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    概述

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

    這些設備場所距離中央控制室可能達數英里之遙，常常由于距離過于遙遠，有線通信會變得過于昂貴而難于實現。 這就是為什么無線技術在這種情況下可以提供理想的技術體系的原因了。

    本文將介紹適于這些應用的無線技術以及無線技術的最新進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據，而且還可以用來傳輸這些處于偏僻場所中設備的健康狀況信息。

    無線先鋒

    無線技術在油氣工業(yè)的成功應用已經有數十年的歷史了，這毫不奇怪。 許多水源、管道以及其它設施常常距離中央控制室有5~20英里之遠，甚至更遠。有些地點由于太過遙遠，有線通信基礎設施，如電話線路等等，根本無法實現。在這種情況之下，無線技術成為唯一切實可行的技術方案。

    通常，這些設施地點的遠程測控終端（RTUs）采集現場儀表的過程變量和其它的測量數據，先將數據根據需要轉換成數字格式，然后以無線方式將它們傳送到SCADA系統(tǒng)。 SCADA系統(tǒng)對數據進行監(jiān)測并按需向RTU發(fā)回控制命令。

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

    技術

    用于RTU 和SCADA系統(tǒng)之間連接的最好技術，通常應該能夠提供覆蓋面、速度以及成本的最佳結合。 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。油氣田遠程應用的三種最可能的選擇是蜂窩技術、衛(wèi)星技術以及900MHz無線通信技術。 

    ·蜂窩技術

    蜂窩網絡的不斷擴展擴大了這項技術在油氣領域的潛在應用。 然而在許多偏僻孤立的區(qū)域，蜂窩網絡仍然未能覆蓋。 蜂窩技術有幾種類型，而GSM/GPRS是數據通信的良好選擇。

    GPRS還允許遠程終端以每秒56kb的通信速度跟互聯(lián)網進行連接。有些網絡，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)網進行雙向通信常常要求有固定的IP地址，而許多互聯(lián)網服務供應商并不愿意提供IP地址，或者他們會收取很高的費用。 同任何其它利用互聯(lián)網進行通信的技術一樣，用戶還需要在決定是否應用這種方法時考慮到網絡的等待時間和安全問題。 當傳統(tǒng)的高功率900MHz無線通信方案難以實現時，蜂窩技術仍可適用。 

    ·衛(wèi)星

    基于衛(wèi)星的通信技術一般來說可以提供最廣闊的覆蓋面積。 它可以將非常遙遠的設施直接通過一個靜態(tài)的互聯(lián)網IP地址連接到中央控制室。

    衛(wèi)星技術同其它的無線技術相比更加昂貴。 它所用的無線裝置通常更大，消耗的功率也更多，這是因為衛(wèi)星信號的傳播必須達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（VSAT）的進步使衛(wèi)星數據終端在大小、功率和費用方面都大大減少，同時允許數據以高達每秒5,000比特的速度進行傳播。 費用收取根據所傳送的數據量而定。 

    同任何其它利用互聯(lián)網進行通信的技術一樣，用戶還需要將網絡的等待時間和安全問題納入考慮的范圍之內，并在此基礎上做出決定是否應用衛(wèi)星技術。
 
    ·900 MHz 無線通信

    已經許可的以及近來還未經許可的900MHz無線通信技術都已經投入到油氣田數據傳輸的應用之中，且應用范圍主要都在北美地區(qū)。

    許可技術。 高功率90MHz無線通信是一種經過考驗的成熟技術，它們在油氣田自動化領域的成功應用已經超過20年之久。 對于本應用中的距離和數據率而言，這種技術非常合適。

    許可900MHz通信技術的發(fā)送范圍一般是15~25km（10~25英里）。 距離更遠，則意味著功耗更高，而且可能數據傳輸率更慢。

    未許可技術。由于可用頻率的缺乏，以及獲取許可時間的耽擱和費用問題，許可通信技術在更大范圍內的應用受到局限。而未許可技術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頻帶進行分配，用于未許可的通信系統(tǒng)。

    為了不對現有的許可用戶產生干擾，這些系統(tǒng)的發(fā)射功率受到有關規(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，這是一個重要的區(qū)別。

