基于WIA-PA的工業無線數據采集技術在計量自動采集中的應用

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展和國際形勢的不斷變化，石化企業所面臨的形勢和挑戰不斷加劇，企業要想在激烈的競爭中勝出就要不斷改進管理模式，升級管理手段，而底層數據是管理決策的依據。老舊企業計量數據的自動采集改造是老舊石化企業所面臨的巨大挑戰［1］。

1 基于WIA-PA 的無線數據采集技術的應用——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”）和蘭州化學工業公司（以下簡稱“蘭化”）。由于歷史原因，部分計量儀表分布較散，數據只能靠人工去現場完成采集，在數據采集和管理方面存在一定的難度。為提升計量數據自采率，公司采取各種技術改造措施，但部分計量儀表距離各計量點操作室較遠，且安裝分散，按照常規信號引入方式需要對儀表系統進行接口改造，而中間接線盒、控制室設備、儀表電纜、保護管以及槽盒橋架安裝的施工成本巨大，實施難度較大。

無線數據采集技術與常規信號引入方式相比，可以節省前期技術設計、儀表系統接口改造、中間接線盒及控制室設備安裝、大量儀表電纜、穿線鋼管和槽盒橋架的安裝以及現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無線數據采集技術規范主要有Wireless HART、ISA100（11.a）和WIA-PA 標準，分別為美國艾默生公司、美國霍尼韋爾公司和中國科學院沈陽自動化研究所研發。在市場競爭力方面，WIA-PA 技術規范的通信距離較遠，室內＜300 m，室外＜1 000 m。艾默生公司和霍尼韋爾公司的同類設備價格是國內的3～5 倍，因此WIA-PA 技術產品具有一定的價格優勢。本項目采用的是中科院沈陽自動化研究所自主研發的WIA-PA設備。

1.2 項目意義

通過本項目的實施，應用物聯網技術，利用基于WIA-PA的工業無線技術，對生產過程中的計量數據進行實時采集，通過無線技術進行傳輸、存儲后進一步分析深化應用的系統，實現儀表流量的實時監測和統計分析。一方面，其可以實現生產過程中汽油、潤滑油流量數據的實時準確計量，便于管理者對關鍵生產節點的考核評估，避免出現生產過程中流量不平衡、描述不清的問題，為石化行業精細生產提供支撐；另一方面，有效展示了WIA-PA 工業無線網絡及系統在石化行業的應用效果，推動了WIA-PA 網絡在化工廠的普及。

1.3 項目目標

通過符合WIA-PA 智能無線網關、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 技術標準的化工廠油料數據采集物聯網搭建應用管理平臺，以實現現場采集數據的統計匯總、綜合分析功能，實現從采集層、傳輸層、應用層對油料流量數據自動采集、無線傳輸、實時分析，從而有效提高生產效率。具體目標如下：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量流量計的流量數據；②部署工業自動化無線網絡（Wireless Networks for Industrial Automation，WIA），在質量流量計上安裝WIA 無線適配器，通過WIA 采集數據并接入企業內部以太網回傳數據；③部署應用服務器，收集回傳數據存入數據庫，并安裝無線計量與設備管理軟件平臺，供相關人員進行遠程抄表與設備狀態監測。

1.4 實施范圍

無線網絡技術的實施范圍包括數臺流量計和機械式水表。

1.5 重點技術及指標

本項目主要應用WIA-PA 無線網關技術。WIA-PA 體系是我國具有自主知識產權、符合我國國情的一種工業無線標準體系，是一種面向工業過程的自動化工業無線網絡標準技術，WIA-PA 標準是由中國工業無線聯盟針對過程自動化領域制定的WIA 子標準，主要適用于工業過程數據測量、監視與控制的無線網絡系統。

本項目的主要技術指標必須達到如下要求：數據采集周期最短為1 s，最長為120 s；數據準確率100%；通信鏈路傳輸穩定性≥98%。

2 無線數據采集技術方案

本項目系統總體架構從下往上分為現場采集層、網絡傳輸層以及應用層3 層。最底層是數據采集層，將已有的質量流量計使用可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議（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據上傳至WIA-PA 智能無線網關，形成了現場數據的采集層；中間層是網絡傳輸層，通過WIA-PA 網關接入企業生產網絡進行傳輸；最上層為面向用戶的應用層即Web 層，承擔著人機交互的作用，對采集到的現場實時數據集中進行展示、統計分析以及報表生成等［3］。

