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    概述

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

    這些設(shè)備場所距離中央控制室可能達(dá)數(shù)英里之遙，常常由于距離過于遙遠(yuǎn)，有線通信會變得過于昂貴而難于實(shí)現(xiàn)。 這就是為什么無線技術(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(yīng)用的無線技術(shù)以及無線技術(shù)的最新進(jìn)展如何使通信變得更加簡便： 不但可以用來傳遞測量控制數(shù)據(jù)，而且還可以用來傳輸這些處于偏僻場所中設(shè)備的健康狀況信息。

    無線先鋒

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

    通常，這些設(shè)施地點(diǎn)的遠(yuǎn)程測控終端（RTUs）采集現(xiàn)場儀表的過程變量和其它的測量數(shù)據(jù)，先將數(shù)據(jù)根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，然后以無線方式將它們傳送到SCADA系統(tǒng)。 SCADA系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測并按需向RTU發(fā)回控制命令。

    油氣田位置偏遠(yuǎn)，在有些電源以及通信的硬線連接很難實(shí)現(xiàn)或費(fèi)用很高的地方，無線技術(shù)被用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
這種方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并可能在未來的許多年中繼續(xù)用來滿足用戶需求。 但是無線技術(shù)近期的進(jìn)展拓寬了用戶的選擇， 并增加了新的功能——現(xiàn)在可以處理的不僅僅是測量和控制數(shù)據(jù)，還可以幫助用戶最大可能地推進(jìn)他們的油氣生產(chǎn)。

    技術(shù)

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

    ·蜂窩技術(shù)

    蜂窩網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展擴(kuò)大了這項(xiàng)技術(shù)在油氣領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。 然而在許多偏僻孤立的區(qū)域，蜂窩網(wǎng)絡(luò)仍然未能覆蓋。 蜂窩技術(shù)有幾種類型，而GSM/GPRS是數(shù)據(jù)通信的良好選擇。

    GPRS還允許遠(yuǎn)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(tǒng)之間通過互聯(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(yīng)商并不愿意提供IP地址，或者他們會收取很高的費(fèi)用。 同任何其它利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信的技術(shù)一樣，用戶還需要在決定是否應(yīng)用這種方法時(shí)考慮到網(wǎng)絡(luò)的等待時(shí)間和安全問題。 當(dāng)傳統(tǒng)的高功率900MHz無線通信方案難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，蜂窩技術(shù)仍可適用。 

    ·衛(wèi)星

    基于衛(wèi)星的通信技術(shù)一般來說可以提供最廣闊的覆蓋面積。 它可以將非常遙遠(yuǎn)的設(shè)施直接通過一個(gè)靜態(tài)的互聯(lián)網(wǎng)IP地址連接到中央控制室。

    衛(wèi)星技術(shù)同其它的無線技術(shù)相比更加昂貴。 它所用的無線裝置通常更大，消耗的功率也更多，這是因?yàn)樾l(wèi)星信號的傳播必須達(dá)到它的軌道位置方可。然而，近來在小口徑天線衛(wèi)星通信技術(shù)（VSAT）的進(jìn)步使衛(wèi)星數(shù)據(jù)終端在大小、功率和費(fèi)用方面都大大減少，同時(shí)允許數(shù)據(jù)以高達(dá)每秒5,000比特的速度進(jìn)行傳播。 費(fèi)用收取根據(jù)所傳送的數(shù)據(jù)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，用戶還需要將網(wǎng)絡(luò)的等待時(shí)間和安全問題納入考慮的范圍之內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上做出決定是否應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)。
 
    ·900 MHz 無線通信

    已經(jīng)許可的以及近來還未經(jīng)許可的900MHz無線通信技術(shù)都已經(jīng)投入到油氣田數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用之中，且應(yīng)用范圍主要都在北美地區(qū)。

