利用可任意添加的無線自動化技術，提高石油勘探、開采和精煉能力

無線網(wǎng)絡可分布于工廠任何地方，實現(xiàn)了“自由添加”的自動化方式
圖1
此外，我們也在探尋無線功能在今后的應用領域，這可能包括提高移動作業(yè)人員的效率、在過程中的無線攝像應用、安全集結以及人員設備的位置跟蹤。

業(yè)務挑戰(zhàn)。對于上游工廠來說機會顯而易見，離岸平臺需要更多更全的信息，以獲得更好的采油效率，因為發(fā)現(xiàn)一口油井可能需要10年，而讓油井產(chǎn)油還要10年，所以必須讓油井持續(xù)高效地產(chǎn)油才能收回巨大的投入。在擁擠的平臺上和浮式儲油船上所采用的自動化方案必須體積小、重量輕、安裝和使用方便。

海上油田也希望能夠延長油井壽命和提高產(chǎn)量。需要通過一些改進來提供更好的采油系統(tǒng)監(jiān)測，實現(xiàn)輸配系統(tǒng)和過程裝置的高采收率，為運行中心提供更好的信息來控制分散的油井和設施。而人員安全、環(huán)保、可靠性和贏利能力都需要技術的支撐。

煉油廠可以通過自動化在滿足需求產(chǎn)出的同時提高效益。這就需要改善對設備、儀表和過程的監(jiān)測，以延長正常運行時間，提高運行性能，從而降低運行和維護成本，并滿足新出臺的環(huán)境法規(guī)。

雪佛龍的工程師和操作人員希望能在現(xiàn)有工廠中安裝一些儀表來提高監(jiān)測力和過程可靠性，以及整體工廠效益。儀表本身成本不高，但在現(xiàn)有工廠中安裝和調(diào)試有線儀表的成本卻太高了。

無線技術是否能解決問題？雪佛龍使用無線技術已經(jīng)有好幾年了，尤其是應用在分布于海上或離岸油田的SCADA系統(tǒng)上。相反，以前無線測量儀表和網(wǎng)絡在較狹小的工業(yè)工廠或離岸平臺以及浮式儲油船的應用并不太成功，90年代初期的技術并不適合工業(yè)環(huán)境，通訊可靠性、安全和電池壽命都不盡人意。

由于早期缺乏工業(yè)無線標準和適用于過程應用的功能，僅管無線技術會對工廠運營帶來很大價值，雪佛龍卻遲遲沒有將無線現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡應用到監(jiān)測和測量領域。但是來自于上游和下游的需求終究是存在的。

幸運的是，到了90年代后期，半導體和電池技術逐步走向成熟，很多過程自動化供應商投資進行無線技術應用于工業(yè)環(huán)境的研發(fā)，標準的開發(fā)也在同步進行，在雪佛龍公司和其他最終用戶的協(xié)助下完成了草案的擬定和數(shù)據(jù)測試，以使無線技術滿足通訊可靠性和安全性的需求。

無線測量儀表品種廣泛，符合IEC62591（WirelessHART）通訊技術標準，能夠實現(xiàn)99%的通訊可靠性，您可以從較少的回路開始逐步擴展到全廠。

雪佛龍的自動化專家堅信這些變化將使無線技術以一種全新的姿態(tài)展現(xiàn)在人們面前。無線架構通訊可靠、功能強大，可以使新建或改造工廠中的有線系統(tǒng)更上一個臺階。更少的工程和安裝工作使項目建設更為簡單，投入更少，并且能夠實現(xiàn)過去無法實現(xiàn)的現(xiàn)場測量。此外由于無線儀表安裝成本低，可以考慮在原來通過有線方式增加測量點成本太高的地方增加無線應用。

投資無線。一旦決定采用無線方案，雪佛龍的自動化專家就在其位于加利福尼亞州的里士滿能源技術公司成立了一個無線中心，該中心包括一個無線測試臺和一個實驗室，對來自于不同廠家的無線技術和設備進行測試。雪佛龍上中下游各分公司的專家集聚在這里，對其各自所需的無線應用進行檢驗和測試，以便今后推廣到全球。

實驗室模擬了一個比實際工廠更為嚴酷的無線電頻率環(huán)境，即無線信號必須與工廠原有信號共存，以檢測無線通訊的可靠性。雪佛龍在無線電頻率環(huán)境中進行了軟件和與其它設備及儀表共存的測試。實驗室在美國一家煉油廠安裝了無線設備，并在約2.5*2英里的工廠范圍內(nèi)設置了一些典型的障礙，如鋼筋結構、移動車輛以及復雜的地形。

