无线智能仪表系统在石化罐区应用探索

庄文恩

（福建省联合石油化工有限工公司，福建泉州 362800）

无线智能仪表系统在石化罐区应用探索

庄文恩

（福建省联合石油化工有限工公司，福建泉州 362800）

采用智能无线现场仪表方案，将智能预测功能扩展到实际条件或经济等原因无法达到的领域，并以全新的视角拓展对工厂各个方面的监测。在介绍石化行业相关罐区仪表检测和监控状况和无线仪表的基本原理、适用范围的基础上，通过分析无线仪表实际应用情况提出解决措施，并对智能无线现场仪表的改造项目进行了探讨。

无线HART仪表；网关；刷新频率

1 现有罐区的现状

目前，石化行业的油品储运罐区存在着以下问题：

一方面储罐及其附属设备分布分散、距离远、难于适时巡检和维护；另一方面，随着石化行业的发展及其对安全环保要求的进一步提高，相应的对监测数据需求越来越多，同时企业的生产存在和仪表维护人员又相应减少。

特别是对于老的石化企业，其罐区不可避免的经过了多次改扩建，导致：现场的电缆槽盒架电缆基本上已经达到电缆装载上限、控制室的机柜、控制室电缆入口都很难满足现场监测要求，同时现有仪表机柜间I/O点也严重影响工艺操作人员不断对现场数据、设备状态监测需求增大；采用有线测量方案，就要重新架设电缆桥架并对机柜间实施改扩建，这又需面临现场的实际空间无法满足、工程费用较高、施工难度大。另外，电缆槽盒在罐区腐蚀较严重、电缆桥架大多在高空，也导致仪表维护难度和存在的风险增大、维护费用提高。

无线仪表的应用可以较好的解决上述问题。但由于无线信号的抗干扰问题，出于安全考虑，目前大量的应用还没有用于控制，只是作为对有线仪表的必要补充，实施监控。

2 无线仪表的基本原理和适用范围

2.1 无线HART仪表的基本原理

无线HAR通信是一种针对过程自动化应用的无线网状网络通信协议。其目的是让用户在保持现有设备、工具和系统一致性的基础上为HART协议增加无线功能。无线HART工作频率为2.4GHz宽带信道，该频道采用直接系列扩频技术和跳频技术来保证安全行和可靠性，并采用时分多址的同步、隐式报文控制通信技术进行网络设备通信。无线HART仪表就是采用无线网状网络通信协议，进行通信的现场测量设备。

无线HAR通信的基本性能：利用网状网络、跳频和时间同步通信等技术保证了无线抗扰能离，也可以与其他无线网络的共存；通过加密、验证、认证、关键词管理等保障网络通信的安全性和私密性；通过智能数据发布和其他技术提供高效能耗管理。

2.2 无线HART仪表合适的应用范围

无线Hart设备可用于控制和监控，但目前应用案例更多是采用保守技术去满足行业的保守需求，因此只强调监测领域的应用（如图1，表1）。

图1 监测领域的应用范围

表1 无线Hart设备和有线HART仪表主要差别

3 罐区应用探索

在某公司油品适应性改造项目中，新建储罐因离现有仪表机柜间距离远，采用有线仪表方案，需新增部分电缆桥架、控制室电缆入口、工程费用较高、施工周期长等原因。采用无线智能仪表方案，避免了长距离铺线、减少仪表辅助设备及安装、调试费用，如电缆、电缆桥架、电缆槽盒、接线端子、机柜及卡件等、减少维护工作量，同样可以具备有线（现场总线，HART）仪表的智能诊断、多参数传输、设备故障预测，达到前瞻性预知维修、维护，减少维护、巡检工作，提高仪表运行性能。同时，解决了现有有线仪表在工厂中的测控“盲点”难题，积累无线智能仪表实际应用中的故障处理、日常维护能力，安装及调试技术要求、抗干扰能力等经验。

3.1 罐区无线仪表基本结构

油罐区共有4台罐和两个泵房。两个泵房的泵出口压力、管线温度测量、地下污水池液位和4个罐的温度均采用无线仪表；罐区液位监控的重要性采用双雷达测量无线和有线方式：有线的信号进入SIS系统参与安全保护；无线仪表信号采用冗余无线网关进入DCS进行监控如图2。

3.2 无线仪表现场安装和调试

无线网关安装

●天线位置：天线应该被垂直放置，天线到任何大型建筑之间的距离应该大于1m，此为了保持仪表之间的畅通的无线通讯。

图2 系统结构示意图

●安装高度：为了获得理想的无线信号覆盖区域，无线网关或者远程天线最佳的安装高度为距离地面4.6～7.6m，或者高于障碍物以及主要建筑的基体2m。

●设备接地：网关外壳应按照国家和当地的电气规范进行接地。最有效的接地方法是直接连接到地面以使阻抗最小。将网关外部接地端子连接到地面。

无线变送器安装

●上电顺序

在智能无线网关安装并成功运行之前不能安装电池。所有的无线仪表的上电顺序应依照靠近无线网关的优先上电的顺序进行。此目的为了更加简单快捷的进行网络连接。使能网关上的Advertising 功能以确保新设备可以更快的加入网络。

