WIA-PA 技術在儀表數據采集中的應用

0 引言

很多傳統的煉化工廠儀表點數多，在日常生產中大部分尚采用人工抄表的方式獲取計量數據，分布較分散，數據準確性與實時性差，工人抄表工作量大，人身安全無法保障。接入 DCS 難度較大，成本較高，占能源介質計量儀表較大比例的都是有線儀表，缺少有效的技術解決手段；而且換表投資較大，工程量也非常大，短期內很難實現。非及時準確的數據嚴重影響企業的能源結算、平衡等精細化管理，制約企業的能源管理等智能化工作開展，因此獲取底層準確及時的數據成為制約企業智能化建設的瓶頸。本文通過建設基于 WIA-PA 的工業無線網絡，對計量表信號上傳方式進行改造，并建立計量信息化數據平臺，實現全廠范圍內計量儀表的遠程實時監控，計量結算報表智能化等業務需求，實現計量工作自動結算，平衡計算、能源監控與評估預警、跑冒滴漏預警等功能需求，同時，打通數據采集軟件與實時數據庫之間的通道，為企業能源平衡與精細化、智能化計量生產提供技術支撐，也為企業未來智能工廠建設提供底層的數據支撐。

1 WIA-PA 技術

面向工業過程自動化的工業無線網絡標準技術（Wireless Network for Industrial Automation-Process Automation，WIA-PA）是由中國科學院沈陽自動化研究所研發的具有自主知識產權的工業無線測控網絡技術[1]。2011 年，WIA-PA 技術經國際電工委員會 IEC 投票通過，成為國際標準，是我國在工業物聯網領域的首個國際標準，其網絡數據傳輸可靠性大于 99%，數據傳輸延時小于 10 s，網絡設備依靠電池供電可工作五年以上,主要性能指標達到了國際先進水平。

1.1 網絡架構

WIA-PA 無線局域網絡由 WIA 網關與 WIA-PA 無線采集終端構成，如圖 1 所示。WIA-PA 無線采集終端可以是集成 WIA-PA 無線適配器的工業測控儀表，也可以是 WIA-PA 無線通信模塊的 WIA-PA 無線儀表以及 RTU 等具有 WIA-PA 無線通信功能的現場設備。WIA 無線網絡遵循 WIA-PA 無線通信協議，滿足工業自動化的高可靠性，高穩定性，高實時性，安全，靈活的技術要求。

WIA-PA 工業無線網絡采用分層的自組織模式，集中與分布相結合的網絡架構，使得動態網絡的管理效率提高了 80% 以上。WIA-PA 無線網絡采用自適應跳頻的網絡技術，提高了網絡的抗干擾能力，采用了多路徑 MESH 路由的網絡策略提高了系統的通信可靠性。WIA-PA 無線網絡采用全網 TDMA 模式，分時接收，分時發送，設備在各自時隙內完成通信，保證通信時無沖突，端到端通信時延低于 1 s。針對無源的工作條件，WIA-PA 無線網絡在設備硬件設計上采用了低功耗器件，軟件設計中融入了基于高精準時間同步技術的休眠喚醒機制。而且網絡中加入了加密、認證、通信驗證、密鑰管理、攻擊識別等多級安全技術，提高了網絡的安全性。

1.2 應用架構

針對煉化企業的實際應用 WIA-PA 技術能夠應用于工廠過程監測，智能儀表設備在線監測，生產設備在線監測，人員智能巡檢，危險視頻監測，能源與物料管理等幾個方面。

（1）在工廠過程監測方面，基于 WIA-PA 技術可以實現對工業生產中的自動化儀表、生產設備的智能化以及在線監測。目前工廠內 88% 的維護管理工作時計劃性或者響應式開展的，時效性差，冗余工作多。眾所周知，設備的故障發生都是有潛在周期的，將 WIA-PA 技術融入工廠過程監測中，可以實現生產設備的預測性維護，在故障發生前通過設備狀態監測及時發現問題，減少故障損失，提高工業生產的安全性，減少不必要的巡檢與檢修，提高生產效率。