經(jīng)過對無線技術和設備的嚴格測試和確認，雪佛龍選擇了最符合標準的無線儀表方案，以滿足其當前和未來對于提高裝置和工廠整體性能及收益的要求。他們的選擇充分考慮了成本、安全、通訊可靠性、電源管理等因素，以及是否具備足夠的功能、資源和技術與現(xiàn)有的有線技術兼容，并在此基礎上進行擴展。作為這個團隊的一部分，各自動化供應商的技術人員與雪佛龍緊密合作，共同研發(fā)無線技術和最佳實踐，以幫助雪佛龍實現(xiàn)目標。

實施無線方案。雪佛龍起初是在加利福尼亞San Ardo的油田注蒸汽回收油氣的項目中接觸無線技術的。無線儀表網(wǎng)絡傳遞可靠的數(shù)據(jù)以降低蒸汽過量和廢水排放。注汽數(shù)據(jù)能夠被傳送到油田控制室，這樣工作人員就不必前往注汽口手工采集數(shù)據(jù)并檢查設備是否正常工作了。此外，操作人員也不必置身于高壓高溫環(huán)境中，因此人員安全性大大提高。

油田中第二個無線網(wǎng)絡是以電池供電的無線儀表測量井底井壓，雪佛龍將這些數(shù)據(jù)用于其專門的油層計算，包括用來確定要注入多少蒸汽、油的流型以及新的油井位置。與原來的遙感測量裝置相比，新的無線網(wǎng)絡節(jié)省了安裝成本，減少了維護工作量。

在加利福尼亞的應用充分體現(xiàn)了無線技術的益處，它可以安裝在已建成的上游油田，實現(xiàn)遠距離通訊。

雪佛龍煉油廠還在進一步開發(fā)無線技術的新應用，他們有一個集工程、運營、維護和IT人員于一體的項目組。這個創(chuàng)新項目填補了煉油行業(yè)的空白，它所采用的無線通訊結構由網(wǎng)關、接入點和軟件組成，一旦結構安裝完畢，煉油廠可快捷方便地任意添加監(jiān)測點以提高運行性能

在這個工廠網(wǎng)絡中，雪佛龍需要在煉油廠的關鍵位置安裝無線通訊點，無線網(wǎng)絡采用IEEE802.11 Wi-Fi接入點覆蓋，它集成了無線現(xiàn)場網(wǎng)絡（見圖2）。現(xiàn)場網(wǎng)絡中使用的過程測量和控制儀表采用的是IEC62591（WirelessHart）技術。

工廠網(wǎng)絡的建設從現(xiàn)場評估開始。首先自動化供應商采用衛(wèi)星測繪來規(guī)劃Wi-Fi接入點的最佳安裝點，然后雪佛龍公司就和自動化供應商一起拿著接入點設備和通訊設備在各油罐及工廠裝置間對這些點進行測試和測量，完成工廠網(wǎng)絡的現(xiàn)場評估。這個過程是為了確保Wi-Fi設備能夠安裝在最佳位置。

雪佛龍和自動化供應商利用這些信息來規(guī)劃、設計和選擇所需要設備，接著是工廠驗收測試，以確保所有的設備都能夠在工廠Wi-Fi網(wǎng)絡中保持通訊。最后是現(xiàn)場驗收。整個工廠網(wǎng)絡包括16個Wi-Fi接入點，與分布在煉油廠中的12個現(xiàn)場儀表網(wǎng)絡進行通訊。現(xiàn)場網(wǎng)絡采用IEC62591（WirelessHART）技術進行通訊。在煉油廠中當?shù)乩砦恢秒y以到達，或距離太遠時，就可以添加一臺無線儀表擴大測量范圍。Wi-Fi網(wǎng)絡中的接入點連接或回傳所有現(xiàn)場網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到中控室或IT電腦。

還將有很多現(xiàn)場儀表被用在各種應用中，如泵、電機的振動監(jiān)測；公用工程監(jiān)測；分餾塔溫度測量、水流量、儲罐溢出保護和腐蝕監(jiān)測。設備的可以根據(jù)需要隨時添加，而無需再次進行現(xiàn)場評估，從安裝到提供測量只需很少的時間，通過圖形化的軟件，工廠維護人員或網(wǎng)絡管理人員可以直觀地看到整個工廠網(wǎng)絡，而操作人員也可以連續(xù)在線查看通過網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。

IT部門享有工廠網(wǎng)絡的管理權，針對無線技術的IT最佳實踐方法已經(jīng)建立，且以英特網(wǎng)安全標準作為保障。僅在IT和過程網(wǎng)絡之間的連接，它的安全較容易實現(xiàn)和管理。防火墻的設置使網(wǎng)絡間的通訊安全可靠。

通過防火墻，現(xiàn)場數(shù)據(jù)被傳送到歷史數(shù)據(jù)庫和資產(chǎn)管理軟件，用于設備健康狀態(tài)管理等用途。維護人員可通過軟件來觀察和管理諸如反應器等設備，在維護工作站調(diào)用設備當前或歷史信息。狀態(tài)監(jiān)測和預測維護信息被傳送到過程自動化系統(tǒng)，供操作人員使用，在操作站也能查看用于過程運行的數(shù)據(jù)。

