概述

    許多過(guò)程生產(chǎn)商如今正在研究如何利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)改善他們工廠(chǎng)的生產(chǎn)和安全狀況。 然而在油氣工業(yè)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)早已被用作遠程監測和自動(dòng)化的工具了。 比較突出的例子是，數據采集和監視控制系統（SCADA）利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)例如高功率900MHz無(wú)線(xiàn)電同位于水源、管道以及其它遠距離現場(chǎng)的遠程測控終端（RTU）進(jìn)行通信。

    這些設備場(chǎng)所距離中央控制室可能達數英里之遙，常常由于距離過(guò)于遙遠，有線(xiàn)通信會(huì )變得過(guò)于昂貴而難于實(shí)現。 這就是為什么無(wú)線(xiàn)技術(shù)在這種情況下可以提供理想的技術(shù)體系的原因了。

    本文將介紹適于這些應用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)技術(shù)的最新進(jìn)展如何使通信變得更加簡(jiǎn)便： 不但可以用來(lái)傳遞測量控制數據，而且還可以用來(lái)傳輸這些處于偏僻場(chǎng)所中設備的健康狀況信息。

    無(wú)線(xiàn)先鋒

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)在油氣工業(yè)的成功應用已經(jīng)有數十年的歷史了，這毫不奇怪。 許多水源、管道以及其它設施常常距離中央控制室有5~20英里之遠，甚至更遠。有些地點(diǎn)由于太過(guò)遙遠，有線(xiàn)通信基礎設施，如電話(huà)線(xiàn)路等等，根本無(wú)法實(shí)現。在這種情況之下，無(wú)線(xiàn)技術(shù)成為唯一切實(shí)可行的技術(shù)方案。

    通常，這些設施地點(diǎn)的遠程測控終端（RTUs）采集現場(chǎng)儀表的過(guò)程變量和其它的測量數據，先將數據根據需要轉換成數字格式，然后以無(wú)線(xiàn)方式將它們傳送到SCADA系統。 SCADA系統對數據進(jìn)行監測并按需向RTU發(fā)回控制命令。

    油氣田位置偏遠，在有些電源以及通信的硬線(xiàn)連接很難實(shí)現或費用很高的地方，無(wú)線(xiàn)技術(shù)被用來(lái)進(jìn)行數據傳輸。
這種方法已經(jīng)得到廣泛應用并可能在未來(lái)的許多年中繼續用來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)需求。 但是無(wú)線(xiàn)技術(shù)近期的進(jìn)展拓寬了用戶(hù)的選擇， 并增加了新的功能——現在可以處理的不僅僅是測量和控制數據，還可以幫助用戶(hù)最大可能地推進(jìn)他們的油氣生產(chǎn)。

    技術(shù)

    用于RTU 和SCADA系統之間連接的最好技術(shù)，通常應該能夠提供覆蓋面、速度以及成本的最佳結合。 耗電量在本地電源受限或者不具備的情況下也會(huì )成為影響因素之一。油氣田遠程應用的三種最可能的選擇是蜂窩技術(shù)、衛星技術(shù)以及900MHz無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。 

    ·蜂窩技術(shù)

    蜂窩網(wǎng)絡(luò )的不斷擴展擴大了這項技術(shù)在油氣領(lǐng)域的潛在應用。 然而在許多偏僻孤立的區域，蜂窩網(wǎng)絡(luò )仍然未能覆蓋。 蜂窩技術(shù)有幾種類(lèi)型，而GSM/GPRS是數據通信的良好選擇。

    GPRS還允許遠程終端以每秒56kb的通信速度跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。有些網(wǎng)絡(luò )，例如EDGE，可以支持更高的速度。然而，RTU 和SCADA系統之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行雙向通信常常要求有固定的IP地址，而許多互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應商并不愿意提供IP地址，或者他們會(huì )收取很高的費用。 同任何其它利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信的技術(shù)一樣，用戶(hù)還需要在決定是否應用這種方法時(shí)考慮到網(wǎng)絡(luò )的等待時(shí)間和安全問(wèn)題。 當傳統的高功率900MHz無(wú)線(xiàn)通信方案難以實(shí)現時(shí)，蜂窩技術(shù)仍可適用。 

    ·衛星

    基于衛星的通信技術(shù)一般來(lái)說(shuō)可以提供最廣闊的覆蓋面積。 它可以將非常遙遠的設施直接通過(guò)一個(gè)靜態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)IP地址連接到中央控制室。

    衛星技術(shù)同其它的無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比更加昂貴。 它所用的無(wú)線(xiàn)裝置通常更大，消耗的功率也更多，這是因為衛星信號的傳播必須達到它的軌道位置方可。然而，近來(lái)在小口徑天線(xiàn)衛星通信技術(shù)（VSAT）的進(jìn)步使衛星數據終端在大小、功率和費用方面都大大減少，同時(shí)允許數據以高達每秒5,000比特的速度進(jìn)行傳播。 費用收取根據所傳送的數據量而定。 

