WIA-PA無線通信技術在油庫中的應用

黃忠勝 許亮 古自強

摘要：隨著國內儲油庫的運行時間越來越長，油庫內的改造也會越來越多。目前，油庫內埋地電纜數量大、電纜敷設走向錯綜復雜，這對于油庫運行和改造帶來了不小的難度。從便于油庫改造的角度出發，針對重新開挖電纜溝、在已建設施上敷設電纜比較困難的問題，文章提出了WIA-PA無線通信技術在油庫上的應用，旨在通過應用工業無線通信技術解決油庫在改造過程中出現的信號傳輸、電纜敷設的難題。技術分析及項目案例分享說明了WIA-PA無線通信技術在油庫中應用的可行性。

關鍵詞：油庫；改造；WIA-PA；無線通信

中圖分類號：TN92? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著石油消耗量逐年增加，油庫的建設越來越多，規模也越來越大。油庫建成后，后續因日常運行維護而需要改造的工程也非常多。尤其是歷經多年改造后，庫區內地下管纜等隱蔽工程現狀極為復雜，并且電纜溝開挖、破路、回填等均耗費了大量的人力和工期，還需采購大量的電纜、接線箱、電纜保護管、電纜橋架等材料，迫切需要一種能夠替代電纜的信號傳輸技術，解決改造過程中出現的人力資源消耗大、工期長、采購成本高等問題。

1 無線傳輸技術

無線傳輸技術作為有線傳輸技術的補充，已經在交通運輸、水利、航運、鐵路、治安、消防、森林防火、公園、景區、廠區等領域得到了廣泛應用［1］。

目前，可用于工業無線傳輸技術主要包括：運營商5G公網、微波、eLTE、Wi-Fi6、無線傳感器網絡。無線傳輸技術特征對比如表1所示。

5G公網、Wi-Fi6更適用于油庫搭建信息化網絡方面，對于油庫提升信息化建設水平有巨大幫助。通過搭建無線網絡，可提升如智能巡檢、人員定位、作業票管理、封閉管理等能力。而微波技術更適用于偏遠地區，無任何通信依托的地區，例如：地處偏遠的油井。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN），是一種由大量小型傳感器所組成的網絡［2］。這些小型傳感器可定義為節點設備，WSN通過部署大量節點設備采集傳輸數據。

無線傳感器網絡具有以下優點：（1）分布式、自組織性。組網靈活方便，

通過布設若干節點設備，組成網絡。（2）健壯性。當一些傳感器節點不能正常工作，剩下可以工作的節點能夠協調互補，不會影響到全局任務［3］。（3）可擴展性。當網絡中增加新的節點設備時［4］，可以快速融入網絡參與工作，利于今后改造項目中再次利用該網絡進行擴容。（4）規模大。為了提高網絡的可靠性，可在監測區域布置大量節點，通過不同空間視角獲得更大的信噪比，提高監測的準確性。（5）高冗余性。節點數量的增加，使網絡的容錯能力更強。鑒于無線傳感器網絡具備以上優勢，當油庫更換、增加儀表設備時，可優先考慮無線傳感器技術。

2 WIA-PA傳輸網絡

無線傳感器網絡，在國內外主要有3種標準：ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA。3種網絡標準都是基于IEEE 802.15.4，但其中又有很多不同。

目前，基于ISA100.11a標準的廠家主要有Honeywell、YoKogawa等。其網絡架構為Onewireless，其Mesh網絡為星形+網狀形式。ISA100.11a在國際上已形成IEC 62734—2014國際標準。基于Wireless

HART標準的廠家主要有Emerson、E+H、Siemens等。WirelessHART在國際上已形成IEC 62591—2016國際標準，其Mesh網絡為網狀形式。WIA-PA網絡標準作為我國擁有自主知識產權的一種無線標準體系［6］。目前，在國際上已形成IEC 62601—2011標準，國家標準GB/T 26790—2011。其網絡架構與ISA100.11a類似，架構為星形+網狀形式。目前，國內基于WIA-PA標準的廠家主要是中科院沈陽自動化所中科奧維。

現有一個油庫項目因運行多年，在用儀表已到了急需更換的節點，油庫業主想采用無線傳輸技術，這樣省時省力又能滿足日常運行的要求。根據以上業務需求，可對ISA100.11a、WIA-PA、WirelessHART 3種協議進行比選，如表2所示。

評判哪種協議更適用于此油庫項目，主要考慮3方面：（1）傳輸距離，從表2中可以看出WIA-PA傳輸距離最長，這樣在油庫內搭建無線網絡所需的節點也就最少，投資經濟性最好。（2）網絡規模，雖然WIA-PA單網關可帶節點數量不是最多，但通過增加網關即可擴充網絡，滿足油庫內無線網絡搭建的要求。（3）接入信號，表1中只有WIA-PA支持接入Modbus RTU串口，這樣應用范圍最為廣泛，更能滿足庫區各類設備信號傳輸的需要。