    許可技術(shù)。 高功率90MHz無線通信是一種經(jīng)過考驗(yàn)的成熟技術(shù)，它們在油氣田自動(dòng)化領(lǐng)域的成功應(yīng)用已經(jīng)超過20年之久。 對于本應(yīng)用中的距離和數(shù)據(jù)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(yuǎn)，則意味著功耗更高，而且可能數(shù)據(jù)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(fèi)用問題，許可通信技術(shù)在更大范圍內(nèi)的應(yīng)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（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(tǒng)。

    為了不對現(xiàn)有的許可用戶產(chǎn)生干擾，這些系統(tǒng)的發(fā)射功率受到有關(guān)規(guī)定的限制。這些限制限定了這些無線系統(tǒng)的發(fā)射范圍，同高功率許可系統(tǒng)比較，這是一個(gè)重要的區(qū)別。

    許可無線通信設(shè)備制造商還必須為他們的產(chǎn)品提供保護(hù)，以避免來自于其它系統(tǒng)的干擾。 通常提供的保護(hù)是利用擴(kuò)展頻譜傳輸技術(shù)來進(jìn)行的。

    有必要提及的是，這兩種無線通信系統(tǒng)一般都限于視線傳輸，而且每種應(yīng)用都要求有專用的無線網(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線技術(shù)的關(guān)鍵屬性進(jìn)行總結(jié)。

             

    雖然GSM/GPRS、衛(wèi)星技術(shù)以及900MHz無線通信都適用于遠(yuǎn)程油氣田監(jiān)測應(yīng)用，通常選擇的技術(shù)還是900MHz。

    設(shè)備診斷

    由于油氣田十分巨大，設(shè)備分布遙遠(yuǎn)，要對這些設(shè)備進(jìn)行維護(hù)是一件困難而且費(fèi)時(shí)的工作。 有時(shí)候用戶甚至不知道設(shè)備出現(xiàn)了問題，直到有人注意到測量值“看上去不正常”的時(shí)候，才能意識到問題的存在。

    假如用戶能夠探測到可能導(dǎo)致設(shè)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)搞定問題，這項(xiàng)任務(wù)就簡單多了。 而且今天的市場上，每分鐘的停工期，或者產(chǎn)量的減少都會導(dǎo)致利潤機(jī)會的喪失。

    傳統(tǒng)的無線SCADA系統(tǒng)通常不會提供關(guān)于設(shè)備狀況以及周圍相關(guān)操作過程的信息，而是依賴于操作人員或者工程師來關(guān)注那些反常信息，這些信息可能會顯示潛在的設(shè)備問題或者故障。

    幸運(yùn)的是，由于近期無線技術(shù)的進(jìn)步和RTU性能的改善， 從HART現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送診斷數(shù)據(jù)到中央資產(chǎn)管理系統(tǒng)已經(jīng)可以做到。

    中央系統(tǒng)的資產(chǎn)管理軟件可以直接通過無線網(wǎng)關(guān)同設(shè)備進(jìn)行通信。無線網(wǎng)關(guān)如專門設(shè)計(jì)用于處理此類信息的高級RTU， 可以繼續(xù)將實(shí)時(shí)過程的數(shù)據(jù)傳遞給SCADA系統(tǒng)。 網(wǎng)關(guān)乃是SCADA系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)以及現(xiàn)場設(shè)備的中央通信環(huán)節(jié)。

    用戶可以直接訪問這些最新信息，對潛在問題的探測、診斷、甚至預(yù)測，以盡可能地防止設(shè)備故障甚至由遙控操作造成的停機(jī)，都變得更加容易。

    艾默生的“智能遠(yuǎn)程自動(dòng)化”為油氣田應(yīng)用提供了PlantWeb 數(shù)字體系之優(yōu)勢，包括將智能HART設(shè)備的健康狀況數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成預(yù)測信息，供操作人員之用。 其重要部件包括：

    · ROC800系列遠(yuǎn)程操作控制器是一種經(jīng)過現(xiàn)場考驗(yàn)的測量與控制遠(yuǎn)程測控終端設(shè)備（RTU），作為遠(yuǎn)程HART儀表和在中央控制室的艾默生AMS?設(shè)備管理組合的通信環(huán)節(jié)。 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和無線體系架構(gòu)。

