利用可任意添加的无线自动化技术，提高石油勘探、开采和精炼能力

         无线网络可分布于工厂任何地方，实现了“自由添加”的自动化方式
图1
         此外，我们也在探寻无线功能在今后的应用领域，这可能包括提高移动作业人员的效率、在过程中的无线摄像应用、安全集结以及人员设备的位置跟踪。

        业务挑战。对于上游工厂来说机会显而易见，离岸平台需要更多更全的信息，以获得更好的采油效率，因为发现一口油井可能需要10年，而让油井产油还要10年，所以必须让油井持续高效地产油才能收回巨大的投入。在拥挤的平台上和浮式储油船上所采用的自动化方案必须体积小、重量轻、安装和使用方便。

        海上油田也希望能够延长油井寿命和提高产量。需要通过一些改进来提供更好的采油系统监测，实现输配系统和过程装置的高采收率，为运行中心提供更好的信息来控制分散的油井和设施。而人员安全、环保、可靠性和赢利能力都需要技术的支撑。

        炼油厂可以通过自动化在满足需求产出的同时提高效益。这就需要改善对设备、仪表和过程的监测，以延长正常运行时间，提高运行性能，从而降低运行和维护成本，并满足新出台的环境法规。

        雪佛龙的工程师和操作人员希望能在现有工厂中安装一些仪表来提高监测力和过程可靠性，以及整体工厂效益。仪表本身成本不高，但在现有工厂中安装和调试有线仪表的成本却太高了。

        无线技术是否能解决问题？雪佛龙使用无线技术已经有好几年了，尤其是应用在分布于海上或离岸油田的SCADA系统上。相反，以前无线测量仪表和网络在较狭小的工业工厂或离岸平台以及浮式储油船的应用并不太成功，90年代初期的技术并不适合工业环境，通讯可靠性、安全和电池寿命都不尽人意。

        由于早期缺乏工业无线标准和适用于过程应用的功能，仅管无线技术会对工厂运营带来很大价值，雪佛龙却迟迟没有将无线现场传感器网络应用到监测和测量领域。但是来自于上游和下游的需求终究是存在的。

        幸运的是，到了90年代后期，半导体和电池技术逐步走向成熟，很多过程自动化供应商投资进行无线技术应用于工业环境的研发，标准的开发也在同步进行，在雪佛龙公司和其他最终用户的协助下完成了草案的拟定和数据测试，以使无线技术满足通讯可靠性和安全性的需求。

        无线测量仪表品种广泛，符合IEC62591（WirelessHART）通讯技术标准，能够实现99%的通讯可靠性，您可以从较少的回路开始逐步扩展到全厂。

        雪佛龙的自动化专家坚信这些变化将使无线技术以一种全新的姿态展现在人们面前。无线架构通讯可靠、功能强大，可以使新建或改造工厂中的有线系统更上一个台阶。更少的工程和安装工作使项目建设更为简单，投入更少，并且能够实现过去无法实现的现场测量。此外由于无线仪表安装成本低，可以考虑在原来通过有线方式增加测量点成本太高的地方增加无线应用。

        投资无线。一旦决定采用无线方案，雪佛龙的自动化专家就在其位于加利福尼亚州的里士满能源技术公司成立了一个无线中心，该中心包括一个无线测试台和一个实验室，对来自于不同厂家的无线技术和设备进行测试。雪佛龙上中下游各分公司的专家集聚在这里，对其各自所需的无线应用进行检验和测试，以便今后推广到全球。

        实验室模拟了一个比实际工厂更为严酷的无线电频率环境，即无线信号必须与工厂原有信号共存，以检测无线通讯的可靠性。雪佛龙在无线电频率环境中进行了软件和与其它设备及仪表共存的测试。实验室在美国一家炼油厂安装了无线设备，并在约2.5*2英里的工厂范围内设置了一些典型的障碍，如钢筋结构、移动车辆以及复杂的地形。