    同任何其它利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信的技術(shù)一樣，用戶(hù)還需要將網(wǎng)絡(luò )的等待時(shí)間和安全問(wèn)題納入考慮的范圍之內，并在此基礎上做出決定是否應用衛星技術(shù)。
 
    ·900 MHz 無(wú)線(xiàn)通信

    已經(jīng)許可的以及近來(lái)還未經(jīng)許可的900MHz無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)都已經(jīng)投入到油氣田數據傳輸的應用之中，且應用范圍主要都在北美地區。

    許可技術(shù)。 高功率90MHz無(wú)線(xiàn)通信是一種經(jīng)過(guò)考驗的成熟技術(shù)，它們在油氣田自動(dòng)化領(lǐng)域的成功應用已經(jīng)超過(guò)20年之久。 對于本應用中的距離和數據率而言，這種技術(shù)非常合適。

    許可900MHz通信技術(shù)的發(fā)送范圍一般是15~25km（10~25英里）。 距離更遠，則意味著(zhù)功耗更高，而且可能數據傳輸率更慢。

    未許可技術(shù)。由于可用頻率的缺乏，以及獲取許可時(shí)間的耽擱和費用問(wèn)題，許可通信技術(shù)在更大范圍內的應用受到局限。而未許可技術(shù)卻可以消除這些障礙。
 
    加拿大工業(yè)局和美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）將射頻頻譜的一部分，包括902－928MHz和2.4GHz頻帶進(jìn)行分配，用于未許可的通信系統。

    為了不對現有的許可用戶(hù)產(chǎn)生干擾，這些系統的發(fā)射功率受到有關(guān)規定的限制。這些限制限定了這些無(wú)線(xiàn)系統的發(fā)射范圍，同高功率許可系統比較，這是一個(gè)重要的區別。

    許可無(wú)線(xiàn)通信設備制造商還必須為他們的產(chǎn)品提供保護，以避免來(lái)自于其它系統的干擾。 通常提供的保護是利用擴展頻譜傳輸技術(shù)來(lái)進(jìn)行的。

    有必要提及的是，這兩種無(wú)線(xiàn)通信系統一般都限于視線(xiàn)傳輸，而且每種應用都要求有專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其中可能包括多個(gè)發(fā)射塔和中繼器。 

    ·關(guān)鍵屬性的比較

    下面的表格對于以上討論的三種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵屬性進(jìn)行總結。

             

    雖然GSM/GPRS、衛星技術(shù)以及900MHz無(wú)線(xiàn)通信都適用于遠程油氣田監測應用，通常選擇的技術(shù)還是900MHz。

    設備診斷

    由于油氣田十分巨大，設備分布遙遠，要對這些設備進(jìn)行維護是一件困難而且費時(shí)的工作。 有時(shí)候用戶(hù)甚至不知道設備出現了問(wèn)題，直到有人注意到測量值“看上去不正?！钡臅r(shí)候，才能意識到問(wèn)題的存在。

    假如用戶(hù)能夠探測到可能導致設備發(fā)生故障的狀況，并在引發(fā)意外停工的事故之前及時(shí)搞定問(wèn)題，這項任務(wù)就簡(jiǎn)單多了。 而且今天的市場(chǎng)上，每分鐘的停工期，或者產(chǎn)量的減少都會(huì )導致利潤機會(huì )的喪失。

    傳統的無(wú)線(xiàn)SCADA系統通常不會(huì )提供關(guān)于設備狀況以及周?chē)嚓P(guān)操作過(guò)程的信息，而是依賴(lài)于操作人員或者工程師來(lái)關(guān)注那些反常信息，這些信息可能會(huì )顯示潛在的設備問(wèn)題或者故障。

    幸運的是，由于近期無(wú)線(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步和RTU性能的改善， 從HART現場(chǎng)設備發(fā)送診斷數據到中央資產(chǎn)管理系統已經(jīng)可以做到。

    中央系統的資產(chǎn)管理軟件可以直接通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)同設備進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)如專(zhuān)門(mén)設計用于處理此類(lèi)信息的高級RTU， 可以繼續將實(shí)時(shí)過(guò)程的數據傳遞給SCADA系統。 網(wǎng)關(guān)乃是SCADA系統、資產(chǎn)管理系統以及現場(chǎng)設備的中央通信環(huán)節。

    用戶(hù)可以直接訪(fǎng)問(wèn)這些最新信息，對潛在問(wèn)題的探測、診斷、甚至預測，以盡可能地防止設備故障甚至由遙控操作造成的停機，都變得更加容易。

    艾默生的“智能遠程自動(dòng)化”為油氣田應用提供了PlantWeb 數字體系之優(yōu)勢，包括將智能HART設備的健康狀況數據轉換成預測信息，供操作人員之用。 其重要部件包括：

