海洋石油工業(yè)中無線HART的應(yīng)用展望

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經(jīng)過30余年的蓬勃發(fā)展，我國的海洋石油油氣產(chǎn)量已超過5000萬噸，保障了國家的能源安全，也使得我國的海洋石油工業(yè)得到了飛速的發(fā)展。在此期間，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)特別是HART儀表、分散式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線技術(shù)等都得到了廣泛的應(yīng)用，而且發(fā)揮了重要的作用。如今工業(yè)無線儀表技術(shù)作為工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的新興突破點(diǎn)和發(fā)展方向，逐步得到了重視和應(yīng)用，未來將具有廣闊的發(fā)展前景。

1工業(yè)無線技術(shù)的概述

工業(yè)無線技術(shù)相對于傳統(tǒng)的有線（常用的點(diǎn)對點(diǎn)、串行通訊技術(shù)）技術(shù)具有比較明顯的優(yōu)勢：

1）無線技術(shù)節(jié)省線纜、安裝成本，降低工作量。傳統(tǒng)有線方案的安裝成本一般為每英尺50到100美元[1]；如果是在惡劣工況，特別是有毒、高空、放射性等危險(xiǎn)的區(qū)域，費(fèi)用會(huì)更高。而使用工業(yè)無線儀表，此項(xiàng)費(fèi)用會(huì)節(jié)省約90%，同時(shí)會(huì)縮短項(xiàng)目的建造周期。另外，對于那些需要操作人員和維護(hù)人員到現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)和進(jìn)行相應(yīng)操作的工作，通過無線儀表自動(dòng)數(shù)據(jù)采集可以大大減少工作量。

2）無線技術(shù)便于后期的維護(hù)和擴(kuò)展。針對傳統(tǒng)有線儀表電纜的故障，首先要查找故障點(diǎn)，由于海洋平臺(tái)電纜歸集于專用的電纜橋架，電纜較多，查找工作非常困難；同樣對故障點(diǎn)的處理也相當(dāng)麻煩，還需要專用的連接頭。另外，如果后期增加儀表，需要額外鋪設(shè)新的電纜，工作量很大，特別是對于平臺(tái)最下層，工作量和難度很大。工業(yè)無線儀表則有無可比擬的優(yōu)勢，首先不存在線纜故障的可能性，擴(kuò)展時(shí)僅需要將無線儀表和網(wǎng)關(guān)對碼（地址）調(diào)通即可投用。

3）無線技術(shù)能有效降低能耗。有線儀表的能耗80%集中在線纜的損耗上，而無線儀表的能耗集中在儀表本身，相比而言能耗就顯得微不足道了。美國總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)在“面向21世紀(jì)的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出“工業(yè)無線技術(shù)能夠使工業(yè)生產(chǎn)率提高10%，并使排放和污染減少25%”[2]。

4）無線技術(shù)減少占用石油平臺(tái)的重量和空間，降低投資。工業(yè)無線儀表的使用將減少電纜的使用量，同時(shí)節(jié)省空間；另外較低的能耗意味著可以減小公用電站的規(guī)模及UPS容量，這些都能降低投資成本。

2目前國際上工業(yè)無線技術(shù)的主流標(biāo)準(zhǔn)

2.1Zigbee標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee首先由IEEE802.15工作組提出，它是一種低功耗、低速、低成本、短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。由于Zigbee適用于低速、數(shù)據(jù)流量較小的應(yīng)用場合，主要針對家庭自動(dòng)化、遙測遙控、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理及物流管理領(lǐng)域，規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用尚未見報(bào)道。

2.2無線hart標(biāo)準(zhǔn)

2004年起，HCF（HARTcommunicationfoundation）宣布開始制定無線HART標(biāo)準(zhǔn)，作為HART現(xiàn)場通訊協(xié)議第7版HART7.0的核心部分，無線HART標(biāo)準(zhǔn)與所有符合hart協(xié)議的儀表和設(shè)備一樣，都向后兼容現(xiàn)有的hart設(shè)備和應(yīng)用。由于此前HART儀表在工業(yè)生產(chǎn)的廣泛應(yīng)用，因此在行業(yè)中具有重要的影響力，吸引了包括Emerson、ABB、Siemens、DustNetworks等著名的過程控制供應(yīng)商的支持和響應(yīng)。

