魏劍萍

(中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

無線溫度儀表監(jiān)測(cè)技術(shù)在油氣長(zhǎng)輸管線上的應(yīng)用

魏劍萍

(中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207)

傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)都是從傳感器引出線纜到達(dá)顯示面板或主機(jī)才能測(cè)量，但對(duì)于一些溫度測(cè)量與主機(jī)距離遠(yuǎn)、環(huán)境為腐蝕性或者密閉場(chǎng)合，采用有線測(cè)量比較困難。溫度變送器的出現(xiàn)雖然解決了短距離溫度的測(cè)量，但其仍然依賴于線纜，而且隨著距離的增加，信號(hào)衰減很快，無法適用于遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量。介紹了無線溫度儀表監(jiān)測(cè)技術(shù)在油氣長(zhǎng)輸管線上的應(yīng)用；詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無線在線采集點(diǎn)在管道上的布置及其與DCS的數(shù)據(jù)集成，針對(duì)原設(shè)計(jì)方案無線溫度節(jié)點(diǎn)少、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化等因素造成的溫度信號(hào)不穩(wěn)定現(xiàn)象，從設(shè)計(jì)方案、安裝等方面提出了改進(jìn)意見，改進(jìn)后取得了明顯的效果。

長(zhǎng)輸管線 無線溫度檢測(cè)技術(shù) 多功能節(jié)點(diǎn) 天線

工業(yè)控制領(lǐng)域的溫度監(jiān)測(cè)，普遍采用電纜將溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)處理。近年來，隨著無線技術(shù)的發(fā)展，在一些非關(guān)鍵閉環(huán)控制點(diǎn)、分散的測(cè)點(diǎn)、無線智能巡檢系統(tǒng)、無線視頻等場(chǎng)合，無線儀表逐漸得到應(yīng)用，它的采用有助于提高工廠安全防護(hù)能力和整個(gè)工廠的實(shí)際運(yùn)行水平，因而具有廣泛的應(yīng)用潛力。

1 無線測(cè)量技術(shù)概述

工業(yè)無線解決方案，采用2.4GHz公用頻段(ISM， 2400.0～2482.4MHz)，并使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)和自動(dòng)跳頻技術(shù)(FHSS)。無線儀表的發(fā)射功率為100mW(20dBm)，由于發(fā)射功率很小，一般不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成影響；而其他常用設(shè)備如對(duì)講機(jī)(頻段為409～410MHz)或GSM手機(jī)(頻段為900MHz)，由于通信頻段不一樣，也不會(huì)影響無線儀表本身的通信。

無線測(cè)溫系統(tǒng)主要由多功能節(jié)點(diǎn)(基站)、無線溫度變送器及無線管理軟件平臺(tái)組成。基站是構(gòu)建無線MESH網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備，各基站之間可以相互無線通信，而無線變送器也可以自動(dòng)選擇與任何一個(gè)基站進(jìn)行無線通信。

基站需要提供電源并配置天線才能工作，每個(gè)基站配置的天線有兩種： 用于基站與基站之間無線通信的MESH天線，根據(jù)基站之間的距離遠(yuǎn)近，該類型的天線又可以分為全向天線或定向天線，對(duì)應(yīng)可通信的距離分別為1km或10km(當(dāng)選用高增益天線時(shí))；用于與變送器之間的通信天線，也有全向和定向之分，對(duì)應(yīng)與變送器之間的通信距離分別為0.3km和0.6km(當(dāng)選用高增益天線時(shí)為4km)。

無線溫度變送器是帶HART協(xié)議的智能變送器，帶避雷器，內(nèi)置鋰電池，傳感元件為熱電阻或熱電偶，為了與基站進(jìn)行通信，它需配置定向或全向天線。無線溫度變送器對(duì)于溫度數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間可選1， 5， 10， 30s，刷新速度的快慢會(huì)影響電池的壽命。