    · ROC800系列遠程操作控制器是一種經(jīng)過(guò)現場(chǎng)考驗的測量與控制遠程測控終端設備（RTU），作為遠程HART儀表和在中央控制室的艾默生AMS?設備管理組合的通信環(huán)節。 ROC800支持各種通信與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，其中包括高速與低速的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)體系架構。

   · ROC 現場(chǎng)服務(wù)器是一種現場(chǎng)設備，它將低帶寬、低速現場(chǎng)診斷通信和高帶寬、高速度以太網(wǎng)主機通信結合起來(lái)，并進(jìn)行管理。 它通過(guò)確定數據包發(fā)送優(yōu)先順序、緩沖、帶寬管理以及自動(dòng)目錄生成等來(lái)克服帶寬限制。

   · AMS 設備管理組合是一種業(yè)內領(lǐng)先的開(kāi)放式軟件家族產(chǎn)品，為智能儀表提供實(shí)時(shí)組態(tài)、標定、診斷、文檔以及用戶(hù)界面。 它包括AMS智能設備管理系統和AMS設備信息平臺，為每個(gè)遠程ROC800控制器提供通信與數據庫接口。

    低成本增量監測

    以上所介紹的都是關(guān)于如何利用無(wú)線(xiàn)技術(shù)將遠距離油氣田的設備數據連接到數英里之外的中央控制系統或者中央信息系統的問(wèn)題。 但是在遠距離現場(chǎng)之內，也有利用無(wú)線(xiàn)通信的機會(huì )。 特別是，無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以以合適的費用來(lái)采集現場(chǎng)附加信息，即更多的測量值，以幫助用戶(hù)改善操作的效率。

    例如，“抽水機”需要頻繁訪(fǎng)問(wèn)遠處的現場(chǎng)以檢查油罐和水罐的液位，并在必要時(shí)將他們抽空。但是若訪(fǎng)問(wèn)的是無(wú)需抽空的儲罐，就會(huì )對時(shí)間和資源造成浪費。通過(guò)為儲罐加裝液位測量?jì)x表，將數據發(fā)回控制室，操作人員就可以檢查每個(gè)儲罐的液位，并在必要時(shí)向需要的地方派遣抽水機，從而可以減少出行的次數以及相關(guān)的旅行成本。

    不幸的是，從許多偏遠地點(diǎn)的RTU鋪設附加的電源和通信電纜到另外的測量?jì)x表非常困難而且費用昂貴。 在許多地區，甚至需要獲得挖掘地溝的許可才能埋入連接電纜。 然而，利用合適的無(wú)線(xiàn)技術(shù)和儀表，這些增量測量?jì)x表的安裝可以變得更加簡(jiǎn)單而且成本合算。

    例如， 在油井區或者其它的偏遠場(chǎng)所，自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以連接那些堅固耐用、電池供電的儀表設備， 而這些設備自動(dòng)地測量并向本地網(wǎng)關(guān)或者RTU報告油罐的液位或者其它的測量值，然后網(wǎng)關(guān)將這些信息再通過(guò)SCADA網(wǎng)絡(luò )加以傳遞。 無(wú)需因電源或通信之故來(lái)敷設電纜或者挖溝。

    如果自組織網(wǎng)絡(luò )內的無(wú)線(xiàn)信號遭到中斷，例如，由于有輛卡車(chē)停泊在設備和網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)絡(luò )將自動(dòng)通過(guò)其它的無(wú)線(xiàn)設備改道進(jìn)行通信，直到信號抵達目的地為止。設備安裝、拆除以及重新定位都很容易。而且用戶(hù)也無(wú)需擔心需要司機比以前跑得更勤以便為所有的設備更換電池。 根據使用和環(huán)境的情況，在進(jìn)行了能量效率以及有效能源管理設計的設備中，電池的壽命可以持續數年。

    總結

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為一種工具將遠距離油氣田和中央監測控制系統聯(lián)系起來(lái)已經(jīng)有很長(cháng)的歷史。 缺乏硬線(xiàn)連接的電源和通信基礎設施的狀況常常使無(wú)線(xiàn)技術(shù)在這些偏遠地區成為唯一可行的選擇。

    綜上所述，新技術(shù)正在提供更多類(lèi)型的通信選擇以滿(mǎn)足特定的應用需求，從蜂窩網(wǎng)絡(luò )到衛星技術(shù)，再到900MHz無(wú)線(xiàn)通信等等。最近的技術(shù)進(jìn)展提供了新的途徑， 使無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以用于改善操作。 這包括將設備診斷信息整合到無(wú)線(xiàn)通信中，然后再將信息從遠處的現場(chǎng)發(fā)送到中央系統；以及利用自組織網(wǎng)絡(luò )以合適的價(jià)格在遠處現場(chǎng)增加增量測量?jì)x表等等。 


                                                      ——轉自《自動(dòng)化博覽》