WIA-PA 技術(shù)在儀表數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

0 引言

很多傳統(tǒng)的煉化工廠儀表點(diǎn)數(shù)多，在日常生產(chǎn)中大部分尚采用人工抄表的方式獲取計(jì)量數(shù)據(jù)，分布較分散，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性差，工人抄表工作量大，人身安全無法保障。接入 DCS 難度較大，成本較高，占能源介質(zhì)計(jì)量?jī)x表較大比例的都是有線儀表，缺少有效的技術(shù)解決手段；而且換表投資較大，工程量也非常大，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。非及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)嚴(yán)重影響企業(yè)的能源結(jié)算、平衡等精細(xì)化管理，制約企業(yè)的能源管理等智能化工作開展，因此獲取底層準(zhǔn)確及時(shí)的數(shù)據(jù)成為制約企業(yè)智能化建設(shè)的瓶頸。本文通過建設(shè)基于 WIA-PA 的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)計(jì)量表信號(hào)上傳方式進(jìn)行改造，并建立計(jì)量信息化數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全廠范圍內(nèi)計(jì)量?jī)x表的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，計(jì)量結(jié)算報(bào)表智能化等業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)計(jì)量工作自動(dòng)結(jié)算，平衡計(jì)算、能源監(jiān)控與評(píng)估預(yù)警、跑冒滴漏預(yù)警等功能需求，同時(shí)，打通數(shù)據(jù)采集軟件與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫之間的通道，為企業(yè)能源平衡與精細(xì)化、智能化計(jì)量生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，也為企業(yè)未來智能工廠建設(shè)提供底層的數(shù)據(jù)支撐。

1 WIA-PA 技術(shù)

面向工業(yè)過程自動(dòng)化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)（Wireless Network for Industrial Automation-Process Automation，WIA-PA）是由中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。2011 年，WIA-PA 技術(shù)經(jīng)國(guó)際電工委員會(huì) IEC 投票通過，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是我國(guó)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性大于 99%，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)小于 10 s，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備依靠電池供電可工作五年以上,主要性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

WIA-PA 無線局域網(wǎng)絡(luò)由 WIA 網(wǎng)關(guān)與 WIA-PA 無線采集終端構(gòu)成，如圖 1 所示。WIA-PA 無線采集終端可以是集成 WIA-PA 無線適配器的工業(yè)測(cè)控儀表，也可以是 WIA-PA 無線通信模塊的 WIA-PA 無線儀表以及 RTU 等具有 WIA-PA 無線通信功能的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。WIA 無線網(wǎng)絡(luò)遵循 WIA-PA 無線通信協(xié)議，滿足工業(yè)自動(dòng)化的高可靠性，高穩(wěn)定性，高實(shí)時(shí)性，安全，靈活的技術(shù)要求。

WIA-PA 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)采用分層的自組織模式，集中與分布相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使得動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的管理效率提高了 80% 以上。WIA-PA 無線網(wǎng)絡(luò)采用自適應(yīng)跳頻的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，采用了多路徑 MESH 路由的網(wǎng)絡(luò)策略提高了系統(tǒng)的通信可靠性。WIA-PA 無線網(wǎng)絡(luò)采用全網(wǎng) TDMA 模式，分時(shí)接收，分時(shí)發(fā)送，設(shè)備在各自時(shí)隙內(nèi)完成通信，保證通信時(shí)無沖突，端到端通信時(shí)延低于 1 s。針對(duì)無源的工作條件，WIA-PA 無線網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備硬件設(shè)計(jì)上采用了低功耗器件，軟件設(shè)計(jì)中融入了基于高精準(zhǔn)時(shí)間同步技術(shù)的休眠喚醒機(jī)制。而且網(wǎng)絡(luò)中加入了加密、認(rèn)證、通信驗(yàn)證、密鑰管理、攻擊識(shí)別等多級(jí)安全技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

1.2 應(yīng)用架構(gòu)

針對(duì)煉化企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用 WIA-PA 技術(shù)能夠應(yīng)用于工廠過程監(jiān)測(cè)，智能儀表設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，生產(chǎn)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)，人員智能巡檢，危險(xiǎn)視頻監(jiān)測(cè)，能源與物料管理等幾個(gè)方面。

（1）在工廠過程監(jiān)測(cè)方面，基于 WIA-PA 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化儀表、生產(chǎn)設(shè)備的智能化以及在線監(jiān)測(cè)。目前工廠內(nèi) 88% 的維護(hù)管理工作時(shí)計(jì)劃性或者響應(yīng)式開展的，時(shí)效性差，冗余工作多。眾所周知，設(shè)備的故障發(fā)生都是有潛在周期的，將 WIA-PA 技術(shù)融入工廠過程監(jiān)測(cè)中，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，在故障發(fā)生前通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，減少故障損失，提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性，減少不必要的巡檢與檢修，提高生產(chǎn)效率。

