膛炉，炉高15m，多膛炉炉体分12层，设6个燃烧室，以煤气作燃料，使炉膛温度保持在700℃左右。多膛炉产出的烟气温度小于550℃，直接进入收尘系统。从收尘系统中回收的含氟、氯的氧化锌烟尘另行处理。
多膛炉的每层都设有一个温度监控点及压力监控点，这样在工业厂房的各层都分布了很多测点，现场将每台多膛炉的第一层至第四层所有温度压力信号的无线变送器引到二楼集中安装；将第五层至第八层所有温度压力信号的无线变送器引到三楼集中安装；将第九层至第十二层所有温度压力信号的无线变送器引到四楼集中安装；然后在多膛炉厂房的二、三、四楼分别安装一台无线网关。多膛炉收尘系统设置在主厂房外，障碍物较少，视野空旷开阔。因此将冷却烟道出口压力及温度无线变送器安装在四楼，收尘器出口压力及温度无线变送器安装在三楼，引风机出口压力及温度无线变送器安装在引风机房顶。收尘无线网关安装在收尘四楼与三楼连接处，以保证每台无线网关能与更多的无线变送器直接进行通信。
1420无线网关连接无线设备和现有控制系统艾默生过程管理公司的DeltaV，由于网关分布在不同楼层和不同建筑物内，直接无线通信困难，所以4台1420智能无线网关是通过有线Modbus TCP/IP通信方式与主副交换机连接，再连接到DeltaV控制系统（见图2）。这种连接方式实际上是将多膛炉无线系统分成4个独立的无线网络，可以单独调试，单独接入DeltaV控制系统。
图2 多膛炉网络结构图
图3为多膛炉焙烧总貌画面。
图3 多膛炉焙烧总貌画面
网络安装以后，通过工业无线网络配套的软件可以在控制室的操作员站的显示画面上，对工业无线网络的运行状况进行实时监控（见图4）。
图4 无线网络设备的通信诊断界面
由图4可见，除了一些设备基础信息之外，涉及工业无线网络每台设备的运行状况指标，如节点状态、运行的邻居（可提供路由的相邻设备）、邻居数、维护要求、可靠性、路径稳定性、接收信号强度指示等都是判断无线设备通信是否正常的重要参数。通常情况下这些参数是稳定的不会有大的变化，说明其数据传送可靠、工作正常。万一不正常，也可以知道是什么问题，需要采取什么措施改进。
如果诊断结果发现无线通信所传送的数据有误，或信息显示画面中的某些无线设备的运行指标达不到要求，可根据诊断显示分析这些问题产生的原因（如在信息传送路径上出现新的障碍物、接收信号强度指示值低、电池电压低等）后，可立即采取措施（如移动网关位置、增加接入点、增加中继器、更换电池等），而这些措施通常不涉及增加管线敷设等内容，工作量相对较小。
多膛炉无线仪表从安装调试完毕后先于工艺设备投入运行，使用至今已安全工作一年半左右，系统运行稳定，从未出现过信号丢失的情况。
7 南海北部湾海上石油平台
南海北部湾某海上调整井项目是在海上石油平台旁增加一座简易井口架，增加的井口架可打7口井，其中包括两个主桩分别作为隔水套管打单筒双井，此项目设计需要在新增井口架的采油树上安装7台温度变送器和14台压力变送器。
海上平台的建造，要求采用先进技术，选择高效小型设备，平台面积必须高效利用，还要考虑结构荷载等因素。无线技术节省了安装材料如线槽、线缆及接线盒，给平台腾出了空间，还减轻了重量，降低了设备布置的复杂性。
海上平台远离陆地，仪表设备的维修难度和费用要比陆地极大增加。因此，尽量减少维护设备的工作量以降低费用开支。灵活布置或增加检测点。在一些临时检修施工中，如果时间紧，无线设备施工快捷性的优点体现得更为明显。无线仪表还可在陆地上预先完成配置，大大降低在海洋平台上的安装调试和校验时间。
海上平台有很多场合可运用无线技术。如井口温度、压力的测量，由于采油树往往是在平台建造、末期安装的，仪表测量点位置无法提前确定，使用有线方式必须在时间紧迫的情况下完成拉线配管接线调试工作，易出差错。采用无线技术可以大大减少工作量，甚至可以提前调试、快速投入使用。
由于该项目为海上石油平台的改造项目，大部分改造工作需在海上完成。根据现场调研，该平台中控系统的控制柜空间有限，控制系统备用I/O及底板卡槽不足，后期增设电缆通道不够，敷设电缆困难，施工难度大，投资增加较多。为此该项目选用无线网络方案，即采用1台1420无线网关、14台3051Ｓ无线压力变送器和7台648无线温度变送器满足改造需求（见图1）。
图1 石油平台采油树上安装的现场无线设备
