智能無線技術(shù)在海上油田的應用

許曉英 （天津修船技術(shù)研究所 天津300456）

金秀北 （天津信達自動化工程有限公司 天津300457）

智能無線技術(shù)在海上油田的應用

許曉英 （天津修船技術(shù)研究所 天津300456）

金秀北 （天津信達自動化工程有限公司 天津300457）

過程工業(yè)的現(xiàn)場設備向數(shù)字化、網(wǎng)絡化的變遷是過程控制領(lǐng)域的必然趨勢。針對“友誼號”改造提出了智能無線技術(shù)，主要介紹了智能無線技術(shù)的原理及特點，并進一步介紹了無線技術(shù)在海上油田的應用。

智能無線技術(shù) 自組織網(wǎng)絡 解決方案 網(wǎng)關(guān) 路由器

0 引言

過程工業(yè)的現(xiàn)場設備向數(shù)字化、網(wǎng)絡化的變遷是過程控制領(lǐng)域的必然趨勢。現(xiàn)場總線技術(shù)具有節(jié)約布線費用、操作靈活、可實現(xiàn)網(wǎng)絡管理、可實現(xiàn)互操作等優(yōu)點，因此近年來在各行各業(yè)得到廣泛應用。但是最新的研究表明如果所需敷設電纜不超過250 m，連接點數(shù)小于500點，那么無線儀表的安裝成本比Foundation現(xiàn)場總線方案還要低。如果高于這個指標，現(xiàn)場總線方案會比無線方案更省錢。這就說明在寸土寸金的海上油田應用可以綜合利用這些技術(shù)。

1 工程背景

在BZ28-2S工程項目中，BZ29-4平臺需要把天然氣經(jīng)“友誼號”輸送到龍口終端。這次SPM單點改造工程是增加兩條輸氣海管到SPM，對于新增控制設備，需要通過單點滑環(huán)連接到“友誼號”控制系統(tǒng)內(nèi)，但是單點滑環(huán)容量已滿，已無備用通道。以往傳統(tǒng)解決方案是通過設立遠程控制單元（Remote control unit）+微波通訊器的方案，其結(jié)構(gòu)如圖1。

采用這種解決方案，需要單點現(xiàn)場有足夠的空間放置RTU控制機柜，并為其搭建符合防爆防護等級要求的恒溫空間，同時還要提供穩(wěn)定的供電電源。但在多數(shù)FPSO或單點上，并無足夠的空間和穩(wěn)定的電源供遠程控制單元使用，同時改造時需新增的控制點一般很少，此方案工程造價也很高且設備利用率低。因此，上述方案并不適合解決此類問題。

經(jīng)過多方面的考慮和大量論證，最終選用了一種創(chuàng)新的解決方案，即智能無線技術(shù)方案，盡管無線技術(shù)在歐美國家已廣泛應用，但是國內(nèi)海上油田還是第一次使用項目組比較慎重。本次采用了ROSEMOUNT公司生產(chǎn)的無線智能變送器和配套網(wǎng)關(guān)，構(gòu)成監(jiān)控工藝狀況的無線網(wǎng)絡，來滿足工程項目的儀表控制要求。其結(jié)構(gòu)如圖2。

2 網(wǎng)絡架構(gòu)

目前無線技術(shù)應用于工業(yè)控制的技術(shù)方案主要有兩類，即通過無線儀表本身路由或通過節(jié)點路由。其中WirelessHART標準的無線網(wǎng)絡，就是依靠無線變送器本身路由來實現(xiàn)的；而ISA 100工業(yè)無線標準的整個無線網(wǎng)絡是依靠節(jié)點路由來實現(xiàn)的。本工程項目中采用了第一種，即無線變送器本身作路由。

WirelessHART標準的無線網(wǎng)絡可分為兩層：第一層是現(xiàn)場無線設備之間的自組織網(wǎng)絡（self organizing network），這些設備以自我組織的、智能化的方式與網(wǎng)關(guān)（gateway）通訊。第二層就是網(wǎng)關(guān)和主機系統(tǒng)之間的無縫式通訊。這個主機系統(tǒng)可以是如DCS，PLC，或類似于設備管理和維護的工作站等。

自組織無線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場無線設備和主機系統(tǒng)之間的無縫式通訊，詳見圖3。

2.1 自組織網(wǎng)絡（Self Organizing Network）

在自組織無線網(wǎng)絡中，每一臺現(xiàn)場設備都是其他鄰近設備的路由器，它們接力傳遞數(shù)據(jù)，直到這些數(shù)據(jù)通過智能無線網(wǎng)關(guān)，到達控制室。

現(xiàn)場設備之間的無線通訊物理層協(xié)議，采用2.4 GHz的世界公用頻段（ISM，2 400～2 482.4 MHz），直接序列擴頻技術(shù)（DSSS）和跳頻技術(shù)（FHSS）。無需重新組態(tài)或人工介入，設備可以自動跳頻。無線通訊的鏈路層（Link Layer）符合IEEE 802.15.4工業(yè)無線通訊標準。