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

    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，而且每種應用都要求有專用的無線網絡，其中可能包括多個發(fā)射塔和中繼器。 

    ·關鍵屬性的比較

    下面的表格對于以上討論的三種無線技術的關鍵屬性進行總結。

             

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

    設備診斷

    由于油氣田十分巨大，設備分布遙遠，要對這些設備進行維護是一件困難而且費時的工作。 有時候用戶甚至不知道設備出現了問題，直到有人注意到測量值“看上去不正常”的時候，才能意識到問題的存在。

    假如用戶能夠探測到可能導致設備發(fā)生故障的狀況，并在引發(fā)意外停工的事故之前及時搞定問題，這項任務就簡單多了。 而且今天的市場上，每分鐘的停工期，或者產量的減少都會導致利潤機會的喪失。

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

    幸運的是，由于近期無線技術的進步和RTU性能的改善， 從HART現場設備發(fā)送診斷數據到中央資產管理系統(tǒng)已經可以做到。

    中央系統(tǒng)的資產管理軟件可以直接通過無線網關同設備進行通信。無線網關如專門設計用于處理此類信息的高級RTU， 可以繼續(xù)將實時過程的數據傳遞給SCADA系統(tǒng)。 網關乃是SCADA系統(tǒng)、資產管理系統(tǒng)以及現場設備的中央通信環(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、甚至預測，以盡可能地防止設備故障甚至由遙控操作造成的停機，都變得更加容易。

    艾默生的“智能遠程自動化”為油氣田應用提供了PlantWeb 數字體系之優(yōu)勢，包括將智能HART設備的健康狀況數據轉換成預測信息，供操作人員之用。 其重要部件包括：

    · ROC800系列遠程操作控制器是一種經過現場考驗的測量與控制遠程測控終端設備（RTU），作為遠程HART儀表和在中央控制室的艾默生AMS?設備管理組合的通信環(huán)節(jié)。 ROC800支持各種通信與網絡技術，其中包括高速與低速的有線和無線體系架構。

   · ROC 現場服務器是一種現場設備，它將低帶寬、低速現場診斷通信和高帶寬、高速度以太網主機通信結合起來，并進行管理。 它通過確定數據包發(fā)送優(yōu)先順序、緩沖、帶寬管理以及自動目錄生成等來克服帶寬限制。

   · AMS 設備管理組合是一種業(yè)內領先的開放式軟件家族產品，為智能儀表提供實時組態(tài)、標定、診斷、文檔以及用戶界面。 它包括AMS智能設備管理系統(tǒng)和AMS設備信息平臺，為每個遠程ROC800控制器提供通信與數據庫接口。

    低成本增量監(jiān)測

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

    例如，“抽水機”需要頻繁訪問遠處的現場以檢查油罐和水罐的液位，并在必要時將他們抽空。但是若訪問的是無需抽空的儲罐，就會對時間和資源造成浪費。通過為儲罐加裝液位測量儀表，將數據發(fā)回控制室，操作人員就可以檢查每個儲罐的液位，并在必要時向需要的地方派遣抽水機，從而可以減少出行的次數以及相關的旅行成本。

    不幸的是，從許多偏遠地點的RTU鋪設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)或者其它的偏遠場所，自組織無線網絡可以連接那些堅固耐用、電池供電的儀表設備， 而這些設備自動地測量并向本地網關或者RTU報告油罐的液位或者其它的測量值，然后網關將這些信息再通過SCADA網絡加以傳遞。 無需因電源或通信之故來敷設電纜或者挖溝。

    如果自組織網絡內的無線信號遭到中斷，例如，由于有輛卡車停泊在設備和網關之間，網絡將自動通過其它的無線設備改道進行通信，直到信號抵達目的地為止。設備安裝、拆除以及重新定位都很容易。而且用戶也無需擔心需要司機比以前跑得更勤以便為所有的設備更換電池。 根據使用和環(huán)境的情況，在進行了能量效率以及有效能源管理設計的設備中，電池的壽命可以持續(xù)數年。

    總結

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

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


                                                      ——轉自《自動化博覽》