張 成，高 楊

（蘭州石化分公司自動化研究院，蘭州 730060）

0 引言

隨著社會科技的不斷發(fā)展和國際形勢的不斷變化，石化企業(yè)所面臨的形勢和挑戰(zhàn)不斷加劇，企業(yè)要想在激烈的競爭中勝出就要不斷改進(jìn)管理模式，升級管理手段，而底層數(shù)據(jù)是管理決策的依據(jù)。老舊企業(yè)計量數(shù)據(jù)的自動采集改造是老舊石化企業(yè)所面臨的巨大挑戰(zhàn)［1］。

1 基于WIA-PA 的無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用——以中國石油蘭州石化公司為例

1.1 項目背景

中國石油蘭州石化公司（以下簡稱“蘭州石化”）是中國石油天然氣股份有限公司的地區(qū)分公司，前身是國家“一五”時期的重點項目蘭州煉油化工總廠（以下簡稱“蘭煉”）和蘭州化學(xué)工業(yè)公司（以下簡稱“蘭化”）。由于歷史原因，部分計量儀表分布較散，數(shù)據(jù)只能靠人工去現(xiàn)場完成采集，在數(shù)據(jù)采集和管理方面存在一定的難度。為提升計量數(shù)據(jù)自采率，公司采取各種技術(shù)改造措施，但部分計量儀表距離各計量點操作室較遠(yuǎn)，且安裝分散，按照常規(guī)信號引入方式需要對儀表系統(tǒng)進(jìn)行接口改造，而中間接線盒、控制室設(shè)備、儀表電纜、保護(hù)管以及槽盒橋架安裝的施工成本巨大，實施難度較大。

無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)與常規(guī)信號引入方式相比，可以節(jié)省前期技術(shù)設(shè)計、儀表系統(tǒng)接口改造、中間接線盒及控制室設(shè)備安裝、大量儀表電纜、穿線鋼管和槽盒橋架的安裝以及現(xiàn)場施工人員的人力成本等費用［2］。

目前，國際上在使用的面向工業(yè)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范主要有Wireless HART、ISA100（11.a）和WIA-PA 標(biāo)準(zhǔn)，分別為美國艾默生公司、美國霍尼韋爾公司和中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)。在市場競爭力方面，WIA-PA 技術(shù)規(guī)范的通信距離較遠(yuǎn)，室內(nèi)＜300 m，室外＜1 000 m。艾默生公司和霍尼韋爾公司的同類設(shè)備價格是國內(nèi)的3～5 倍，因此WIA-PA 技術(shù)產(chǎn)品具有一定的價格優(yōu)勢。本項目采用的是中科院沈陽自動化研究所自主研發(fā)的WIA-PA設(shè)備。

1.2 項目意義

通過本項目的實施，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用基于WIA-PA的工業(yè)無線技術(shù)，對生產(chǎn)過程中的計量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，通過無線技術(shù)進(jìn)行傳輸、存儲后進(jìn)一步分析深化應(yīng)用的系統(tǒng)，實現(xiàn)儀表流量的實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析。一方面，其可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程中汽油、潤滑油流量數(shù)據(jù)的實時準(zhǔn)確計量，便于管理者對關(guān)鍵生產(chǎn)節(jié)點的考核評估，避免出現(xiàn)生產(chǎn)過程中流量不平衡、描述不清的問題，為石化行業(yè)精細(xì)生產(chǎn)提供支撐；另一方面，有效展示了WIA-PA 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)在石化行業(yè)的應(yīng)用效果，推動了WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)在化工廠的普及。

1.3 項目目標(biāo)

通過符合WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)、WIA-PA 中繼以及WIA-PA 無線適配器等裝置，蘭州石化公司擬搭建基于WIAPA 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的化工廠油料數(shù)據(jù)采集物聯(lián)網(wǎng)搭建應(yīng)用管理平臺，以實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計匯總、綜合分析功能，實現(xiàn)從采集層、傳輸層、應(yīng)用層對油料流量數(shù)據(jù)自動采集、無線傳輸、實時分析，從而有效提高生產(chǎn)效率。具體目標(biāo)如下：①針對公司汽油、潤滑油、水表流量計量需求，部署無線采集點采集質(zhì)量流量計的流量數(shù)據(jù)；②部署工業(yè)自動化無線網(wǎng)絡(luò)（Wireless Networks for Industrial Automation，WIA），在質(zhì)量流量計上安裝WIA 無線適配器，通過WIA 采集數(shù)據(jù)并接入企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)回傳數(shù)據(jù)；③部署應(yīng)用服務(wù)器，收集回傳數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并安裝無線計量與設(shè)備管理軟件平臺，供相關(guān)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

1.4 實施范圍

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實施范圍包括數(shù)臺流量計和機(jī)械式水表。

1.5 重點技術(shù)及指標(biāo)

本項目主要應(yīng)用WIA-PA 無線網(wǎng)關(guān)技術(shù)。WIA-PA 體系是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)、符合我國國情的一種工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)體系，是一種面向工業(yè)過程的自動化工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，WIA-PA 標(biāo)準(zhǔn)是由中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對過程自動化領(lǐng)域制定的WIA 子標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于工業(yè)過程數(shù)據(jù)測量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

本項目的主要技術(shù)指標(biāo)必須達(dá)到如下要求：數(shù)據(jù)采集周期最短為1 s，最長為120 s；數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率100%；通信鏈路傳輸穩(wěn)定性≥98%。