●天线位置

请竖直放置天线，竖直向上或向下均可。天线到任何大型建筑的距离至少为1 m。

对于内置天线的变送器，电源模块置于向地面一侧。

系统参数设置

通过475手操器设置无线网关：

Network ID：2014

Join Key：12345678-00000000-00000000-00000000

设置刷新时间设为8S

通过475对无线仪表变送器组态：

设置变送器量程、位号、网络ID，并逐台安装变送器电池，通过密码认证后加入网络。

通过AMS进行数据监测、相关参数设置。

4 无线仪表实际应用情况和解决措施

经过两年多的实际运行中，无线仪表通信稳定性好、抗干扰能力强，通过设备管理系统AMS可以完成现场总线所具有的双向通信、多变量监测、故障分析和判断能力。现场仪表测量部分与有线仪表一致，减少电缆问题引起仪表故障和长期因电缆接口密封引起进水的到有效解决；具有较好增加和改造现场仪表功能；仪表安装方便，便于日常更换和维护。

典型的安全和控制测点的刷新频率要求为1s或更快，因这类测量点要求的刷新频率过高，无线仪表受电池等因素影响无法满足需要。无线仪表的电池寿命和刷新频率有关，刷新频率越高，电池寿命越短。只有在无线仪表要保证刷新频率符合测量要求的前提下，电池能够使用数年不需更换，如监测点、过程变化纯滞后大的测量参数中，建议刷新频率设置为过程变量变化频率的三倍。例如，测量热电偶中温度传感器的温度时建议刷新频率为16s，因为过程温度变化需要渗透热电偶然后才会传递到传感器，因此温度变化较慢。但是，如果无线仪表由外部供电，刷新频率可大大提高，如在4-20mA回路增加无线适配器（大母子），或无线仪表电池的更换不成问题时。

5 智能无线现场仪表在改造项目的展望

5.1 解决老罐区非智能仪表瓶颈，提高仪表自动化技术水平

目标：连续监控所有罐体的液位、压力、温度、阀门操作

当前的方法和挑战：储罐分布分散、距离远；监测数据需求越来越多；操作、维护人员减少；有线仪表方案工程费用较高、施工难度大、现场机柜空间有限；现场网络扩展难等。

无线智能解决方案：在原有的带HART仪表无法直接集成智能信息，增加无线智能适配器，可以将现有的有线Hart设备升级为无线设备，以无线设备获取以前不能获取的设备诊断信息和过程数据，用AMS设备管理系统软件实现全面设备管理。

5.2 常减压装置塔顶测量、分馏塔温度测量

目标：测量塔顶温度、压力；测量分馏塔温度监视分馏塔的效率

当前的方法和挑战：塔顶安装仪表、接线盒布线困难、维护困难、电缆长度长信号衰减大

无线智能解决方案：使用无线变送器实现压力、温度；测量分馏塔温度采用多点无线温度变送器

好处：减少维护成本；分馏塔内温度情况可以有效反映塔内效率，保持正确温度分布可以有效提高产品质量。

5.3 风机振动测量、次级关键转动设备的监测

目标：要避免马达、风机、泵、压缩机等“非关键设备但很重要”的旋转设备故障造成意外停车，通常这些设备的监测采用手提监测仪

当前的方法和挑战：如果人员到现场监测，机器又正好不在工作状态，对该设备的监测就会被漏掉；对这些次关键旋转设备安装永久振动检测仪，安装成本费用昂贵，显得不经济。

无线智能解决方案：采用无线振动监测变送器，可以检测轴承振动、温度等参数，安装简单方便、成本低廉。

好处：操作人员在中控室就可以监测到旋转设备的振动、温度异常，这些数据还可以存储在工厂历史事件库中，根据旋转设备的工作状况，可以提早做好检修计划，减少设备故障率。

5.4 安全阀运行状态监测

目标：快速了解异常工况

当前的方法和挑战：当发生异常工况时，安全阀跳，气体被送到火炬燃烧或排放，安全阀状态没有监测

无线智能解决方案：采用无线位置变送器可以监测安全阀实际开关状态，并将位置反馈信号送回中控室

好处：更清楚了解工艺问题、设备问题，及时处理，减少排放污染、节能降耗。

6 结束语

智能无线仪表的应用可以解决有些有线仪表无法达到的领域，包括对生产过程和设备的监测、工厂环境的管理。通过无线仪表对有线仪表的盲点的有效补充，当被监测设备发出预警信号时，可以主动去检查设备的运行状态，采取有效的维修维护，避免故障进一步恶化而影响生产，使得现场设备得到及时监测和管理，为实现智能工厂提供全面的、及时的设备运行数据。

[1] 方原柏. Wireless HART无线系统工程设计探讨[J]. 石油化工自动化，2011，47（4）：10-13.

Application of Wireless Intelligent Instrument System in Petrochemical Tank Area

Zhuang Wen-en

The intelligent wireless field instrumentation program is used to extend the intelligent forecasting function to the real conditions or the economic and other reasons that can not be achieved and to monitor the various aspects of the factory with a new perspective.Based on the introduction of the basic principle and scope of the instrument in the related areas of the petrochemical industry，this paper puts forward the countermeasures to analyze the practical application of the wireless instrument，and discusses the reconstruction project of the intelligent wireless fi eld instrument.

wireless HART instrument；gateway；refresh rate

TH811

：A

：1003–6490（2017）04–0122–02

2017–04–10

庄文恩（1971—），男，福建泉州人，技师，主要从事仪表维修工作。