海洋石油工业中无线HART的应用展望

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经过30余年的蓬勃发展，我国的海洋石油油气产量已超过5000万吨，保障了国家的能源安全，也使得我国的海洋石油工业得到了飞速的发展。在此期间，工业自动化技术特别是HART仪表、分散式控制系统、现场总线技术等都得到了广泛的应用，而且发挥了重要的作用。如今工业无线仪表技术作为工业自动化发展的新兴突破点和发展方向，逐步得到了重视和应用，未来将具有广阔的发展前景。

1工业无线技术的概述

工业无线技术相对于传统的有线（常用的点对点、串行通讯技术）技术具有比较明显的优势：

1）无线技术节省线缆、安装成本，降低工作量。传统有线方案的安装成本一般为每英尺50到100美元[1]；如果是在恶劣工况，特别是有毒、高空、放射性等危险的区域，费用会更高。而使用工业无线仪表，此项费用会节省约90%，同时会缩短项目的建造周期。另外，对于那些需要操作人员和维护人员到现场采集数据和进行相应操作的工作，通过无线仪表自动数据采集可以大大减少工作量。

2）无线技术便于后期的维护和扩展。针对传统有线仪表电缆的故障，首先要查找故障点，由于海洋平台电缆归集于专用的电缆桥架，电缆较多，查找工作非常困难；同样对故障点的处理也相当麻烦，还需要专用的连接头。另外，如果后期增加仪表，需要额外铺设新的电缆，工作量很大，特别是对于平台最下层，工作量和难度很大。工业无线仪表则有无可比拟的优势，首先不存在线缆故障的可能性，扩展时仅需要将无线仪表和网关对码（地址）调通即可投用。

3）无线技术能有效降低能耗。有线仪表的能耗80%集中在线缆的损耗上，而无线仪表的能耗集中在仪表本身，相比而言能耗就显得微不足道了。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出“工业无线技术能够使工业生产率提高10%，并使排放和污染减少25%”[2]。

4）无线技术减少占用石油平台的重量和空间，降低投资。工业无线仪表的使用将减少电缆的使用量，同时节省空间；另外较低的能耗意味着可以减小公用电站的规模及UPS容量，这些都能降低投资成本。

2目前国际上工业无线技术的主流标准

2.1Zigbee标准

ZigBee首先由IEEE802.15工作组提出，它是一种低功耗、低速、低成本、短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。由于Zigbee适用于低速、数据流量较小的应用场合，主要针对家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理及物流管理领域，规模化的工业应用尚未见报道。

2.2无线hart标准

2004年起，HCF（HARTcommunicationfoundation）宣布开始制定无线HART标准，作为HART现场通讯协议第7版HART7.0的核心部分，无线HART标准与所有符合hart协议的仪表和设备一样，都向后兼容现有的hart设备和应用。由于此前HART仪表在工业生产的广泛应用，因此在行业中具有重要的影响力，吸引了包括Emerson、ABB、Siemens、DustNetworks等著名的过程控制供应商的支持和响应。

2.3ISA100.11a标准

ISA100.11a由国际自动化学会（ISA）下属的ISA100工业无线委员会制定，该标准的主要内容包括工业无线的网络构架、共存性、鲁棒性、与有线现场网络的互操作性等，其定义的工业无线设备包括传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备。ISA100.11a标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信数据速率去支持工业现场应用。ISA100.11a最大的特点是在理论上想要实现的是，通过简单的无线基础结构能够支持多种协议：HART，Profibus，Modbus，FF等，因此兼容性非常强大，以满足工业自动化的多种不同的应用需求。但是由于ISA100.11a标准使用自然语言描述，并涉及很多厂家的关键技术，特别是专利，势必形成技术壁垒，因此遵循者对于协议的不同理解会导致不同的协议实践，甚至有时会是导致错误发生。因此，ISA100标准产业化的前提条件之一是所有产品必须通过严格的一致性、互操作性等测试和认证，从而满足兼容性的要求。

3日趋成熟的无线HART技术

3.1无线HART的理论技术基础

无线HART是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议，它采用工作于2.4GHzISM射频频段，具有安全、稳健的网络拓扑结构，将所有信息打包在一个数据包内通过直接序列扩频（DSSS）和跳频技术（FHSS）、时分多址（TDMA）同步、网状网络技术进行数据传送。为了遵循国际标准组织（ISO）开放互连（OSI）参考模式及向前兼容HART标准，HART基金会HCF采用了IEEE802.15.4物理层，并制定单独的MAC层及其以上的协议。无线HART通信协议栈包括物理层，数据链路层，网络层，传输层及应用层[3]。