2.3ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)

ISA100.11a由國際自動(dòng)化學(xué)會(huì)（ISA）下屬的ISA100工業(yè)無線委員會(huì)制定，該標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性、魯棒性、與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的互操作性等，其定義的工業(yè)無線設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、無線手持設(shè)備等現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)希望工業(yè)無線設(shè)備以低復(fù)雜度、合理的成本和低功耗、適當(dāng)?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)速率去支持工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。ISA100.11a最大的特點(diǎn)是在理論上想要實(shí)現(xiàn)的是，通過簡單的無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠支持多種協(xié)議：HART，Profibus，Modbus，F(xiàn)F等，因此兼容性非常強(qiáng)大，以滿足工業(yè)自動(dòng)化的多種不同的應(yīng)用需求。但是由于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)使用自然語言描述，并涉及很多廠家的關(guān)鍵技術(shù)，特別是專利，勢必形成技術(shù)壁壘，因此遵循者對于協(xié)議的不同理解會(huì)導(dǎo)致不同的協(xié)議實(shí)踐，甚至有時(shí)會(huì)是導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。因此，ISA100標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一是所有產(chǎn)品必須通過嚴(yán)格的一致性、互操作性等測試和認(rèn)證，從而滿足兼容性的要求。

3日趨成熟的無線HART技術(shù)

3.1無線HART的理論技術(shù)基礎(chǔ)

無線HART是一種專門為過程自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，它采用工作于2.4GHzISM射頻頻段，具有安全、穩(wěn)健的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將所有信息打包在一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)通過直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和跳頻技術(shù)（FHSS）、時(shí)分多址（TDMA）同步、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。為了遵循國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）開放互連（OSI）參考模式及向前兼容HART標(biāo)準(zhǔn)，HART基金會(huì)HCF采用了IEEE802.15.4物理層，并制定單獨(dú)的MAC層及其以上的協(xié)議。無線HART通信協(xié)議棧包括物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層及應(yīng)用層[3]。

3.2無線HART結(jié)構(gòu)

無線HART結(jié)構(gòu)是按照易于使用、可靠以及與無線傳感器網(wǎng)格型協(xié)議相兼容。它強(qiáng)制規(guī)定所有的兼容設(shè)備必須支持可無操作性，這就是說不同廠家提供的無線HART儀表和設(shè)備，無需進(jìn)行系統(tǒng)操作就能互換，即連即用。另外，無線HART兼容HART的核心技術(shù)，比如HART的命令結(jié)構(gòu)和設(shè)備語言描述DDL。無線HART規(guī)定了三種主要的網(wǎng)絡(luò)要素：無線HART現(xiàn)場設(shè)備、無線HART網(wǎng)關(guān)和無線HART網(wǎng)路管理器。還支持無線HART適配器，以便將現(xiàn)有的HART設(shè)備接入無線HART網(wǎng)絡(luò)；以及無線HART手持設(shè)備，以便就近接入相鄰的無線HART設(shè)備

3.3無線HART特點(diǎn)

3.3.1HART協(xié)議基礎(chǔ)深厚、應(yīng)用廣泛據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上約20%的工業(yè)儀表采用HART協(xié)議。無線HART能與原有儀表和控制系統(tǒng)完全兼容，而且通訊的使用和調(diào)試非常方便，只要是基于HART的設(shè)備、工具、培訓(xùn)、應(yīng)用軟件和工作流程都可繼續(xù)保留使用。這對于原來的HART設(shè)備用戶而言，將節(jié)省大量投資。

3.3.2支持無線HART的供應(yīng)商不斷的產(chǎn)品化先以Emerson為例，據(jù)Emerson介紹，從壓力、流量、液位、溫度、振動(dòng)、pH測量等各類儀表變送器到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及其他無線HART兼容產(chǎn)品，從AMS預(yù)測性維護(hù)資產(chǎn)管理軟件到375種現(xiàn)場通訊設(shè)備，乃至DeltaV和Ovation數(shù)字化系統(tǒng)的純無線設(shè)備監(jiān)控界面[4]。