   · ROC 現(xiàn)場服務(wù)器是一種現(xiàn)場設(shè)備，它將低帶寬、低速現(xiàn)場診斷通信和高帶寬、高速度以太網(wǎng)主機(jī)通信結(jié)合起來，并進(jìn)行管理。 它通過確定數(shù)據(jù)包發(fā)送優(yōu)先順序、緩沖、帶寬管理以及自動(dòng)目錄生成等來克服帶寬限制。

   · AMS 設(shè)備管理組合是一種業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的開放式軟件家族產(chǎn)品，為智能儀表提供實(shí)時(shí)組態(tài)、標(biāo)定、診斷、文檔以及用戶界面。 它包括AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)和AMS設(shè)備信息平臺，為每個(gè)遠(yuǎn)程ROC800控制器提供通信與數(shù)據(jù)庫接口。

    低成本增量監(jiān)測

    以上所介紹的都是關(guān)于如何利用無線技術(shù)將遠(yuǎn)距離油氣田的設(shè)備數(shù)據(jù)連接到數(shù)英里之外的中央控制系統(tǒng)或者中央信息系統(tǒng)的問題。 但是在遠(yuǎn)距離現(xiàn)場之內(nèi)，也有利用無線通信的機(jī)會。 特別是，無線技術(shù)可以以合適的費(fèi)用來采集現(xiàn)場附加信息，即更多的測量值，以幫助用戶改善操作的效率。

    例如，“抽水機(jī)”需要頻繁訪問遠(yuǎn)處的現(xiàn)場以檢查油罐和水罐的液位，并在必要時(shí)將他們抽空。但是若訪問的是無需抽空的儲罐，就會對時(shí)間和資源造成浪費(fèi)。通過為儲罐加裝液位測量儀表，將數(shù)據(jù)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(jī)，從而可以減少出行的次數(shù)以及相關(guān)的旅行成本。

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

    例如， 在油井區(qū)或者其它的偏遠(yuǎn)場所，自組織無線網(wǎng)絡(luò)可以連接那些堅(jiān)固耐用、電池供電的儀表設(shè)備， 而這些設(shè)備自動(dòng)地測量并向本地網(wǎng)關(guān)或者RTU報(bào)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SCADA網(wǎng)絡(luò)加以傳遞。 無需因電源或通信之故來敷設(shè)電纜或者挖溝。

    如果自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線信號遭到中斷，例如，由于有輛卡車停泊在設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)通過其它的無線設(shè)備改道進(jìn)行通信，直到信號抵達(dá)目的地為止。設(shè)備安裝、拆除以及重新定位都很容易。而且用戶也無需擔(dān)心需要司機(jī)比以前跑得更勤以便為所有的設(shè)備更換電池。 根據(jù)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(shè)計(jì)的設(shè)備中，電池的壽命可以持續(xù)數(shù)年。

    總結(jié)

    無線技術(shù)作為一種工具將遠(yuǎn)距離油氣田和中央監(jiān)測控制系統(tǒng)聯(lián)系起來已經(jīng)有很長的歷史。 缺乏硬線連接的電源和通信基礎(chǔ)設(shè)施的狀況常常使無線技術(shù)在這些偏遠(yuǎn)地區(qū)成為唯一可行的選擇。

    綜上所述，新技術(shù)正在提供更多類型的通信選擇以滿足特定的應(yīng)用需求，從蜂窩網(wǎng)絡(luò)到衛(wèi)星技術(shù)，再到900MHz無線通信等等。最近的技術(shù)進(jìn)展提供了新的途徑， 使無線技術(shù)可以用于改善操作。 這包括將設(shè)備診斷信息整合到無線通信中，然后再將信息從遠(yuǎn)處的現(xiàn)場發(fā)送到中央系統(tǒng)；以及利用自組織網(wǎng)絡(luò)以合適的價(jià)格在遠(yuǎn)處現(xiàn)場增加增量測量儀表等等。 


                                                      ——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》