無線管理小組的建立是為了對無線現(xiàn)場網(wǎng)絡進行評估和選擇。該小組成員來自于無線技術、工程、維護和運行等職能。小組記錄了實施無線測量應用的結果，并對新的無線應用進行審核。

經(jīng)驗教訓。現(xiàn)在無線結構已經(jīng)建立起來了，運行、可靠性或工程小組不時會提出增加現(xiàn)場測量的要求，無線管理委員會定期開會對各種無線應用的方案進行評估。以前由于成本高或實施困難而無法實現(xiàn)的應用現(xiàn)在都可以輕松實現(xiàn)了，這正是無線架構的意義所在，事實驗證無線方案從電子結構到相關工程費用可節(jié)省幾百萬美元。

在整個無線方案的研究中我們得到了以下結論:

·基于IEC62591的WirelessHART技術在工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)出色。

·即使小型的現(xiàn)場網(wǎng)絡也能獲得很高的回報。用戶可以根據(jù)需要隨時擴展無線工廠網(wǎng)絡，不斷擴大收益。

·在工廠Wi-Fi網(wǎng)絡中確定接入點和網(wǎng)關位置，可以從現(xiàn)場評估著手，之后要增加無線現(xiàn)場儀表，無需再進行現(xiàn)場評估。

·在項目前期就應該讓IT安全人員、無線專家、操作和維護人員參與進來。

·建立一個多職能部門聯(lián)合的無線管理小組對新的無線應用進行選擇和管理。

·明確無線儀表在工廠中的用途（是用于控制還監(jiān)測）。

·采用開放的通訊標準：如應用于工廠網(wǎng)絡的IEEE802.11(Wi-Fi)標準，應用現(xiàn)場網(wǎng)絡的IEC62591(WirelessHART)標準。

展望未來。經(jīng)過成功測試，實驗室檢定和煉廠的使用，雪佛龍各業(yè)務部門開始開發(fā)各自的無線應用。事實證明，無線儀表可以根據(jù)需要隨時添加，而且成本不高。在全球，已經(jīng)有越來越多的項目正在進行調(diào)研，希望將無線技術應用在上游和下游的業(yè)務中。

作者介紹

Greg Laframboise

在雪佛龍已有29年的儀表、自動化與電氣工作經(jīng)驗，參與過自動化項目各階段的工作，包括項目開發(fā)、工程和建設。LaFramboise先生分別在美國多個城市和美國之外的國家工作過，包括印尼。在過去的5年里，他曾擔任過無經(jīng)技術的負責人，主管無線傳感技術。

Bob Karschnia

艾默生過程管理公司羅斯蒙特測量部無線技術副總裁，在過程控制領域擁有18年的工作經(jīng)驗。目前他負責整個無線業(yè)務中羅斯蒙特的無線產(chǎn)品和整個艾默生過程管理無線活動的協(xié)調(diào)。在這之前，Karschnia在公司擔任過設計工程和管理等職務。加入羅斯蒙特之前，他曾在壓縮機控制集團公司從事旋轉設備控制系統(tǒng)的開發(fā)工作，并在Lockheed Martin公司從事衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設計工作。Karschnia還曾在美國空軍擔任過軍官，從事衛(wèi)星控制和通訊系統(tǒng)。他在密尼蘇達州大學獲得了航空工程的學士學位，在科羅拉多大學獲得了電子工程的碩士學位。

關于艾默生過程管理

艾默生過程管理www.EmersonProcess.com （全球www.EmersonProcess.cn （中國）是艾默生業(yè)務的一部分，其在化工、石油天然氣、煉油、紙漿和造紙、電力、食品與飲料、制藥和其它的工業(yè)的自動化領域中居于領先地位。針對特定的工業(yè)行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和技術、咨詢、項目管理和維護服務。艾默生過程管理公司的品牌包括: PlantWeb®, DeltaV™, Ovation®, Fisher®, Micro Motion®, Rosemount®, Mobrey®, Daniel®, Bristol®, 和 AMS™ Suite.

關于 Emerson

總部位于美國圣路易斯市的 Emerson （紐約證券交易所股票代碼: EMR）是一家全球領先的公司，該公司將技術與工程相結合，在網(wǎng)絡能源、過程管理、工業(yè)自動化、環(huán)境優(yōu)化技術及工具和儲存領域為工業(yè)、商業(yè)及消費者市場客戶提供創(chuàng)新性的解決方案。公司 2010 財年的銷售額達 210 億美元。如欲了解進一步信息，歡迎訪問 www.Emerson.com（全球）、www.emerson.com.cn（中國）。