【方原柏专栏】WirelessHART无线网络的实际案例应用集锦（3）
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（3）
10 川西北气矿梓潼采气作业区
四川省绵阳市中石油西南油气田分公司川西北气矿梓潼采气作业区的基地站中，有3台温度、压力、差压仪表的数据需要上传至距离150m以外的集气站控制中心机房，目前现场已有FloBoss107流体管理器作数据汇聚。
图1 采气作业区WirelessHART无线网络
为了满足上述要求，川西北气矿梓潼采气作业区2014年采用WirelessHART无线网络技术（见图1），对现场做了如下的改造：
现有的3台温度、压力、差压变送器通过加装THUM775无线适配器，扩展了WirelessHART无线功能；
图2 THUM775无线适配器的安装
由于传送距离较远，现场还有一些障碍物，所以在临近基地站一栋建筑物的楼顶安装了1台中继器，中继器选用了248无线温度变送器；
加装了THUM775无线适配器的3台温度、压力、差压变送器通过中继器的路由，将信息传送到集气站控制中心机房外的781远程链路（见图3），这些设备构成无线Mesh网络，实现了数据的互联互通；
图3 781远程链路在中心机房外的安装
781远程链路以有线的方式与无线I/O卡相连；
将FloBoss107流量管理器挪至集气站控制中心机房处，FloBoss107管理器对下通过无线网关（由无线I/O卡与781远程链路组成）连接，进而采集现场无线仪表的数据；
FloBoss107流量管理器借助TCP/IP以太网扩展卡件，通过RJ45以太网双绞线直接进入上层核心交换机，与控制中心监控系统进行通信。
艾默生过程管理的FloBoss107流体管理器是针对用于天然气与流体监测计算机中的最新产品，其优点是带触摸式屏幕，可方便地读取和设置参数；带多种功能集成化I/O模块。
对于采用艾默生远程自动化部门RAS上位机软件的FloBoss107流体管理器来说，选用无线I/O卡与781远程链路组成的无线网关的兼容性比之前的智能无线网关1420更好。
DeltaV S系列提供了无线I/O卡（Wireless I/O Card，WIOC，见图1）、781远程链路（Wireless Field Link，见图1），如果网络规模较大，还可增加Cisco AP接入点，以上设备可组成全冗余WirelessHART解决方案。
这种新的结构将现有的1420智能无线网关的功能分为两个部件：无线I/O卡和781远程链路，无线I/O卡有2个Ethernet I/O口实现与控制系统DeltaV局域网的有线连接，由远程链路实现与WirelessHART无线现场网络连接，这两者之间采用2对导线的有线连接，最远距离达到200m。
11 江苏金翔三期油库罐区计量系统
江苏金翔石化有限公司主要从事汽油、柴油、煤油和化工产品等销售及仓储，有三个油库，分为一、二、三期油库，总库容为23.31万m3。其中三期油库共有8个油罐，4个2000m3罐，1个16000m3罐和3个23000m3罐，库容总计9.3万m3，全部工程于2010年12月竣工。
江苏金翔油库是作为贸易交接的油库，公司需要对所有储油罐的液位、温度、压力、液位变化率等重要数据进行全方位实时监测。监控罐内这些数据有助于确保用于财务报告、生产计划及时间安排的数据的准确性，不准确的测量可能导致容量使用不理想、账目错误甚至发生溢出等环境事件。
江苏金翔二期油库就选用了艾默生TankRadarRex 3900系列贸易交接计量级雷达液位计与相应多点温度计、Rosemount3051s压力变送器，构成常规储罐计量系统。在信号传输过程中，可能会出现下面的问题：
中间接线端子是潜在的故障点，接线不良或脱落导致通信故障，储罐失去监视；
信号电缆受损（火灾、野蛮作业等）是另一潜在危险，会导致罐区部分或整体失去监视；
因雷达液位计数据是先进入整个库区PLC控制系统处理的，当PLC控制系统出现故障时，整个罐区雷达液位仪测量数据均不能在PC上位机上正常显示，罐区失去监视。
在二期油库监控系统运行过程中就出现过上述情况。因此，金翔三期库区自动化监控系统在艾默生常规罐区计量系统的基础上，增加了智能无线储罐计量系统，由智能无线THUM适配器和智能无线网关1420，构成罐区无线监控网络。