（2）在智能儀表在線監測方面，通過 WIA-PA 無線適配器能夠實現傳統智能儀表的無線化信息遠傳、配置與故障診斷。目前國內工業生產中有 2×107 塊 HART 儀表僅使用 4～20 mA 模擬信號進行信息遠傳，HART 儀表的實時狀態、診斷信息以及多變量的過程信息難以在線獲取，通過 WIA-PA 無線適配器與傳統智能儀表的無縫對接，實現了傳統智能儀表的真正智能化。WIA-PA 無線適配器通過儀表上的格蘭口固定，通過 4～20 mA 模擬信號源獲取工作電源，安裝靈活方便。

2 數據采集改造方案

在計量表完好的計量點安裝 WIA-PA 無線適配器（安裝無線儀表適配器、具有 RS-485/AI/PI 接口儀表安裝無線 IO、具有 HART 接口的儀表安裝無線 HART 適配器），部分計量點無計量表或計量表故障的需配備計量表后安裝無線適配器，在車間或中控室屋頂附近安裝無線網關，進行區域無線覆蓋并接入工廠局域網，實現生產現場計量儀表的無線數據遠傳。

在信息檔案管理中心服務器安裝部署數據采集軟件，管理人員可在局域網內通過授權 Web 化訪問數據采集軟件，實現現場儀表數據遠程監控、顯示、分析、自動結算、平衡計算等自動化、可視化、精細化的計量管理工作,同時，打通數據采集軟件與實時數據庫之間的數據通道，并將數據推入實時數據庫，實現現場數據的存儲、管理與并行應用。系統結構如圖 2 所示。其架構為三個層次，首先 WIA-PA 無線適配器與現場智能流量計通過 HART 接口連接，WIA-PA 無線儀表適配器通過傳感器與計量儀表連接，WIA-PA 無線 IO 適配器通過雙絞線與具有 RS-485 口的智能儀表連接，WIA-PA 無線適配器（無線儀表適配器、無線 IO）將計量儀表采集的數據上傳到 WIA-PA 智能無線網關，構成現場數據采集層；其次 WIA 無線網關通過工廠局域網將采集的數據上傳至后臺服務器。最上層是控制中心應用系統，主要實現人機交互功能，將現場采集數據集中顯示、綜合分析，并推送至實時數據庫。

WIA-PA 數據采集網絡主要由 WIA-PA 智能無線網關、WIA-PA 無線適配器、WIA-PA 無線水表適配器、WIA-PA 無線 IO 適配器、WIA-PA 中繼設備構成，并以不同地理區域劃分組建現場網絡。其中 WIA-PA 智能無線網關用于管理現場 WIA-PA 無線適配器、WIA-PA 無線水表適配器、中繼節點，同時匯集現場設備數據，通過協議轉換上傳工廠內網絡，WIA-PA 無線適配器主要用于現場儀表數據的無線遠傳，無線適配器經由 Hart 接口將現場儀表數據提取并遠傳到 WIA-PA 智能無線網關設備，WIA-PA 無線水表適配器主要用于現場旋翼式水表的數據無線遠傳，無線水表適配器通過傳感器將旋翼式水表數據提取并遠傳到 WIA-PA 智能無線網關設備，對于不可視距建筑遮擋嚴重的應用場景，利用WIA-PA中繼設備實現信號盲點的數據跳傳功能[2]。

主干傳輸網絡由工廠局域網完成，WIA-PA 智能無線網關設備與其通過 RJ45 網口連接，將匯集的現場數據進行遠距離傳輸,構建了廠區混合傳輸網絡。

管理與接入軟件主要通過軟件，將現場采集的數據接入計量與優化系統，為煉廠生產加工，精細計量，優化分析提供精準數據。為現場工人智能抄表提供便捷途徑，節約儀表抄錄工作量。

3 結語

該方案的實施可實現對計量表數據的自動采集，傳輸，數據可接入實時數據庫，可實現計量表的遠程實時監控，報表生成，自動結算，平衡計算，可及時發現管線跑冒滴漏、計量表故障等異常情況，為企業能源平衡與精細化計量提供技術支撐。與有線方式實現相比，大大節省成本及施工費用，施工周期縮短三分之二以上，節約了計量成本，降低了計量人員的勞動強度，保障了計量人員的人身安全,推進了智能工廠與信息化的建設。