用戶使用WIA-PA技術具有更高的自主開發權。因此，推薦在油庫使用WIA-PA無線技術用于更換儀表設備傳輸信號。

3 WIA-PA在油庫中的應用

在油庫中心控制室內安裝WIA-PA無線接收網關，無線網關可支持Modbus TCP/IP協議與庫區分散控制系統（DCS）通信。為了確保庫區的工控網絡安全，在WIA網關和工控網交換機之間，設置一道網絡隔離區。隔離區可設置工業網閘、日志流量安全審計設備。WIA-PA無線網絡系統拓撲如圖1所示。網絡隔離區的功能是用來保護庫區DCS系統數據安全。

WIA-PA網絡使用AES標準128位加入密鑰，一方面用于鑒別要加入網絡的設備是否合法，另一方面用于向網關證明設備屬于該網絡，加入密鑰由手持設備寫入。未通過認證的加入請求將被忽略。網關統計認證失敗的加入請求。如果認證失敗次數增加，將發出現場安全警告。通過密鑰方式，杜絕無線網絡被其他惡意攻擊侵入。

在油庫改造設計中，要依據2臺節點設備之間的有效距離，確定節點設備的數量。有效距離是指WIA-PA設備之間沒有障礙，節點設備之間間距約500 m［5］。障礙物將減小設備的有效距離。大部分工業現場會有很多裝置平臺和管道，障礙物會阻擋信號傳輸，因而減弱無線信號［6］。在布設節點時，需鑒別4種有效距離。

（1）重度障礙：有效距離50 m。油庫內的泵房、空壓機房內。

（2）中等障礙：有效距離100 m。油罐的罐頂平臺。

（3）輕度障礙：有效距離300 m。油罐防火堤內外儀表之間。

（4）設備可視：有效距離500 m。WIA-PA設備空間上沒有任何障礙。

油庫現場更換的儀表和設備可根據需要選擇4～20 mA、開關量信號、RS485任一種接入WIA-PA無線發射器，發射器安裝在儀表和設備周邊。在相隔一定距離外，布設中繼器，為了增強庫區網絡的健壯性，通常在一個終端設備附近2個方位至少布設2臺中繼器。中繼器起到接收信號，放大信號后再次發走的作用。對于面積大的油庫，建議多布設中繼器。無線網關安裝在機柜間內，接收現場儀表的無線信號，將信號傳輸至DCS系統進行監控。

無線發射器、無線中繼器選擇隔爆型產品，供電可自帶電池，在無需維護的情況下，電池可持續使用2年以上。

4 結語

隨著國內儲油庫運行時間越來越長，油庫內的改造也會越來越多。基于此，本文提出了WIA-PA無線通信技術在油庫中的應用。技術分析和項目案例說明了WIA-PA無線通信技術在油庫中應用的可行性。

參考文獻

［1］董超，張曉偉，李超.基于WIA-PA工業無線技術的循環水自動加藥監測系統［J］.化工自動化及儀表，2017（10）：968-972.

［2］李漢玲.WSN24-Link無線傳感器網絡在心電監護系統中的應用［J］.電腦開發與應用，2008（1）：70-72.

［3］代宏陽，唐宏，胡錫鵬.無線傳感器網絡在軍事中的應用研究［J］.電腦知識與技術，2010（16）：4408-4409.

［4］徐震，劉人橋.無線傳感器網絡中基于序列的密鑰管理方案［J］.河南科技大學學報（自然科學版），2019（4）：36-40.

［5］張健，張二鵬，趙健暉.一種基于WIA-PA工業無線網絡的本質安全型無線水表適配器［J］.內燃機與配件，2018（4）：256-257.

［6］劉喜文.油田物聯網WIA-PA無線通信技術的試驗應用［J］.石油化工自動化，2021（2）：67-70.

（編輯 王永超編輯）

Application of WIA-PA wireless communication technology in the oil depot

Huang? Zhongsheng1， Xu? Liang2*， Gu? Ziqiang1

（1.Western Pipeline Branch of National Pipeline Network Corporation， Urumqi 830013， China;

2.China Petroleum Pipeline Engineering Co.， Ltd.， Langfang 065000， China）

Abstract：? As the operation time of the domestic oil storage depot becomes longer and longer， the transformation in the oil depot will be more and more. At present， the number of buried cables in the oil depot is large and the cable laying is complicated， which causes great difficulty to the operation and transformation design of the oil depot. From the perspective of facilitating the transformation of oil depot， in view of the difficulty of digging the cable trench and laying the cable， it aims to solve the difficulty of signal transmission and cable laying in the application of industrial wireless communication technology. This paper explains the availability of WIA-PA wireless communication technology in oil depot through technical analysis and project case sharing.

Key words： oil depot; transformation; WIA-PA; wireless communication