無線管理軟件平臺(tái)(WDM)用于通信管理，開展遠(yuǎn)程組態(tài)或維護(hù)工作，利用其診斷工具，還可獲知各無線設(shè)備諸如無線電信號(hào)強(qiáng)弱等通信狀況，WDM可與第三方DCS或PLC通過標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，如ModbusTCP/IP， ModbusRS-485， OPC等進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。

2 無線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

某項(xiàng)目罐區(qū)至碼頭的油品輸送管線全長(zhǎng)約7.6km，輸送介質(zhì)是低溫液體，易燃、易爆、易揮發(fā)。為防止輸送介質(zhì)在輸送過程中氣化，導(dǎo)致管線超壓泄漏等安全事故，需要檢測(cè)管線外壁的溫度，但該溫度監(jiān)控對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。由于管線沿途遇到的設(shè)施，使施工存在難度，同時(shí)遠(yuǎn)端安裝有線溫度變送器也存在供電電壓不足、信號(hào)衰減等問題，因而利用常規(guī)的有線技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)該溫度檢測(cè)。因此，最終確定選用無線檢測(cè)方式，所有溫度數(shù)據(jù)最終集中傳輸回位于罐區(qū)的DCS控制室。

全線需檢測(cè)的管道外壁溫度點(diǎn)共7個(gè)，一共配置了3個(gè)基站，如圖1所示。由于各基站之間距離遠(yuǎn)，互相不可見，基站所配置的天線全部采用了高增益天線。

圖1 無線測(cè)溫系統(tǒng)沿線布置示意

7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別位于離罐區(qū)DCS控制室1km處的T1， 1.85km處的T2， 2.85km處的T3， 3.85km 處的T4， 4.85km處的T5， 5.95km處的T6， 6.95km處的T7。其中T1和T7的物理位置分別靠近罐區(qū)控制室和碼頭控制室，因而采用了有線溫度變送器。因此，該項(xiàng)目實(shí)際上只有T2， T3， T4， T5， T6測(cè)點(diǎn)采用了無線溫度變送器。T2位于全程管線的最高點(diǎn)，由于介質(zhì)容易氣化，故該點(diǎn)溫度對(duì)管線安全運(yùn)行具有代表性。

3個(gè)基站的安裝位置： M1位于罐區(qū)DCS控制室屋頂、 M2離罐區(qū)控制室1km處、M3離碼頭控制室0.7km處，每個(gè)基站配置了定向板狀高增益天線，帶有防雷端子(如圖1所示)。其中，T2， T3， T4無線溫度變送器與M2通信；T5， T6無線溫度變送器與M3通信。通過M3—M2—M1—WDM—DCS的通信鏈路，最終把所有溫度信號(hào)傳送至DCS中，如圖2所示。在整個(gè)通信鏈路中，M2是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一旦故障，所有5點(diǎn)無線溫度信號(hào)將丟失。

圖2 無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

3 存在問題及解決措施

1) 無線溫度變送器故障率較高。故障部位往往是在內(nèi)置的無線傳輸模塊上，是電子設(shè)備本身質(zhì)量的問題或是與基站之間安裝距離的關(guān)系引起，目前尚無法解釋。但明顯的規(guī)律是無線溫度變送器離基站越遠(yuǎn)，其損壞的概率越高，這與無線溫度變送器安裝在高處、容易受雷擊影響無關(guān)；實(shí)踐證明： 即使在沒有雷擊的季節(jié)，無線溫度變送器損壞的幾率也依然存在。另外，在更換損壞的模塊時(shí)，新訂購的模塊版本一定要與原先的一致，否則將無法使用，且版本只能升不能降。若訂購來的無線溫度變送器的模塊版本過高，須把原系統(tǒng)中其他無線溫度變送器等設(shè)備的版本一起升高。

