1　流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是工業(yè)測控系統領(lǐng)域的革命性技術(shù)

早期的無(wú)線(xiàn)技術(shù)只是單純的通信手段，以解決長(cháng)距離數據傳輸為目的，多為點(diǎn)對點(diǎn)通信，作為有線(xiàn)技術(shù)的補充。而到了本世紀初，無(wú)線(xiàn)技術(shù)以解決低成本的信息獲取為目的，實(shí)現大規模網(wǎng)絡(luò )化，力圖推動(dòng)工業(yè)測控方式的變革。

回顧工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程測量和控制技術(shù)的信號傳送，其信號傳送的方式經(jīng)歷了以下發(fā)展過(guò)程：

· 由多類(lèi)別信號到統一信號；

· 由氣動(dòng)信號到電動(dòng)信號；

· 由模擬信號到智能數字信號；

· 由一對一傳送到總線(xiàn)；

· 由有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)是節能、環(huán)保、節省投資、節省運營(yíng)費用和提高效率的新技術(shù)，是工業(yè)測控系統領(lǐng)域的革命性技術(shù)。

由于流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)需大量敷設導線(xiàn)、穿線(xiàn)管、電纜橋架，可以節省銅、鋼材等原材料；現場(chǎng)設備的長(cháng)期持續供電可以由斷續供電且通電時(shí)間占比非常小的電池取代，節能效益顯著(zhù)；設計、安裝施工、投運工作量大大減少，時(shí)間縮短。這些都是顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

以我院一個(gè)較小的工程項目為例，圖紙張數減少46%，總圖幅減少42%，大體上減少了一半的工作量，這一部分圖紙（如端子接線(xiàn)圖、管線(xiàn)圖等）是最煩雜、最容易出錯、最耗費精力的工作。對于自控工程安裝施工隊來(lái)說(shuō)，導線(xiàn)、穿線(xiàn)管、電纜橋架的施工量可以減少80%~90%，大量耗費體力、甚至需要高空作業(yè)的工作可以精簡(jiǎn)，投產(chǎn)前核對信號線(xiàn)的工作也簡(jiǎn)化了。對于現場(chǎng)維護人員來(lái)說(shuō)，接線(xiàn)柜、接線(xiàn)箱、電纜、橋架數量減少，維護工作量也大大減少。

近年來(lái)一個(gè)新的提法更引人關(guān)注：工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以提高工廠(chǎng)效率。之前大家提到工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)時(shí)更多的是可避免硬接線(xiàn)的成本，而在工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)投入運行之后，工廠(chǎng)的管理人員、自控維護人員、生產(chǎn)操作人員更深刻體會(huì )到的優(yōu)點(diǎn)是提高工廠(chǎng)效率。比如以前難以傳送到控制室的參數現在可以監控了；要增加的檢測參數幾乎隨時(shí)可以實(shí)現，系統的擴展也快速便利得多；操作人員離開(kāi)控制室還可以借助移動(dòng)工作站和巡檢設備操作；以往硬接線(xiàn)的現場(chǎng)普通儀表升級為智能（帶遠程維護、遠程自診斷功能）儀表。

2　流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的三大國際標準

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程測量和控制領(lǐng)域，目前引起業(yè)界廣泛關(guān)注的工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信標準主要有：

（1）以美國艾默生公司主導的WireleessHART（HART通信基金會(huì )的規范）；

（2）以美國霍尼韋爾公司主導的SP100.11a（美國ISA學(xué)會(huì )的標準，產(chǎn)品名稱(chēng)為OneWireless）；

（3）以中國中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所主導的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation，WIAPA）。

3　流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在有色金屬企業(yè)的應用

目前在國內無(wú)線(xiàn)技術(shù)的實(shí)際應用中，油氣、化工、電力行業(yè)是主要的用戶(hù)，有色金屬行業(yè)應用較少，但實(shí)際上無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用沒(méi)有行業(yè)限制，只不過(guò)是有色金屬行業(yè)對無(wú)線(xiàn)技術(shù)缺乏了解、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )廠(chǎng)商在有色金屬行業(yè)推廣力度較小。下文介紹流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在有色金屬企業(yè)的應用實(shí)例。

