WIA-PA技术在仪表数据采集中的应用

WIA-PA 技术在仪表数据采集中的应用

0 引言

很多传统的炼化工厂仪表点数多，在日常生产中大部分尚采用人工抄表的方式获取计量数据，分布较分散，数据准确性与实时性差，工人抄表工作量大，人身安全无法保障。接入 DCS 难度较大，成本较高，占能源介质计量仪表较大比例的都是有线仪表，缺少有效的技术解决手段；而且换表投资较大，工程量也非常大，短期内很难实现。非及时准确的数据严重影响企业的能源结算、平衡等精细化管理，制约企业的能源管理等智能化工作开展，因此获取底层准确及时的数据成为制约企业智能化建设的瓶颈。本文通过建设基于 WIA-PA 的工业无线网络，对计量表信号上传方式进行改造，并建立计量信息化数据平台，实现全厂范围内计量仪表的远程实时监控，计量结算报表智能化等业务需求，实现计量工作自动结算，平衡计算、能源监控与评估预警、跑冒滴漏预警等功能需求，同时，打通数据采集软件与实时数据库之间的通道，为企业能源平衡与精细化、智能化计量生产提供技术支撑，也为企业未来智能工厂建设提供底层的数据支撑。

1 WIA-PA 技术

面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术（Wireless Network for Industrial Automation-Process Automation，WIA-PA）是由中国科学院沈阳自动化研究所研发的具有自主知识产权的工业无线测控网络技术[1]。2011 年，WIA-PA 技术经国际电工委员会 IEC 投票通过，成为国际标准，是我国在工业物联网领域的首个国际标准，其网络数据传输可靠性大于 99%，数据传输延时小于 10 s，网络设备依靠电池供电可工作五年以上,主要性能指标达到了国际先进水平。

1.1 网络架构

WIA-PA 无线局域网络由 WIA 网关与 WIA-PA 无线采集终端构成，如图 1 所示。WIA-PA 无线采集终端可以是集成 WIA-PA 无线适配器的工业测控仪表，也可以是 WIA-PA 无线通信模块的 WIA-PA 无线仪表以及 RTU 等具有 WIA-PA 无线通信功能的现场设备。WIA 无线网络遵循 WIA-PA 无线通信协议，满足工业自动化的高可靠性，高稳定性，高实时性，安全，灵活的技术要求。

WIA-PA 工业无线网络采用分层的自组织模式，集中与分布相结合的网络架构，使得动态网络的管理效率提高了 80% 以上。WIA-PA 无线网络采用自适应跳频的网络技术，提高了网络的抗干扰能力，采用了多路径 MESH 路由的网络策略提高了系统的通信可靠性。WIA-PA 无线网络采用全网 TDMA 模式，分时接收，分时发送，设备在各自时隙内完成通信，保证通信时无冲突，端到端通信时延低于 1 s。针对无源的工作条件，WIA-PA 无线网络在设备硬件设计上采用了低功耗器件，软件设计中融入了基于高精准时间同步技术的休眠唤醒机制。而且网络中加入了加密、认证、通信验证、密钥管理、攻击识别等多级安全技术，提高了网络的安全性。

1.2 应用架构

针对炼化企业的实际应用 WIA-PA 技术能够应用于工厂过程监测，智能仪表设备在线监测，生产设备在线监测，人员智能巡检，危险视频监测，能源与物料管理等几个方面。

（1）在工厂过程监测方面，基于 WIA-PA 技术可以实现对工业生产中的自动化仪表、生产设备的智能化以及在线监测。目前工厂内 88% 的维护管理工作时计划性或者响应式开展的，时效性差，冗余工作多。众所周知，设备的故障发生都是有潜在周期的，将 WIA-PA 技术融入工厂过程监测中，可以实现生产设备的预测性维护，在故障发生前通过设备状态监测及时发现问题，减少故障损失，提高工业生产的安全性，减少不必要的巡检与检修，提高生产效率。