3.2无线HART结构

无线HART结构是按照易于使用、可靠以及与无线传感器网格型协议相兼容。它强制规定所有的兼容设备必须支持可无操作性，这就是说不同厂家提供的无线HART仪表和设备，无需进行系统操作就能互换，即连即用。另外，无线HART兼容HART的核心技术，比如HART的命令结构和设备语言描述DDL。无线HART规定了三种主要的网络要素：无线HART现场设备、无线HART网关和无线HART网路管理器。还支持无线HART适配器，以便将现有的HART设备接入无线HART网络；以及无线HART手持设备，以便就近接入相邻的无线HART设备

3.3无线HART特点

3.3.1HART协议基础深厚、应用广泛据统计，世界上约20%的工业仪表采用HART协议。无线HART能与原有仪表和控制系统完全兼容，而且通讯的使用和调试非常方便，只要是基于HART的设备、工具、培训、应用软件和工作流程都可继续保留使用。这对于原来的HART设备用户而言，将节省大量投资。

3.3.2支持无线HART的供应商不断的产品化先以Emerson为例，据Emerson介绍，从压力、流量、液位、温度、振动、pH测量等各类仪表变送器到网关节点及其他无线HART兼容产品，从AMS预测性维护资产管理软件到375种现场通讯设备，乃至DeltaV和Ovation数字化系统的纯无线设备监控界面[4]。

3.3.3无线HART技术开放性、兼容性比较好无线HART能够完全向前兼容HART，这就决定了其开放性、兼容性较其他标准优势明显。

3.3.4自组织网状网络自组织网状网络不仅能自动搜寻信号最佳路径，而且在网状网络中的每个设备都能作为路由器用于转发其他设备的报文，例如临时出现某个障碍物挡住了通讯路径，邻近的无线仪表可作为路由器继续传递信号；如果某个节点出现故障，网络会切换到其他冗余的通讯路径，通过以上这些方法保持信号的畅通，从而可使数据传输的可靠性达到99%以上。

3.4无线HART的应用原则

首先确定无线现场网络要应用在某一个过程单元或区域，需要该单元或区域的比例图，例如尺寸标准明确的设备总布置图。然后根据相应原则在比例图上标出所需安装的无线仪表。

4无线HART仪表在海洋石油工业的应用分析

目前采用无线HART的工业无线仪表技术已比较成熟，而且在国外的石油、石化行业，特别是在海洋石油平台上已多见应用，且应用效果比较理想。但在我国的海洋石油工程中，无线HART仪表的规模化应用尚属空白。而目前我国海洋石油平台、FPSO上广泛应用了HART仪表，控制系统软件中也多继承了HART协议管理包。无线HART完全向前兼容HART，这就使得无线HART的应用具有得天独厚的优势。考虑到石油平台、FPSO对监控要求比较高，特别是油气生产的安全、可靠性要求非常苛刻。因此个人认为，无线HART仪表的应用应该分为三个阶段。

4.1已有平台改造时少量试验

目前海洋石油平台、FPSO广泛采用HART仪表且配置了HART软件包的控制系统，因此在后期改造流程时，可以适当尝试无线HART仪表的使用，并注意对使用中的问题和经验进行总结，并和相关设计单位进行交流和反馈。

4.2小型无人井口、井口平台小规模应用

针对小型无人井口、井口平台控制规模小，可以采用无线HART仪表完成监控功能，而减少电缆敷设量，降低投资成本。

4.3新建生产设施的规模应用

在前两个阶段的基础上，借鉴国外成功项目，选择技术实力雄厚的仪表和系统厂家，可以考虑在新建平台、FPSO进行规模化的无线HART仪表的应用，这样无线仪表在节约投资、降低能耗、便于扩展等方面的优势会更加明显，同时也提升了我国海洋石油工业的自动化水平。

5结束语

目前，无线HART仪表还只是应用于过程控制系统的监控中，因为毕竟紧急停车系统关系着整个工艺生产安全的重任，没有严格的SIL等级认证和成功的应用案例，无线HART仪表还无法完全替代有线（点对点）仪表。另外，高耗能仪表，例如电磁、超声流量计等类似仪表的供电问题也是制约无线HART仪表发展的一个瓶颈。但值得期待的是，随着WirelessHart技术的完善和更加成熟后，完全替代有线仪表的无线HART仪表必将具有广阔的应用前景，而且也将给仪表行业带来一次全新的革命。

作者：金海洋 王伟杰 仇长明 单位：海洋石油工程股份有限公司 天津修船技术研究所