3.1　云南馳宏鋅鍺公司會(huì )澤冶煉廠(chǎng)

馳宏鋅鍺公司會(huì )澤冶煉廠(chǎng)為新建工程項目，設計規模60kt/a粗鉛、100kt/a電鋅及渣綜合利用，2013年11月投入試生產(chǎn)。會(huì )澤冶煉廠(chǎng)為中國恩菲工程技術(shù)有限公司設計，采用以FF現場(chǎng)總線(xiàn)作為信號傳送方式的艾默生過(guò)程管理Delta V控制系統，為了嘗試使用工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，選擇多膛爐焙燒車(chē)間作為試點(diǎn)。

多膛爐焙燒車(chē)間的Delta V控制系統主要由1個(gè)工程師站、2個(gè)操作員站、1個(gè)控制系統柜、1套不間斷電源組成。多膛爐控制系統分為多膛爐主廠(chǎng)房和多膛爐收塵兩部分。

智能無(wú)線(xiàn)系統硬件包括無(wú)線(xiàn)變送器、1420無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和交換機，其中，4臺1420無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，2臺交換機，無(wú)線(xiàn)變送器包括63臺共90個(gè)測點(diǎn)的848T多點(diǎn)（4點(diǎn)）無(wú)線(xiàn)溫度變送器、648（單點(diǎn)）無(wú)線(xiàn)溫度變送器、3051S無(wú)線(xiàn)壓力（差壓）變送器。圖1為現場(chǎng)安裝的智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)變送器。

圖1 Wireless HART智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備現場(chǎng)安裝

左：智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān) 右：無(wú)線(xiàn)溫度變送器和無(wú)線(xiàn)壓力變送器

多膛爐焙燒車(chē)間工業(yè)廠(chǎng)房?jì)扰渲昧?臺270㎡多膛爐，爐高15m，多膛爐爐體分12層，設6個(gè)燃燒室，以煤氣作燃料，使爐膛溫度保持在700℃左右。每層都設有一個(gè)溫度監控點(diǎn)及壓力監控點(diǎn)，這樣在工業(yè)廠(chǎng)房的各層都分布了很多測點(diǎn)，現場(chǎng)將每臺多膛爐的第一層至第四層所有溫度壓力信號的無(wú)線(xiàn)變送器引到二樓集中安裝；將第五層至第八層所有溫度壓力信號的無(wú)線(xiàn)變送器引到三樓集中安裝；將第九層至第十二層所有溫度壓力信號的無(wú)線(xiàn)變送器引到四樓集中安裝；然后在多膛爐廠(chǎng)房的二、三、四樓分別安裝一臺無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。多膛爐收塵系統設置在主廠(chǎng)房外，障礙物較少，視野空曠開(kāi)闊。因此將冷卻煙道出口壓力及溫度無(wú)線(xiàn)變送器安裝在四樓，收塵器出口壓力及溫度無(wú)線(xiàn)變送器安裝在三樓，引風(fēng)機出口壓力及溫度無(wú)線(xiàn)變送器安裝在引風(fēng)機房頂。收塵無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)安裝在收塵四樓與三樓連接處，以保證每臺無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)能與更多的無(wú)線(xiàn)變送器直接進(jìn)行通信。

1420無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)連接無(wú)線(xiàn)設備和現有控制系統艾默生過(guò)程管理公司的Delta V，由于網(wǎng)關(guān)分布在不同樓層和不同建筑物內，直接無(wú)線(xiàn)通信困難，所以4臺1420智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)是通過(guò)有線(xiàn)Modbus TCP/IP通信方式與主副交換機連接，再連接到Delta V控制系統，如圖2所示。這種連接方式實(shí)際上是將多膛爐無(wú)線(xiàn)系統分成4個(gè)獨立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，可以單獨調試，單獨接入Delta V控制系統。

圖2 多膛爐網(wǎng)絡(luò )結構圖

圖3為多膛爐焙燒總貌畫(huà)面。

圖3 多膛爐焙燒總貌畫(huà)面

會(huì )澤冶煉廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)：

（1）溫度測點(diǎn)多且集中，選用了多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)溫度變送器；