（2）在智能儀表在線監(jiān)測(cè)方面，通過 WIA-PA 無線適配器能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)智能儀表的無線化信息遠(yuǎn)傳、配置與故障診斷。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中有 2×107 塊 HART 儀表僅使用 4～20 mA 模擬信號(hào)進(jìn)行信息遠(yuǎn)傳，HART 儀表的實(shí)時(shí)狀態(tài)、診斷信息以及多變量的過程信息難以在線獲取，通過 WIA-PA 無線適配器與傳統(tǒng)智能儀表的無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)智能儀表的真正智能化。WIA-PA 無線適配器通過儀表上的格蘭口固定，通過 4～20 mA 模擬信號(hào)源獲取工作電源，安裝靈活方便。

2 數(shù)據(jù)采集改造方案

在計(jì)量表完好的計(jì)量點(diǎn)安裝 WIA-PA 無線適配器（安裝無線儀表適配器、具有 RS-485/AI/PI 接口儀表安裝無線 IO、具有 HART 接口的儀表安裝無線 HART 適配器），部分計(jì)量點(diǎn)無計(jì)量表或計(jì)量表故障的需配備計(jì)量表后安裝無線適配器，在車間或中控室屋頂附近安裝無線網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行區(qū)域無線覆蓋并接入工廠局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量?jī)x表的無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。

在信息檔案管理中心服務(wù)器安裝部署數(shù)據(jù)采集軟件，管理人員可在局域網(wǎng)內(nèi)通過授權(quán) Web 化訪問數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、顯示、分析、自動(dòng)結(jié)算、平衡計(jì)算等自動(dòng)化、可視化、精細(xì)化的計(jì)量管理工作,同時(shí)，打通數(shù)據(jù)采集軟件與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)通道，并將數(shù)據(jù)推入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理與并行應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。其架構(gòu)為三個(gè)層次，首先 WIA-PA 無線適配器與現(xiàn)場(chǎng)智能流量計(jì)通過 HART 接口連接，WIA-PA 無線儀表適配器通過傳感器與計(jì)量?jī)x表連接，WIA-PA 無線 IO 適配器通過雙絞線與具有 RS-485 口的智能儀表連接，WIA-PA 無線適配器（無線儀表適配器、無線 IO）將計(jì)量?jī)x表采集的數(shù)據(jù)上傳到 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層；其次 WIA 無線網(wǎng)關(guān)通過工廠局域網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)服務(wù)器。最上層是控制中心應(yīng)用系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)集中顯示、綜合分析，并推送至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

WIA-PA 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)主要由 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)、WIA-PA 無線適配器、WIA-PA 無線水表適配器、WIA-PA 無線 IO 適配器、WIA-PA 中繼設(shè)備構(gòu)成，并以不同地理區(qū)域劃分組建現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。其中 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)用于管理現(xiàn)場(chǎng) WIA-PA 無線適配器、WIA-PA 無線水表適配器、中繼節(jié)點(diǎn)，同時(shí)匯集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換上傳工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，WIA-PA 無線適配器主要用于現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)傳，無線適配器經(jīng)由 Hart 接口將現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)提取并遠(yuǎn)傳到 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，WIA-PA 無線水表適配器主要用于現(xiàn)場(chǎng)旋翼式水表的數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳，無線水表適配器通過傳感器將旋翼式水表數(shù)據(jù)提取并遠(yuǎn)傳到 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，對(duì)于不可視距建筑遮擋嚴(yán)重的應(yīng)用場(chǎng)景，利用WIA-PA中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)盲點(diǎn)的數(shù)據(jù)跳傳功能[2]。

主干傳輸網(wǎng)絡(luò)由工廠局域網(wǎng)完成，WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備與其通過 RJ45 網(wǎng)口連接，將匯集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,構(gòu)建了廠區(qū)混合傳輸網(wǎng)絡(luò)。

管理與接入軟件主要通過軟件，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)接入計(jì)量與優(yōu)化系統(tǒng)，為煉廠生產(chǎn)加工，精細(xì)計(jì)量，優(yōu)化分析提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。為現(xiàn)場(chǎng)工人智能抄表提供便捷途徑，節(jié)約儀表抄錄工作量。

3 結(jié)語

該方案的實(shí)施可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量表數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，傳輸，數(shù)據(jù)可接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)計(jì)量表的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，報(bào)表生成，自動(dòng)結(jié)算，平衡計(jì)算，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線跑冒滴漏、計(jì)量表故障等異常情況，為企業(yè)能源平衡與精細(xì)化計(jì)量提供技術(shù)支撐。與有線方式實(shí)現(xiàn)相比，大大節(jié)省成本及施工費(fèi)用，施工周期縮短三分之二以上，節(jié)約了計(jì)量成本，降低了計(jì)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了計(jì)量人員的人身安全,推進(jìn)了智能工廠與信息化的建設(shè)。