        经过对无线技术和设备的严格测试和确认，雪佛龙选择了最符合标准的无线仪表方案，以满足其当前和未来对于提高装置和工厂整体性能及收益的要求。他们的选择充分考虑了成本、安全、通讯可靠性、电源管理等因素，以及是否具备足够的功能、资源和技术与现有的有线技术兼容，并在此基础上进行扩展。作为这个团队的一部分，各自动化供应商的技术人员与雪佛龙紧密合作，共同研发无线技术和最佳实践，以帮助雪佛龙实现目标。

        实施无线方案。雪佛龙起初是在加利福尼亚San Ardo的油田注蒸汽回收油气的项目中接触无线技术的。无线仪表网络传递可靠的数据以降低蒸汽过量和废水排放。注汽数据能够被传送到油田控制室，这样工作人员就不必前往注汽口手工采集数据并检查设备是否正常工作了。此外，操作人员也不必置身于高压高温环境中，因此人员安全性大大提高。

        油田中第二个无线网络是以电池供电的无线仪表测量井底井压，雪佛龙将这些数据用于其专门的油层计算，包括用来确定要注入多少蒸汽、油的流型以及新的油井位置。与原来的遥感测量装置相比，新的无线网络节省了安装成本，减少了维护工作量。

        在加利福尼亚的应用充分体现了无线技术的益处，它可以安装在已建成的上游油田，实现远距离通讯。

        雪佛龙炼油厂还在进一步开发无线技术的新应用，他们有一个集工程、运营、维护和IT人员于一体的项目组。这个创新项目填补了炼油行业的空白，它所采用的无线通讯结构由网关、接入点和软件组成，一旦结构安装完毕，炼油厂可快捷方便地任意添加监测点以提高运行性能

        在这个工厂网络中，雪佛龙需要在炼油厂的关键位置安装无线通讯点，无线网络采用IEEE802.11 Wi-Fi接入点覆盖，它集成了无线现场网络（见图2）。现场网络中使用的过程测量和控制仪表采用的是IEC62591（WirelessHart）技术。

        工厂网络的建设从现场评估开始。首先自动化供应商采用卫星测绘来规划Wi-Fi接入点的最佳安装点，然后雪佛龙公司就和自动化供应商一起拿着接入点设备和通讯设备在各油罐及工厂装置间对这些点进行测试和测量，完成工厂网络的现场评估。这个过程是为了确保Wi-Fi设备能够安装在最佳位置。

        雪佛龙和自动化供应商利用这些信息来规划、设计和选择所需要设备，接着是工厂验收测试，以确保所有的设备都能够在工厂Wi-Fi网络中保持通讯。最后是现场验收。整个工厂网络包括16个Wi-Fi接入点，与分布在炼油厂中的12个现场仪表网络进行通讯。现场网络采用IEC62591（WirelessHART）技术进行通讯。在炼油厂中当地理位置难以到达，或距离太远时，就可以添加一台无线仪表扩大测量范围。Wi-Fi网络中的接入点连接或回传所有现场网络数据到中控室或IT电脑。

        还将有很多现场仪表被用在各种应用中，如泵、电机的振动监测；公用工程监测；分馏塔温度测量、水流量、储罐溢出保护和腐蚀监测。设备的可以根据需要随时添加，而无需再次进行现场评估，从安装到提供测量只需很少的时间，通过图形化的软件，工厂维护人员或网络管理人员可以直观地看到整个工厂网络，而操作人员也可以连续在线查看通过网络的数据是否稳定。

        IT部门享有工厂网络的管理权，针对无线技术的IT最佳实践方法已经建立，且以英特网安全标准作为保障。仅在IT和过程网络之间的连接，它的安全较容易实现和管理。防火墙的设置使网络间的通讯安全可靠。

        通过防火墙，现场数据被传送到历史数据库和资产管理软件，用于设备健康状态管理等用途。维护人员可通过软件来观察和管理诸如反应器等设备，在维护工作站调用设备当前或历史信息。状态监测和预测维护信息被传送到过程自动化系统，供操作人员使用，在操作站也能查看用于过程运行的数据。