3.3.3無線HART技術(shù)開放性、兼容性比較好無線HART能夠完全向前兼容HART，這就決定了其開放性、兼容性較其他標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢明顯。

3.3.4自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不僅能自動(dòng)搜尋信號(hào)最佳路徑，而且在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備都能作為路由器用于轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的報(bào)文，例如臨時(shí)出現(xiàn)某個(gè)障礙物擋住了通訊路徑，鄰近的無線儀表可作為路由器繼續(xù)傳遞信號(hào)；如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)會(huì)切換到其他冗余的通訊路徑，通過以上這些方法保持信號(hào)的暢通，從而可使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃赃_(dá)到99%以上。

3.4無線HART的應(yīng)用原則

首先確定無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)要應(yīng)用在某一個(gè)過程單元或區(qū)域，需要該單元或區(qū)域的比例圖，例如尺寸標(biāo)準(zhǔn)明確的設(shè)備總布置圖。然后根據(jù)相應(yīng)原則在比例圖上標(biāo)出所需安裝的無線儀表。

4無線HART儀表在海洋石油工業(yè)的應(yīng)用分析

目前采用無線HART的工業(yè)無線儀表技術(shù)已比較成熟，而且在國外的石油、石化行業(yè)，特別是在海洋石油平臺(tái)上已多見應(yīng)用，且應(yīng)用效果比較理想。但在我國的海洋石油工程中，無線HART儀表的規(guī)?；瘧?yīng)用尚屬空白。而目前我國海洋石油平臺(tái)、FPSO上廣泛應(yīng)用了HART儀表，控制系統(tǒng)軟件中也多繼承了HART協(xié)議管理包。無線HART完全向前兼容HART，這就使得無線HART的應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢?？紤]到石油平臺(tái)、FPSO對監(jiān)控要求比較高，特別是油氣生產(chǎn)的安全、可靠性要求非?？量?。因此個(gè)人認(rèn)為，無線HART儀表的應(yīng)用應(yīng)該分為三個(gè)階段。

4.1已有平臺(tái)改造時(shí)少量試驗(yàn)

目前海洋石油平臺(tái)、FPSO廣泛采用HART儀表且配置了HART軟件包的控制系統(tǒng)，因此在后期改造流程時(shí)，可以適當(dāng)嘗試無線HART儀表的使用，并注意對使用中的問題和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，并和相關(guān)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行交流和反饋。

4.2小型無人井口、井口平臺(tái)小規(guī)模應(yīng)用

針對小型無人井口、井口平臺(tái)控制規(guī)模小，可以采用無線HART儀表完成監(jiān)控功能，而減少電纜敷設(shè)量，降低投資成本。

4.3新建生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)模應(yīng)用

在前兩個(gè)階段的基礎(chǔ)上，借鑒國外成功項(xiàng)目，選擇技術(shù)實(shí)力雄厚的儀表和系統(tǒng)廠家，可以考慮在新建平臺(tái)、FPSO進(jìn)行規(guī)?；臒o線HART儀表的應(yīng)用，這樣無線儀表在節(jié)約投資、降低能耗、便于擴(kuò)展等方面的優(yōu)勢會(huì)更加明顯，同時(shí)也提升了我國海洋石油工業(yè)的自動(dòng)化水平。

5結(jié)束語

目前，無線HART儀表還只是應(yīng)用于過程控制系統(tǒng)的監(jiān)控中，因?yàn)楫吘咕o急停車系統(tǒng)關(guān)系著整個(gè)工藝生產(chǎn)安全的重任，沒有嚴(yán)格的SIL等級(jí)認(rèn)證和成功的應(yīng)用案例，無線HART儀表還無法完全替代有線（點(diǎn)對點(diǎn)）儀表。另外，高耗能儀表，例如電磁、超聲流量計(jì)等類似儀表的供電問題也是制約無線HART儀表發(fā)展的一個(gè)瓶頸。但值得期待的是，隨著WirelessHart技術(shù)的完善和更加成熟后，完全替代有線儀表的無線HART儀表必將具有廣闊的應(yīng)用前景，而且也將給儀表行業(yè)帶來一次全新的革命。

作者：金海洋 王偉杰 仇長明 單位：海洋石油工程股份有限公司 天津修船技術(shù)研究所