2 無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)方案

本項目系統(tǒng)總體架構(gòu)從下往上分為現(xiàn)場采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及應(yīng)用層3 層。最底層是數(shù)據(jù)采集層，將已有的質(zhì)量流量計使用可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer，HART）接口與WIA-PA 無線適配器建立連接，再通過WIA-PA 無線適配器把采集到的實時數(shù)據(jù)上傳至WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)，形成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集層；中間層是網(wǎng)絡(luò)傳輸層，通過WIA-PA 網(wǎng)關(guān)接入企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；最上層為面向用戶的應(yīng)用層即Web 層，承擔(dān)著人機(jī)交互的作用，對采集到的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)集中進(jìn)行展示、統(tǒng)計分析以及報表生成等［3］。

2.1 WIA-PA 無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳涉及的設(shè)備

項目中用到的設(shè)備包括WIA-PA 無線網(wǎng)關(guān)和適配器兩種。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備類型和應(yīng)用場景使用3 種適配器，即外接電源的WIA-PA 無線適配器、內(nèi)置電池的WIA-PA 無線IO 適配器以及專供水表使用的無線水表適配器。

WIA 無線網(wǎng)關(guān)是應(yīng)用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)議的短程無線通信設(shè)備，需要外部電源供電，工作頻段為2.4 GHz（基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4），是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理、調(diào)度和優(yōu)化，管理通信參數(shù)，調(diào)配通信資源和路由，監(jiān)測控制網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)，保障各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的正常通信［4］。

WIA-PA 無線適配器是一種以無線WIA-PA 方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膫鞲衅髟O(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集由有線傳輸向無線傳輸?shù)谋憬菘焖俎D(zhuǎn)換。WIA 無線IO 適配器是另外一種可以遠(yuǎn)程設(shè)定工作參數(shù)并讀取現(xiàn)場已部署設(shè)備的狀態(tài)信息，通過無線傳輸?shù)腤IA產(chǎn)品。該設(shè)備可以通過RS485、數(shù)字量輸入（Digital Inputs，DI）、模擬量輸入（Analogy Input，AI）等接口方式采集現(xiàn)場已有有線設(shè)備的信息及數(shù)據(jù)等。WIA-PA 無線水表適配器對普通旋翼水表安裝磁性指針和傳感器，通過設(shè)備流程集成（Process Integration，PI）接口采集傳感器信號，從而獲取旋翼式水表流量值。它具有遠(yuǎn)程通信功能和自檢告警功能，前者實現(xiàn)現(xiàn)場有線設(shè)備狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程傳送、讀取和工作參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定，后者則包括射頻模塊自檢、電池電量低告警等功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依托蘭州石化骨干網(wǎng)絡(luò)，連接生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）、計量管理平臺以及各客戶機(jī)。系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器模（Browser/Server，B/S），系統(tǒng)登錄方式為獨立登錄，以確保數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全。

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計

蘭州石化無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)在中心機(jī)房共架設(shè)管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。架設(shè)在管理服務(wù)器上層的應(yīng)用管理平臺采用B/S架構(gòu)。管理服務(wù)器應(yīng)用管理平臺使用B/S 架構(gòu)，允許用戶通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程Web 訪問，無須安裝客戶端，通過瀏覽器即可進(jìn)行訪問。Web 服務(wù)器通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器訪問WIA 網(wǎng)關(guān)，定時采集各設(shè)備的實時數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲管理；根據(jù)各設(shè)備所支持的傳輸協(xié)議的不同，采集不同類型的設(shè)備信息［5］。

應(yīng)用管理平臺的功能包括設(shè)備基礎(chǔ)信息、無線網(wǎng)絡(luò)鏈路信息、設(shè)備的實時狀態(tài)信息的管理及查詢。根據(jù)這些信息的不同，軟件開發(fā)人員開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理與后臺管理4大功能。①遠(yuǎn)程監(jiān)控主要負(fù)責(zé)管理已部署設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集，包括設(shè)備名稱、儀表類型、數(shù)值、數(shù)值類型以及單位。這些數(shù)據(jù)分為實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩種，相關(guān)人員可按自定義時間段查詢各數(shù)據(jù)的變化曲線。同時，監(jiān)控主頁面還顯示全部已安裝設(shè)備節(jié)點的位置示意圖，其中包括安裝位置、節(jié)點之間的距離等信息。在數(shù)據(jù)的變化曲線展示工具欄中，平臺可提供多種形式供用戶進(jìn)行分析使用。②設(shè)備管理。設(shè)備管理界面為用戶提供了設(shè)備的狀態(tài)信息，主要顯示設(shè)備的實時狀態(tài)、運行時長等信息，允許用戶根據(jù)實際情況對設(shè)備列表進(jìn)行增刪改等操作，當(dāng)用戶填寫正確的設(shè)備信息后，程序?qū)詣影凑张渲眯畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。③網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理主要負(fù)責(zé)管理設(shè)備群組的實時網(wǎng)絡(luò)通信狀況，以拓?fù)鋱D形式、列表形式以及日志形式等進(jìn)行展示。④后臺管理。后臺管理主要是對用戶的權(quán)限進(jìn)行分配、對用戶的登錄及操作進(jìn)行管理。

3 結(jié)語

基于WIA-PA 的工業(yè)無線數(shù)據(jù)采集的實施應(yīng)用，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集、上傳和存儲。其與MES、計量管理平臺的無縫集成，一方面有效展示了WIA-PA 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在石化行業(yè)的應(yīng)用效果，推動了WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)在化工廠的普及；另一方面，通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決了分布較散、傳統(tǒng)方式布線困難或成本太高的自動采集難題，避免了井下人工抄表存在安全隱患的難題。通過自動采集，相關(guān)人員可以及時發(fā)現(xiàn)流量不平衡的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，輔助生產(chǎn)工藝優(yōu)化，有效提高生產(chǎn)效率，為石化行業(yè)精細(xì)生產(chǎn)提供支撐。