（2）分樓層安裝網(wǎng)關(guān)，而不是按各臺多膛爐設置網(wǎng)關(guān)；

（3）多功能節點(diǎn)以有線(xiàn)Modbus TCP/IP通信方式通過(guò)主副交換機連接到Delta V控制系統；

（4）每個(gè)多功能節點(diǎn)構成一個(gè)相對獨立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

應用效果：

（1）多膛爐無(wú)線(xiàn)儀表從安裝調試完畢后先于工藝設備投入運行，使用至今已安全工作兩年多，系統運行穩定，從未出現過(guò)信號丟失的情況；

（2）流程行業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在多膛爐工藝過(guò)程的成功應用，為儀表選型提供了更多的選擇。

3.2　內蒙呼倫貝爾馳宏礦業(yè)有限公司氧壓浸出工程

內蒙呼倫貝爾馳宏礦業(yè)有限公司140,000t/a氧壓浸出系統工程，由昆明有色冶金設計研究院設計并總承包，是昆明有色冶金設計研究院首次在工程設計中應用Wireless HART無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，2013年9月份無(wú)線(xiàn)通信系統部分調試完成后即投入運行，2014年10月氧壓浸出系統工程投入試生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一年多的試運行，無(wú)線(xiàn)通信系統數據傳送可靠，工作情況穩定，取得令人滿(mǎn)意的效果。

硫化鋅精礦氧壓浸出加速了鋅的浸出速率，使鋅的總回收率從常規的89%提高到94.25%，解決了高鐵硫化鋅精礦中鋅的選擇性浸出，突破了傳統濕法煉鋅工藝難以有效處理高鐵硫化鋅精礦資源的現狀，解決了鋅冶煉中的SO2污染問(wèn)題。

氧壓浸出控制系統選用了艾默生過(guò)程管理公司的Delta V DCS系統，對現場(chǎng)儀表、設備進(jìn)行集中控制和數據采集。在該系統中，采用了HART、FF、PROFIBUS-DP、Wireless HART等多種總線(xiàn)結構和通信方式實(shí)現數據通信和設備診斷，如圖4所示，節約了布線(xiàn)時(shí)間和成本，提高了數據獲取效率，使設備和儀表的維護更加方便快捷。

圖4 通信連接示意圖

該工程配置了1臺無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、10臺無(wú)線(xiàn)壓力變送器、8臺4回路的848無(wú)線(xiàn)溫度變送器和1臺單回路的248無(wú)線(xiàn)溫度變送器，共計19臺無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備、38個(gè)現場(chǎng)測點(diǎn)。

圖4中主工程師站用于存儲Delta V組態(tài)數據；工程師站用于對Delta V進(jìn)行組態(tài)和數據下裝，也可安裝AMS程序對儀表進(jìn)行遠程配置和診斷；應用站主要存放過(guò)程參數和報警的歷史數據；操作站展示現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)數據，對現場(chǎng)設備進(jìn)行操作和查詢(xún)過(guò)程歷史曲線(xiàn)。它們通過(guò)千兆以太網(wǎng)與DCS控制器相連接。DCS控制器上通過(guò)不同類(lèi)型的卡件與現場(chǎng)設備進(jìn)行數據交互，既可以使用普通的模擬量與數字量通道卡件，也可以使用一些特殊卡件用總線(xiàn)的方式與現場(chǎng)設備、儀表進(jìn)行通信。例如：通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)連接PLC和變頻器，通過(guò)FF總線(xiàn)連接FF總線(xiàn)儀表，利用帶HART功能的模擬量卡件連接HART儀表等。Wireless HART的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)是通過(guò)以太網(wǎng)的方式直接接入系統，然后在工程師站中組態(tài)該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)歸屬的DCS控制器，并由DCS控制器控制。無(wú)線(xiàn)溫度變送器、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的現場(chǎng)安裝如圖5所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)溫度變送器（左）、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)（右）的現場(chǎng)安裝