2) 無線溫度變送器鋰電池失效。通常，若在常溫下，數(shù)據(jù)采集采用每秒1次的刷新率，電池可以使用至少4.5a；若按照5s一次的刷新率，則電池壽命將長(zhǎng)達(dá)10a，但電池的壽命與采集速度、環(huán)境溫度、儀表類型、無線通信的距離、無線儀表的類型和電池容量密切相關(guān)。該項(xiàng)目中，實(shí)際使用壽命大概只有3a，原因可能是無線溫度變送器離基站的距離過遠(yuǎn)，通信經(jīng)常中斷。為使無線溫度變送器和基站重新建立聯(lián)系，需要消耗更多的電源。電池電壓可以在無線管理軟件平臺(tái)中查看，當(dāng)電壓低于報(bào)警值時(shí)應(yīng)考慮更換。

3) 無線溫度變送器和基站的天線安裝不規(guī)范。全向天線應(yīng)豎直安裝，否則會(huì)因極性錯(cuò)誤對(duì)通信造成不良影響。此外，天線應(yīng)牢牢固定在抱桿上，因?yàn)樵诟咛?，所以要考慮大風(fēng)吹歪、接地等問題。

4) 基站故障。該項(xiàng)目中M2位于M1和M3兩個(gè)基站的中間，是傳遞所有溫度信號(hào)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)一旦故障，將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)中斷。實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后，M2基站經(jīng)常無故“掉線”，導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)無顯示。最初通過對(duì)該基站的重新啟動(dòng)，還能暫時(shí)恢復(fù)，但多次重啟后該節(jié)點(diǎn)最終無法通過自檢，即硬件已損壞。在處理M2故障的過程中，曾經(jīng)懷疑與M2處所在安裝環(huán)境有關(guān)，為此，先后多次用其他基站來替換，當(dāng)其他基站換至M2處后，短暫使用一段時(shí)間后，又出現(xiàn)同樣的基站掉線、需要重啟等現(xiàn)象。分析M2“掉線”及最終損壞的原因可能有以下幾點(diǎn)：

a) 整個(gè)無線系統(tǒng)配置不合理。由于M1， M2， M3三個(gè)基站之間的距離較遠(yuǎn)(其中M2與M3之間的距離達(dá)6km)，為了使M2與M1和M3建立通信，在M2處安裝了2個(gè)高增益板狀定向天線，其中一個(gè)對(duì)準(zhǔn)M1，另一個(gè)對(duì)準(zhǔn)M3。為了分配M2—M1和M2—M3之間天線的發(fā)射(接收)功率，在M2處安裝了功率分配器。M2基站過于復(fù)雜的配置和過高的天線增益，對(duì)基站設(shè)備壽命造成了損害。

b) M2處的2塊板狀天線安裝位置不合適。M2基站的2個(gè)板狀定向天線，固定在同一根抱桿上，兩根抱桿之間的距離不足1m，這不符合設(shè)備的安裝要求(當(dāng)某個(gè)位置有多個(gè)天線時(shí)，抱桿之間的距離應(yīng)大于1m，導(dǎo)致通信質(zhì)量受到干擾)。

c) M3與M2之間有一道鐵皮圍裹的固體輸送棧橋，一定程度上阻擋了M2與M3之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)，造成了末端T5和T6兩點(diǎn)溫度在系統(tǒng)中顯示時(shí)有時(shí)無，當(dāng)T5和T6兩點(diǎn)溫度“丟失”后，M2會(huì)不斷嘗試去建立與M3的聯(lián)系，加大了M2的工作負(fù)荷，加劇了M2的損壞速度。

鑒于該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，對(duì)管道安全輸送造成了一定影響，且無線溫度變送器、基站均安裝在管廊高處，每次儀表人員去處理問題時(shí)需搭設(shè)架子登高，對(duì)人身安全也造成一定威脅。經(jīng)過長(zhǎng)期的摸索分析后，筆者選擇更改網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的方式，如圖3所示。