无线网络方案的优点是无需增加I/O卡件，无需铺设仪表电缆，仪表安装及调试时间短，成本和布线工作量大大降低，海上施工工时减少90%，在满足需求的同时取得了明显的经济效益。该项目自2010年4月投运以来，无线网络运行正常，数据传输可靠，维护成本极低，增强了现场维修人员使用无线仪表的信心，探索出了无线网络在海上石油平台应用的一条新路。
鉴于在该项目中采油树测量仪表首次由常规有线仪表改为无线仪表获得成功应用，在随后新建的南海北部湾某海上石油平台和在建的南海某海上石油平台项目中也采用了无线网络技术方案，无线网络的应用得到了进一步推广。
8 英国Croda公司
英国Croda公司是一家国际性的专业化学品制造商，在厂区任何时候，总有3辆24000加仑（约90m3）容积的化学品槽车停在现场，其中1辆在服务站按要求等待卸货（见图1）。由于该化学品活性高且易燃，因此对其内部进行温度监控极其重要。如果在清理化学品槽车时有残留或不小心混入污染物且没有及时采取补救的中和措施，就会引起无法控制的放热反应并导致潜在的严重后果。由于化学品槽车经常处于运动状态，用硬导线连接温度传感器几乎是不可能的。以前，操作人员需每天爬到每一辆化学品槽车的顶部，检测温度和记录读数信息，这是一项费时费力的工作，在潮湿或冰雪天气时，还存在操作人员滑倒或坠落的事故隐患。
图1 化学品槽车
采用每辆化学品槽车到达现场后就安装648无线温度变送器，信息通过变送器传递到1420无线网关，最后通过Modbus总线传回到控制系统。操作员观测温度的同时，维护人员也通过AMS工作站监测变送器的性能。自组织网络安装快速且简单，这对于不断到达和离开工厂的化学品槽车来说是非常重要的。
采用艾默生过程管理公司智能无线技术后，安装了648无线温度变送器和1420无线网关，无论化学品槽车在现场的任何一个地方，都可以实时地将数据输入主机系统，信号传送质量丝毫不受影响，而且可以通过Modbus总线无缝接入公司的控制系统，会实时地提醒操作人员注意槽车的任何异常温升现象。化学品槽车的温度监控系统极大地提高了过程性能和总体安全性，单是运行和维护成本每年可以节省费用约15000美元。
9 哥伦比亚Pacific Rubiales石油公司
哥伦比亚Pacific Rubiales石油公司是该国最大的独立石油和天然气勘探和生产公司，勘探基地每月要钻20口新油井，为节省综合布线成本，寻找一个更灵活的解决方案来监控井口并对所有设施进行管理。从2005年开始，勘探基地共使用了3300台E+H公司仪表；2009年与E+H公司合作，开始讨论WirelessHART的解决方案；2010年选定WirelessHART的解决方案并启动现场试验，试验成功后订购了800台WirelessHART SWA70适配器、43台WirelessHART SWG70 Fieldgate网关；2011年决定采用E+H公司W@M生活周期信息化平台，并纳入第三方的设备如阀门控制器等。勘探基地的生产规模也从每天4万桶扩大到每天20万桶。
油井用于重质原油开采，通常是5口油井聚集在一起钻孔构成一个“平台”，检测内容包括每口油井的压力、温度和5口油井汇总管上的流量和压力，这些参数确定了5口油井的产量。所有现场变送器都配备了无线WirelessHART SWA70适配器，与位于现场操作间的WirelessHART SWG70 Fieldgate网关通信，再经无线传送到E+H公司的W@M生活周期信息化平台集中监控（见图1）。W@M生活周期信息化平台能够帮助公司以有效的方式管理所有资产。所有设备的数据可不间断地监控，即使在所有设备停车的情况下，包括操作手册、技术资料、服务报告、校准报告、备品备件和产品状态还可以在线提供。图2为井口安装的无线压力变送器。
图1 油井平台无线监控系统
图2 井口安装的无线压力变送器
使用证明WirelessHART的解决方案具有以下优点：
井口安装时间由15天缩短至3天，减少启动系统的工作时间；
更少的布线成本，每口井无需采用远程I/O组件，节省400m通信电缆及相关费用，节省100m3的电缆通道；
工艺优化，操作更灵活，降低了运营成本。
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）、"流程行业无线通信技术及应用"（2015年）三本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。