由圖5可見(jiàn)，安裝的無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備集中在6m操作平臺上，樓層高約10m，由于絕大多數工藝設備安裝在樓板上方1～3m高度上，為了讓無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)盡可能與每一臺無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備在直視范圍內無(wú)障礙直接通信，我們把無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)安裝在中心區域樓板上方6m的高度上，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)到無(wú)線(xiàn)儀表或無(wú)線(xiàn)儀表到無(wú)線(xiàn)儀表之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信距離一般不超過(guò)100m。少部分與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)距離較遠或處于視準線(xiàn)有障礙的無(wú)線(xiàn)儀表，可通過(guò)與其相鄰的無(wú)線(xiàn)儀表路由進(jìn)行數據轉發(fā)。

使用羅斯蒙特475手操器按圖6所示的連接方式連接現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表的COMM端口，利用HART的通信方式對現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表的Network ID（網(wǎng)絡(luò )標識符）和Join Key（入網(wǎng)密鑰）進(jìn)行設置，Network ID和JoinKey必須與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)配置管理網(wǎng)站中的設置一致，確保無(wú)線(xiàn)儀表能夠加入此無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò )。

圖6 475手操器連接示意圖

在診斷中可以查看所有儀表的通信狀態(tài)和通信質(zhì)量，如圖7所示。以第一行參數HLOL_PT1009為例：Node state欄表示節點(diǎn)狀態(tài)，正常為綠色圓圈，不正常為紅色圓圈；Active neighbors表示該儀表周?chē)捎糜趥鬏敂祿木W(wǎng)關(guān)或者作為路由器的無(wú)線(xiàn)儀表設備，wihartgw為采集本參數數據的網(wǎng)關(guān)，HLOL_TT1007為可用于傳輸數據作為路由器的無(wú)線(xiàn)儀表設備；Service denied表示該儀表是否被網(wǎng)關(guān)拒絕服務(wù)，正常為綠色圓圈，被拒絕為紅色圓圈，如果出現被拒絕，被拒絕的原因可能是網(wǎng)關(guān)繁忙或者網(wǎng)關(guān)不支持儀表請求的更新速率；Reliability表示儀表的可靠性，統計的時(shí)間從上一次網(wǎng)關(guān)重啟時(shí)開(kāi)始，圖中上一次網(wǎng)關(guān)重啟時(shí)間為2014年10月23日，屏幕截圖時(shí)間為2014年11月26日，在這1個(gè)多月的時(shí)間內，圖中儀表的可靠性均為100%，儀表的運行情況非?？煽?；Missed updates表示從上一次網(wǎng)關(guān)重啟時(shí)開(kāi)始，未收到的數據個(gè)數的統計，在這1個(gè)多月的時(shí)間內圖中的儀表未丟失過(guò)數據；Pathstability表示15分鐘內該設備數據傳輸最好的那條通道的信號強度百分比，一般來(lái)說(shuō)該值應大于60%，圖中顯示數據均大于60%；RSSI表示信號強度，一般來(lái)說(shuō)該值大于-75db（即絕對值小于75db）時(shí)即可正常傳輸數據，而此網(wǎng)絡(luò )將網(wǎng)關(guān)安裝在高處，與絕大多數無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備可視準線(xiàn)無(wú)障礙通信，顯示的RSSI均大于-51db，信號非常好；Joins表示從上一次網(wǎng)關(guān)重啟時(shí)開(kāi)始，該無(wú)線(xiàn)儀表嘗試連接網(wǎng)關(guān)的次數，如果次數大于1，則該無(wú)線(xiàn)儀表信號中斷過(guò)，且重新連接過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，圖中所有儀表均為1，表示從未中斷過(guò)；Join Time表示從上一次無(wú)線(xiàn)儀表嘗試連接網(wǎng)關(guān)的具體時(shí)間。由此可見(jiàn)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備的監控非常便捷。

圖7 通信診斷界面

3.3　俄羅斯RUSAL Boksitogorsk鋁廠(chǎng)