圖3 改造后的無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)示意

采用無線變送器T2/T3/T4直接同M2無線通信，建立M2—M1—罐區(qū)交換機(jī)—WDM—罐區(qū)DCS通信鏈路；T5/T6直接同M3無線通信，同時(shí)在碼頭機(jī)柜室(無人值守)屋頂增設(shè)1個(gè)基站M4并安裝交換機(jī)，通過M3—M4—交換機(jī)—碼頭與罐區(qū)之間的光纖(其他項(xiàng)目的備用光纖)—罐區(qū)交換機(jī)—WDM—DCS，以實(shí)現(xiàn)全線溫度的檢測(cè)，改造后該系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

無線溫度儀表監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方式的不足，而常規(guī)的無線檢測(cè)系統(tǒng)，其MESH基站標(biāo)配是低增益天線，基站間隔距離通常為300～500m(一般可兩兩可視)，因而能很好地把所有測(cè)點(diǎn)覆蓋在基站的無線信號(hào)范圍內(nèi)。在長(zhǎng)輸管線上，由于管道基本沿直線分布，基站設(shè)置也相應(yīng)設(shè)置成直線方式，再加上管道沿途上的一些設(shè)施，使得基站安裝數(shù)量受限，因而方案在設(shè)計(jì)階段的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)很重要。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，隨著管道沿線環(huán)境的變化(譬如出現(xiàn)遮擋物)，方案還可能需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，以確保無線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高監(jiān)測(cè)技術(shù)的穩(wěn)定性。

[1] 李繼平，凌志浩.無線HART技術(shù)及其應(yīng)用[J].世界儀表與自動(dòng)化，2008，12(03)： 63-65.

[2] 江天生.霍尼韋爾公司針對(duì)工業(yè)無線應(yīng)用的OneWireless解決方案[J].自動(dòng)化博覽，2010(01)： 66-68.

[3] 馬鎖良.霍尼韋爾OneWireless工業(yè)無線解決方案在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2012(02)： 41-42.

[4] 彭瑜.無線HART協(xié)議——一種真正意義上的工業(yè)無線短程網(wǎng)協(xié)議的概述和比較[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2007(05)： 31-37.

[5] 曾鵬.工業(yè)無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與應(yīng)用[J].中國儀器儀表，2008(03)： 40-44.

[6] 張龍，吳勇志.工業(yè)無線技術(shù)理論與應(yīng)用[J].自動(dòng)化博覽，2011(04)： 56-62.

[7] 高漢榮，馮冬芹.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國儀器儀表，2008(增刊1)： 87-95.

[8] 李春林，程健.工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的無線技術(shù)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007(01)： 15-17.

[9] 顧小洪，吳秋峰.無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用的一些探討[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19(11)： 1-2.

[10] 李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45(01)： 1-15.

ApplicationofWirelessTemperatureMonitoringTechnologyinLongDistanceOilandGasPipeline

Wei Jianping

(Sinopec Zhenhai Refining & Chemical Company， Ningbo， 315207， China)

The traditional temperature detection measures the temperature with extracted cable from the sensor to display panel or host computer. The cable measurement is more difficult for some cases such as temperature sensors are far away from the host computer, and corrosive or airtight environment. Although the short distance temperature measurement problem is solved with emergence of temperature transmitter, it still depends on the cable. The signal attenuates fast with the distance increasing, and is not suitable for remote temperature measurement. The application of wireless temperature instrument monitoring technology in oil and gas long distance pipeline is introduced, and the system network architecture, layout of wireless on-line collecting node on pipeline and DCS data integration are expounded in detail. Aim at temperature signal unstable issue caused by less wireless temperature nodes for original design scheme and on site environmental factor change, a serious of improvement has been put forward based on installation, design scheme and so on. Significant effects have been achieved after improvement.

long distance pipeline； wireless temperature monitoring technology; multifunctional node； antenna

稿件收到日期： 2013-03-28。

魏劍萍(1965—)，男，1987年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石化股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司儀表控制部，從事煉油、化工裝置儀表自動(dòng)化應(yīng)用和管理工作，任高級(jí)工程師。

TN926

B

1007-7324(2013)03-0051-04