2.1 WIA-PA 無線數據遠傳涉及的設備

項目中用到的設備包括WIA-PA 無線網關和適配器兩種。根據現場設備類型和應用場景使用3 種適配器，即外接電源的WIA-PA 無線適配器、內置電池的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 無線網關是應用工業無線網絡核心協議的短程無線通信設備，需要外部電源供電，工作頻段為2.4 GHz（基于工業標準IEEE802.15.4），是整個網絡的核心，負責整個網絡的管理、調度和優化，管理通信參數，調配通信資源和路由，監測控制網絡運行狀態，保障各網絡設備間的正常通信［4］。

WIA-PA 無線適配器是一種以無線WIA-PA 方式進行網絡傳輸的傳感器設備，實現數據采集由有線傳輸向無線傳輸的便捷快速轉換。WIA 無線IO 適配器是另外一種可以遠程設定工作參數并讀取現場已部署設備的狀態信息，通過無線傳輸的WIA產品。該設備可以通過RS485、數字量輸入（Digital Inputs，DI）、模擬量輸入（Analogy Input，AI）等接口方式采集現場已有有線設備的信息及數據等。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。它具有遠程通信功能和自檢告警功能，前者實現現場有線設備狀態信息的遠程傳送、讀取和工作參數的遠程設定，后者則包括射頻模塊自檢、電池電量低告警等功能。

2.2 網絡架構設計

無線數據采集系統依托蘭州石化骨干網絡，連接生產執行系統（Manufacturing Execution System，MES）、計量管理平臺以及各客戶機。系統采用瀏覽器/服務器模（Browser/Server，B/S），系統登錄方式為獨立登錄，以確保數據和系統安全。

2.3 軟件架構設計

蘭州石化無線數據遠傳系統在中心機房共架設管理服務器和數據庫服務器。架設在管理服務器上層的應用管理平臺采用B/S架構。管理服務器應用管理平臺使用B/S 架構，允許用戶通過內部網絡的電腦進行遠程Web 訪問，無須安裝客戶端，通過瀏覽器即可進行訪問。Web 服務器通過數據采集服務器訪問WIA 網關，定時采集各設備的實時數據并進行存儲管理；根據各設備所支持的傳輸協議的不同，采集不同類型的設備信息［5］。

應用管理平臺的功能包括設備基礎信息、無線網絡鏈路信息、設備的實時狀態信息的管理及查詢。根據這些信息的不同，軟件開發人員開發了遠程監控、設備管理、網絡管理與后臺管理4大功能。①遠程監控主要負責管理已部署設備的實時數據采集，包括設備名稱、儀表類型、數值、數值類型以及單位。這些數據分為實時數據和歷史數據兩種，相關人員可按自定義時間段查詢各數據的變化曲線。同時，監控主頁面還顯示全部已安裝設備節點的位置示意圖，其中包括安裝位置、節點之間的距離等信息。在數據的變化曲線展示工具欄中，平臺可提供多種形式供用戶進行分析使用。②設備管理。設備管理界面為用戶提供了設備的狀態信息，主要顯示設備的實時狀態、運行時長等信息，允許用戶根據實際情況對設備列表進行增刪改等操作，當用戶填寫正確的設備信息后，程序將會自動按照配置信息進行數據采集工作。③網絡管理。網絡管理主要負責管理設備群組的實時網絡通信狀況，以拓撲圖形式、列表形式以及日志形式等進行展示。④后臺管理。后臺管理主要是對用戶的權限進行分配、對用戶的登錄及操作進行管理。

3 結語

基于WIA-PA 的工業無線數據采集的實施應用，實現了現場數據的自動采集、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 工業無線網絡在石化行業的應用效果，推動了WIA-PA 網絡在化工廠的普及；另一方面，通過應用物聯網技術，解決了分布較散、傳統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，相關人員可以及時發現流量不平衡的生產環節，輔助生產工藝優化，有效提高生產效率，為石化行業精細生產提供支撐。