        无线管理小组的建立是为了对无线现场网络进行评估和选择。该小组成员来自于无线技术、工程、维护和运行等职能。小组记录了实施无线测量应用的结果，并对新的无线应用进行审核。

        经验教训。现在无线结构已经建立起来了，运行、可靠性或工程小组不时会提出增加现场测量的要求，无线管理委员会定期开会对各种无线应用的方案进行评估。以前由于成本高或实施困难而无法实现的应用现在都可以轻松实现了，这正是无线架构的意义所在，事实验证无线方案从电子结构到相关工程费用可节省几百万美元。

在整个无线方案的研究中我们得到了以下结论:

·基于IEC62591的WirelessHART技术在工业环境中表现出色。

·即使小型的现场网络也能获得很高的回报。用户可以根据需要随时扩展无线工厂网络，不断扩大收益。

·在工厂Wi-Fi网络中确定接入点和网关位置，可以从现场评估着手，之后要增加无线现场仪表，无需再进行现场评估。

·在项目前期就应该让IT安全人员、无线专家、操作和维护人员参与进来。

·建立一个多职能部门联合的无线管理小组对新的无线应用进行选择和管理。

·明确无线仪表在工厂中的用途（是用于控制还监测）。

·采用开放的通讯标准：如应用于工厂网络的IEEE802.11(Wi-Fi)标准，应用现场网络的IEC62591(WirelessHART)标准。

        展望未来。经过成功测试，实验室检定和炼厂的使用，雪佛龙各业务部门开始开发各自的无线应用。事实证明，无线仪表可以根据需要随时添加，而且成本不高。在全球，已经有越来越多的项目正在进行调研，希望将无线技术应用在上游和下游的业务中。

作者介绍

Greg Laframboise

        在雪佛龙已有29年的仪表、自动化与电气工作经验，参与过自动化项目各阶段的工作，包括项目开发、工程和建设。LaFramboise先生分别在美国多个城市和美国之外的国家工作过，包括印尼。在过去的5年里，他曾担任过无经技术的负责人，主管无线传感技术。

Bob Karschnia

        艾默生过程管理公司罗斯蒙特测量部无线技术副总裁，在过程控制领域拥有18年的工作经验。目前他负责整个无线业务中罗斯蒙特的无线产品和整个艾默生过程管理无线活动的协调。在这之前，Karschnia在公司担任过设计工程和管理等职务。加入罗斯蒙特之前，他曾在压缩机控制集团公司从事旋转设备控制系统的开发工作，并在Lockheed Martin公司从事卫星控制系统的设计工作。Karschnia还曾在美国空军担任过军官，从事卫星控制和通讯系统。他在密尼苏达州大学获得了航空工程的学士学位，在科罗拉多大学获得了电子工程的硕士学位。

关于艾默生过程管理

        艾默生过程管理www.EmersonProcess.com  （全球www.EmersonProcess.cn （中国）是艾默生业务的一部分，其在化工、石油天然气、炼油、纸浆和造纸、电力、食品与饮料、制药和其它的工业的自动化领域中居于领先地位。针对特定的工业行业提供优质的产品和技术、咨询、项目管理和维护服务。艾默生过程管理公司的品牌包括: PlantWeb®, DeltaV™, Ovation®, Fisher®, Micro Motion®, Rosemount®, Mobrey®, Daniel®, Bristol®, 和 AMS™ Suite.

关于 Emerson

        总部位于美国圣路易斯市的 Emerson （纽约证券交易所股票代码: EMR）是一家全球领先的公司，该公司将技术与工程相结合，在网络能源、过程管理、工业自动化、环境优化技术及工具和储存领域为工业、商业及消费者市场客户提供创新性的解决方案。公司 2010 财年的销售额达 210 亿美元。如欲了解进一步信息，欢迎访问 www.Emerson.com（全球）、www.emerson.com.cn（中国）。