俄羅斯的RUSAL是世界上第三大的鋁生產(chǎn)商，其所屬Boksitogorsk鋁廠(chǎng)采用5m直徑、100m長(cháng)的回轉窯用鋁土礦生產(chǎn)白土（argil），年產(chǎn)量165,000t/a，窯溫控制是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。由于窯體不斷旋轉，原來(lái)采用熱電偶測溫是通過(guò)測溫滑環(huán)的圓柱形碳刷組件傳送，因測溫滑環(huán)不是始終都接觸良好，影響溫度控制，每個(gè)月需停窯兩次，每次三小時(shí)一清理滑環(huán)，降低了窯的生產(chǎn)量，同時(shí)不合格的產(chǎn)品需返回再加工。后決定采用艾默生的智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)，以羅斯蒙特648無(wú)線(xiàn)溫度變送器連接現有的熱電偶，無(wú)線(xiàn)溫度變送器安裝在隔熱陶瓷板上以提供隔熱保護，如圖8所示，無(wú)線(xiàn)設備發(fā)送測量數據傳送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)以太網(wǎng)接口連接到控制系統網(wǎng)絡(luò )。操作人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò )人機接口，將窯爐溫度值保持在240°С~280°С?，F在證明這一應用是成功的，余下的6臺回轉窯也將采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)測溫。

圖8 回轉窯的新舊測溫方式

1. 原有測溫滑環(huán)；2. 測溫熱電偶；3. 隔熱陶瓷板；4. 648無(wú)線(xiàn)溫度變送器

3.4　智利Codelco公司Norte礦

智利國有銅礦開(kāi)采公司Codelco擁有世界上最大的銅礦儲量和資源，Codelco公司Norte礦有3個(gè)露天礦山，礦石可供生產(chǎn)約896,000t精煉銅。為獲取準確、及時(shí)的礦山濃密機濃縮層界面和清水液位，需采集相關(guān)數據。由于礦山位于沙漠地區，存在惡劣的環(huán)境條件（大風(fēng)和溫度驟變）、地形和濃密機與控制室之間的距離遠等挑戰，如采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )投資及維護成本高，故選擇了霍尼韋爾公司符合SP100.11a標準的OneWireless網(wǎng)絡(luò )，用于將無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備連接到現有的霍尼韋爾TPS控制系統和將西門(mén)子S7300PLC連接到霍尼韋爾TPS控制系統。

方案采用霍尼韋爾XYR6000變送器監控清水液位，采用超聲波液位計監控濃密機濃縮層界面，如圖9所示。共有7個(gè)OneWireless多功能節點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，其中一個(gè)多功能節點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)將從PLC采集到的Modbus數據傳送到霍尼韋爾TPS控制系統。這些數據進(jìn)入TPS控制系統的利潤控制器以?xún)?yōu)化設備的過(guò)程控制，包括盡可能多地回收水。

圖9 位于沙漠礦山回收水用的巨型濃密機

4　結束語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)儀表的使用在一定程度上解決了現場(chǎng)布線(xiàn)的許多問(wèn)題，尤其是無(wú)法布線(xiàn)的特殊場(chǎng)合的數據如何測量的難題，而且組態(tài)、維護和擴充也十分方便，與DCS系統完美契合，大大節約了施工周期。從上述應用實(shí)例可以看到，無(wú)線(xiàn)儀表技術(shù)在有色金屬企業(yè)應用潛力巨大，它既可以在一些無(wú)線(xiàn)通信具有特殊優(yōu)勢的場(chǎng)合應用（如回轉窯測溫），也可以在通用場(chǎng)合應用。

作者簡(jiǎn)介：

方原柏（1942-），男，湖北黃岡人，教授級高級工程師，曾就職于昆明有色冶金設計研究院，兼任昆明儀器儀表學(xué)會(huì )理事長(cháng)，中國衡器協(xié)會(huì )技術(shù)專(zhuān)家委員會(huì )顧問(wèn)，主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究。

參考文獻：

[1] 熊洪波, 金志偉, 楊國華. 智能無(wú)線(xiàn)技術(shù)在有色冶金中的應用[J]. 儀表世界, 2014, (6) : 50 - 53.

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[3] 霍尼韋爾. Codelco Optimizes Water Recovery Process with OneWireless Solution[EB/OL]. https://www.honeywell.com/ps/wireless. 2010.

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年4月刊