（2）在智能仪表在线监测方面，通过 WIA-PA 无线适配器能够实现传统智能仪表的无线化信息远传、配置与故障诊断。目前国内工业生产中有 2×107 块 HART 仪表仅使用 4～20 mA 模拟信号进行信息远传，HART 仪表的实时状态、诊断信息以及多变量的过程信息难以在线获取，通过 WIA-PA 无线适配器与传统智能仪表的无缝对接，实现了传统智能仪表的真正智能化。WIA-PA 无线适配器通过仪表上的格兰口固定，通过 4～20 mA 模拟信号源获取工作电源，安装灵活方便。

2 数据采集改造方案

在计量表完好的计量点安装 WIA-PA 无线适配器（安装无线仪表适配器、具有 RS-485/AI/PI 接口仪表安装无线 IO、具有 HART 接口的仪表安装无线 HART 适配器），部分计量点无计量表或计量表故障的需配备计量表后安装无线适配器，在车间或中控室屋顶附近安装无线网关，进行区域无线覆盖并接入工厂局域网，实现生产现场计量仪表的无线数据远传。

在信息档案管理中心服务器安装部署数据采集软件，管理人员可在局域网内通过授权 Web 化访问数据采集软件，实现现场仪表数据远程监控、显示、分析、自动结算、平衡计算等自动化、可视化、精细化的计量管理工作,同时，打通数据采集软件与实时数据库之间的数据通道，并将数据推入实时数据库，实现现场数据的存储、管理与并行应用。系统结构如图 2 所示。其架构为三个层次，首先 WIA-PA 无线适配器与现场智能流量计通过 HART 接口连接，WIA-PA 无线仪表适配器通过传感器与计量仪表连接，WIA-PA 无线 IO 适配器通过双绞线与具有 RS-485 口的智能仪表连接，WIA-PA 无线适配器（无线仪表适配器、无线 IO）将计量仪表采集的数据上传到 WIA-PA 智能无线网关，构成现场数据采集层；其次 WIA 无线网关通过工厂局域网将采集的数据上传至后台服务器。最上层是控制中心应用系统，主要实现人机交互功能，将现场采集数据集中显示、综合分析，并推送至实时数据库。

WIA-PA 数据采集网络主要由 WIA-PA 智能无线网关、WIA-PA 无线适配器、WIA-PA 无线水表适配器、WIA-PA 无线 IO 适配器、WIA-PA 中继设备构成，并以不同地理区域划分组建现场网络。其中 WIA-PA 智能无线网关用于管理现场 WIA-PA 无线适配器、WIA-PA 无线水表适配器、中继节点，同时汇集现场设备数据，通过协议转换上传工厂内网络，WIA-PA 无线适配器主要用于现场仪表数据的无线远传，无线适配器经由 Hart 接口将现场仪表数据提取并远传到 WIA-PA 智能无线网关设备，WIA-PA 无线水表适配器主要用于现场旋翼式水表的数据无线远传，无线水表适配器通过传感器将旋翼式水表数据提取并远传到 WIA-PA 智能无线网关设备，对于不可视距建筑遮挡严重的应用场景，利用WIA-PA中继设备实现信号盲点的数据跳传功能[2]。

主干传输网络由工厂局域网完成，WIA-PA 智能无线网关设备与其通过 RJ45 网口连接，将汇集的现场数据进行远距离传输,构建了厂区混合传输网络。

管理与接入软件主要通过软件，将现场采集的数据接入计量与优化系统，为炼厂生产加工，精细计量，优化分析提供精准数据。为现场工人智能抄表提供便捷途径，节约仪表抄录工作量。

3 结语

该方案的实施可实现对计量表数据的自动采集，传输，数据可接入实时数据库，可实现计量表的远程实时监控，报表生成，自动结算，平衡计算，可及时发现管线跑冒滴漏、计量表故障等异常情况，为企业能源平衡与精细化计量提供技术支撑。与有线方式实现相比，大大节省成本及施工费用，施工周期缩短三分之二以上，节约了计量成本，降低了计量人员的劳动强度，保障了计量人员的人身安全,推进了智能工厂与信息化的建设。