储罐计量系统中的每台艾默生TankRadar Rex液位计配有一个智能无线THUM适配器，成为一个无线节点，这些节点与智能无线网关1420构成一个自组织网格架构网络。
在三期库区储罐计量系统中，采用了艾默生常规罐区计量加无线储罐计量的方案，构成一个冗余设计，在原常规罐区计量系统中，每台TankRadar Rex液位计配智能无线THUM适配器后，可将测量值、诊断信息通过无线方式无线传送到智能网关1420，再通过OPC通信方式，直接跟WinCC组态软件相连接，同时有线通信的数据是由现场通信单元FCU通过Modbus RS485通信方式跟PCS7控制系统相连，再跟WinCC组态软件通信的，这种冗余通信方式保证了罐区测量数据的安全性和可靠性，三期油库有8个油罐，最远的一个油罐到库区监控室距离大约300m，8个无线THUM适配器，分别固定安装在罐顶的护栏上，如图1所示。无线网关1420安装在监控室的室外墙壁上，如图2所示。他们之间的距离满足无线安装要求，且各个无线网络点，都能相互通信，这样可以保证无线信号覆盖整个库区且信号传输路由冗余，数据传输可靠。
图1 罐区雷达液位仪的安装
1-TankRadar Rex雷达液位计；2-无线THUM适配器；3-安装附件
图2 无线网关1420的安装
图3右为总线传输数据监控界面，对比图3左无线传输数据监控界面，可以看出它们显示的每个油罐的监控数据是完全一致的，因而增强了仪表维护工程师使用无线仪表的信心。
图3 无线传输数据监控界面（左）和总线传输数据监控界面（右）
仪表维护工程师还可以通过AMS智能设备管理软件实现对罐区雷达液位计进行远程在线组态，减少了去现场危险区域工作的麻烦。同时雷达液位计有丰富的诊断信息，可以通过无线系统传回中央控制室，仪表人员可以在AMS系统中得到设备预警，例如：天线污染，满罐报警，空罐报警，无表面回波等，做到在仪表故障影响扩大之前，及时找到故障原因，并排除这些故障。
12 兰州石化分公司及催化剂厂
中石油兰州石化分公司催化剂厂的催化剂转炉是催化剂生产过程中的关键设备，转炉的长度为30m，运行温度1000℃，转速为4~5转/min，控制系统采用的是和利时公司的PLC，每台设备有4个温度测点。在催化剂的生产过程中要随时对温度进行监测，以保证转炉的正常运转和全装置的安全平稳运行，同时直接影响到产品的质量和生产过程中的能耗，因此准确、可靠的测量转炉的温度十分重要。传统上催化剂转炉的温度监测采用滑环测温的方式来测量温度，如图1所示。
图1 催化剂转炉的滑环测温的方式
催化剂转炉上的热电偶测量转炉的温度，热电偶的两端分别连接在两个滑环上，每个滑环分别与一个电刷联接，电刷固定在一根连杆上，通过导线与温度变送器连接。滑环测温的缺点是：由于滑环失圆和转炉的振动，电刷会高频率地跳跃，导致信号传导不连续，造成信号丢失；滑环所在的环境温度很高，会造成滑环锈蚀，同时粉尘会在电刷和滑环之间造成绝缘阻隔，导致信号失真；热电偶测量为mV信号，易受到干扰，影响测量精度；由于滑环的机械结构的维护量较大，维护费用高。
为此兰州石化催化剂厂对包括滑环测温、红外线成像、无线测温等方案进行了对比，最后选取了艾默生公司的智能无线技术作为解决方案，对催化剂转炉的测温系统进行了改造，取得了很好的成果。该方案使用安装在炉体上的648无线温度变送器直接与热电偶连接，然后将采集到的信号无线传输到1420无线网关（见图2），1420网关通过EtherNet连接，以OPC协议与和利时公司的PLC系统通信。
图2 催化剂转炉的无线测温方式
艾默生智能无线方案的优势：
采用与有线变送器相同的检测元件，保证工艺数据来源可靠；无线网关主动搜索并自动调整无线网络以适应无线设备的增加或减少，同时网关可管理并选择数据传输的路径，采用时间同步技术，以此保证数据传输实时可靠；上位机组态方便，无专用软件，IE浏览器组态界面友好，人机交互性强，支持多种通信协议；无线网络安装方便，从安装无线仪表到读取数据只用3h；无需敷设电缆和桥架，节省安装成本；维护的工作量大大降低，维护成本降低；无线设备具有自诊断功能，可以同时检测电池电量和环境温度。
自2009年9月投入运行后，由于648无线温度变送器和1420无线网关的抗干扰能力强，即使在振动噪音较大，温度很高的环境中，运行稳定，传输的数据准确可靠，解决了一直困扰该厂的旋转设备温度监控的难题。
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”。
