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量數(shù)據(jù)，分布較分散，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與實時性差，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)計量儀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)很難實現(xiàn)。非及時準(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)，對計量表信號上傳方式進(jìn)行改造，并建立計量信息化數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)全廠范圍內(nèi)計量儀表的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，計量結(jié)算報表智能化等業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)計量工作自動結(jié)算，平衡計算、能源監(jiān)控與評估預(yù)警、跑冒滴漏預(yù)警等功能需求，同時，打通數(shù)據(jù)采集軟件與實時數(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）是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。2011 年，WIA-PA 技術(shù)經(jīng)國際電工委員會 IEC 投票通過，成為國際標(biāo)準(zhǔn)，是我國在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首個國際標(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)自動化的高可靠性，高穩(wěn)定性，高實時性，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，分時接收，分時發(fā)送，設(shè)備在各自時隙內(nèi)完成通信，保證通信時無沖突，端到端通信時延低于 1 s。針對無源的工作條件，WIA-PA 無線網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備硬件設(shè)計上采用了低功耗器件，軟件設(shè)計中融入了基于高精準(zhǔn)時間同步技術(shù)的休眠喚醒機制。而且網(wǎng)絡(luò)中加入了加密、認(rèn)證、通信驗證、密鑰管理、攻擊識別等多級安全技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

1.2 應(yīng)用架構(gòu)

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

（1）在工廠過程監(jiān)測方面，基于 WIA-PA 技術(shù)可以實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)中的自動化儀表、生產(chǎn)設(shè)備的智能化以及在線監(jiān)測。目前工廠內(nèi) 88% 的維護(hù)管理工作時計劃性或者響應(yīng)式開展的，時效性差，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)測中，可以實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)，在故障發(fā)生前通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及時發(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 模擬信號進(jìn)行信息遠(yuǎn)傳，HART 儀表的實時狀態(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)智能儀表的無縫對接，實現(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

在計量表完好的計量點安裝 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），部分計量點無計量表或計量表故障的需配備計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)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場計量儀表的無線數(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，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、顯示、分析、自動結(jié)算、平衡計算等自動化、可視化、精細(xì)化的計量管理工作,同時，打通數(shù)據(jù)采集軟件與實時數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)通道，并將數(shù)據(jù)推入實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲、管理與并行應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。其架構(gòu)為三個層次，首先 WIA-PA 無線適配器與現(xiàn)場智能流量計通過 HART 接口連接，WIA-PA 無線儀表適配器通過傳感器與計量儀表連接，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）將計量儀表采集的數(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)上傳至后臺服務(wù)器。最上層是控制中心應(yīng)用系統(tǒng)，主要實現(xiàn)人機交互功能，將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)集中顯示、綜合分析，并推送至實時數(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)場網(wǎng)絡(luò)。其中 WIA-PA 智能無線網(wǎng)關(guān)用于管理現(xiàn)場 WIA-PA 無線適配器、WIA-PA 無線水表適配器、中繼節(jié)點，同時匯集現(xiàn)場設(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，對于不可視距建筑遮擋嚴(yán)重的應(yīng)用場景，利用WIA-PA中繼設(shè)備實現(xiàn)信號盲點的數(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)場采集的數(shù)據(jù)接入計量與優(yōu)化系統(tǒng)，為煉廠生產(chǎn)加工，精細(xì)計量，優(yōu)化分析提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。為現(xiàn)場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

該方案的實施可實現(xiàn)對計量表數(shù)據(jù)的自動采集，傳輸，數(shù)據(jù)可接入實時數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)計量表的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，報表生成，自動結(jié)算，平衡計算，可及時發(fā)現(xiàn)管線跑冒滴漏、計量表故障等異常情況，為企業(yè)能源平衡與精細(xì)化計量提供技術(shù)支撐。與有線方式實現(xiàn)相比，大大節(jié)省成本及施工費用，施工周期縮短三分之二以上，節(jié)約了計量成本，降低了計量人員的勞動強度，保障了計量人員的人身安全,推進(jìn)了智能工廠與信息化的建設(shè)。