無線通訊網(wǎng)絡的架構(gòu)保證了可靠通訊，容易使用。現(xiàn)場設備支持HART協(xié)議，現(xiàn)場設備之間的通訊也是非常安全，數(shù)據(jù)包采用AES-128位的行業(yè)標準加密技術(shù)，每臺設備通訊時必須由密碼保護，設備加入某一個網(wǎng)絡也必須由密碼確認等。詳見圖4。

2.2 網(wǎng)關(guān)與主機系統(tǒng)如DCS的數(shù)據(jù)通訊

無線設備的數(shù)據(jù)通過智能無線網(wǎng)關(guān)集成到主機系統(tǒng)（如DCS、PLC、及工作站）中。網(wǎng)關(guān)安裝在戶外，提供至少2個Ethernet 10baseT以太網(wǎng)標準通訊接口：分別為同主機系統(tǒng)的通訊和現(xiàn)場維護之用，同主機系統(tǒng)的通訊是OPC和Modbus TCP/IP。網(wǎng)關(guān)傳輸所有的 HART數(shù)據(jù)（PV、SV、TV、QV）及相關(guān)設備信息。

3 無線技術(shù)的特點

上位機組態(tài)方便，無專用軟件，IE瀏覽器組態(tài)界面友好，人機交互性強，支持Modbus、OPC等多種通訊協(xié)議，以無線方式實現(xiàn)與監(jiān)控系統(tǒng)的無縫式通訊。無線網(wǎng)關(guān)主動搜索并自動調(diào)整無線網(wǎng)絡以適應無線設備的增加或減少，同時網(wǎng)關(guān)可管理并選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂健２捎门c相應有線變送器相同的檢測元件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，保證工藝數(shù)據(jù)來源可靠。在數(shù)據(jù)傳輸上，它采用時間同步技術(shù)，以此保證數(shù)據(jù)傳輸實時可靠，能夠以99%以上的通訊可靠性實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控；能夠確保工業(yè)級的安全，以及不干擾其他任何現(xiàn)有系統(tǒng)。節(jié)省材料成本，不需要敷設電纜、不需要橋架，不需要接線盒、機柜和I/O卡件，不需要接線，不需要開挖或打開電纜溝及橋架，能夠節(jié)省90%的安裝成本,由此可使平臺總重量大大減輕。系統(tǒng)擴展方便、快捷，增加新的測點非常容易；未來改造也無需考慮增加機柜、接線盒、卡件、橋架等，并且建設周期短。系統(tǒng)布置簡潔，安裝簡單，后期維護費用大大減少

4 無線技術(shù)在“友誼號”改造中的應用

“渤海友誼號”FPSO（Floating Production&Storage Offloading，浮式生產(chǎn)儲油輪，以下簡稱“友誼號”）是我國1987年于滬東造船廠建造，由挪威設計的最早自主建造的浮式生產(chǎn)儲油輪，作為渤海南部油田的中心樞紐，通過海底管線將周邊平臺生產(chǎn)的原油和天然氣集中并初步處理，處理過的原油儲存在FPSO油艙內(nèi)集中后外輸。由于BZ28-2S和BZ34-1油田氣量富裕，目前產(chǎn)量受到下游用量限制，仍有部分產(chǎn)能沒有釋放。為了合理利用該地區(qū)的天然氣，中海油公司決定新建海底管線通過“友誼號”將富裕的天然氣輸送到天津地區(qū)，因此對友誼號單點進行相關(guān)改造。

本次改造中需要增加DI點4個（兩臺關(guān)斷閥的遠傳閥位信號），DO點2個（兩臺關(guān)斷閥的遠程控制信號），AI點2個（兩臺壓力變送器的遠傳信號）。這就需要單點上至少有8條硬線信號線，但單點上僅存4條硬線信號線（單點至FPSO中控之間無法再拉硬線，電纜需通過滑環(huán)），為此設計人員提出了兩個可行性方案供選擇：一是在單點上新增1套RTU，壓力變送器和電磁閥信號通過硬線連接至中控，關(guān)斷閥的閥位信號接入RTU，RTU與FPSO的通訊信號通過原滑環(huán)硬線信號聯(lián)入中控系統(tǒng)。優(yōu)點是RTU使用比較成熟，缺點是投入大，原滑環(huán)硬線與通信線路不一定匹配，還有可能存在干擾。二是壓力變送器和電磁閥信號通過硬線連接至中控，關(guān)斷閥的閥位信號通過無線變送器傳送到中控，總共需要增加兩臺無線變送器，一臺網(wǎng)關(guān)。優(yōu)點是造價低，信號傳輸可靠；缺點是國內(nèi)海上油田無使用先例。工程項目組經(jīng)過認真權(quán)衡，并與廠家充分溝通在其他地方的使用情況，最終選用無線變送器傳輸方案。

此項目自2009年11月28日投運以來，無線儀表運行正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠，儀表維護工程師反映良好。

5 結(jié)論

先進的無線技術(shù)與有線技術(shù)相比，投入成本低，占地面積小，是平臺應用的理想選擇。在海上平臺應用智能無線技術(shù)，無論對新平臺建設和現(xiàn)有平臺改造項目，智能無線技術(shù)都將發(fā)揮其重要的作用。■

2011-09-06