基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统*

董 超 张晓伟 李 超

(天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室)

基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统*

董 超 张晓伟 李 超

(天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室)

针对石化企业自动加药装置分布广、跨域大、布线及调试维护成本高等突出问题，提出一种基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统。通过建立基于WIA-PA的工业无线网络，将循环水自动加药装置的关键数据进行采集、上传和存储，经云终端进行实时显示，并通过雷达图等技术手段实现了数据预警、合格率等数据的综合分析。

监测系统 自动加药装置 循环水 WIA-PA

循环水是石化企业生产的重要资源，其运行质量直接关系到装置和设备安全，以及产品产率和质量。但是，工业循环水经过长期循环使用后，会带来沉积物附着、金属腐蚀和微生物滋生问题，因此，需要按照工艺要求投加缓蚀阻垢剂、氧化性与非氧化性杀菌剂等，保持循环水系统的运行质量[1]。目前，许多石化企业都在厂区安装了循环水自动加药装置，用以检测pH、ORP(Oxidation-Reduction Potential)、浓缩倍数、余氯、药剂浓度和电导率6项循环水水质参数，并依据水质数据投加相应的药剂。循环水自动加药装置的检测数据对生产有着重要作用，管理人员通过对水质参数的数据分析，可以全面了解和掌握循环水的运行质量，进而调节、指导和优化生产运行。

目前，石化企业厂区循环水自动加药装置的监测模式主要是通过人工巡查和手工抄录的方式获取数据，然后由管理人员对采集到的数据进行人工分析。由于各个循环水自动加药装置分布分散，常出现数据抄录不准时、错抄及漏抄等现象。同时，由于每天采集的数据量比较大，人工分析数据的工作量大、效率低，存在一定的滞后性，没有形成真正意义的实时数据监测。石化厂区设备林立，管廊横行，如果采用有线网络传输数据，布线施工会耗费大量的人力、物力和财力，并且后期维护成本很高。基于WIA-PA工业无线技术可以弥补有线方式的不足。该技术基于IEEE802.15.4标准，使用了时间同步、多跳通信、扩频通信及Mesh网络等技术，具有很强的抗干扰能力、实时通信及超低能耗等特征，适合部署在恶劣的工业现场环境中[2]。相比有线通信技术，具有无需布线、安装方便，可靠性高，可自组网，易于维护和扩展，以及成本较低等优势。因此，笔者设计了一种基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统。

1 系统总体结构

笔者将天津石化分公司的循环水自动加药监测项目作为研究对象，其水务部下属的水处理一至五车间分别对应炼油厂、烯烃厂、化工厂、聚醚厂和热电厂的循环水处理车间。其中，水处理一车间有3套循环水自动加药装置，水处理二车间和五车间各有两套循环水自动加药装置，水处理三车间和四车间各有一套循环水自动加药装置。

基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统作为天津石化水务生产营运管理信息系统平台的一个子系统，包括感知层、传输层和应用层3部分，如图1所示。

图1 系统总体结构

感知层主要实现待传设备数据的实时采集，并通过WIA-PA工业无线网络传输至WIA-PA工业无线网关。主要由9套循环水自动加药装置、WIA-PA无线IO适配器、WIA-PA无线路由和WIA-PA无线网关组成。感知层的水质数据采集流程如图2所示。

循环水自动加药装置主要由PLC、检测仪表等组件组成，检测仪表对循环水的pH、电导率、浓缩倍数、余氯、药剂浓度及ORP等水质参数进行检测[3，4]，然后由PLC集中采集检测仪表中的水质数据，WIA-PA无线IO适配器再从PLC中读取采集结果，并通过工业无线网络传输给无线网关。如果无线IO适配器与无线网关相距较远，无线网关与无线IO适配器之间将无法进行通信，所以在这种情况下，可以在无线网络系统中增加WIA-PA无线路由，以实现各无线IO适配器与无线网关之间的无线通信。WIA-PA无线网络的自组网功能使得整个无线网络系统易于维护和扩展，保证了数据传输的可靠性[5，6]。

传输层主要实现检测数据的传输，可通过石化厂区内的有线局域网或无线局域网进行传输。

图2 水质数据采集流程

在该系统中，水处理二车间、三车间、四车间的WIA-PA无线网关通过石化厂区内的有线局域网将检测数据传输至控制中心，而水处理一车间和五车间则采用无线局域网进行数据传输。

应用层主要由数据库服务器、实时数据库服务器、云终端、Web服务器、应用服务器及报表打印机等组成。云终端的上位机监测软件通过工业以太网从WIA-PA工业无线网关中提取水质数据并存储，实现实时显示、趋势曲线、综合分析及预警等功能，完成对整个系统的运行监控和调度管理。

2 系统硬件

基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统中所构建的WIA-PA工业无线网络主要由WIA-PA无线IO适配器、WIA-PA无线路由和WIA-PA无线网关3种设备组成。

WIA-PA无线IO适配器的主要作用是对现场智能仪表或设备进行数据采集，并无线传输至WIA-PA无线网关。它支持多种接口形式，包括RS-485、RS-232、4～20mA模拟量信号及脉冲接口等信号。水处理二车间和四车间采用RS-485接口类型，水处理三车间和五车间采用RS-232接口类型，水处理一车间采用4～20mA模拟量信号类型。在该系统中WIA-PA无线IO适配器与循环水自动加药装置中的PLC通信接口相连，通信接口协议采用Modbus协议，无线IO适配器作为Modbus主站，自动加药装置中的PLC作为Modbus从站。现场PLC集中采集各检测仪表中的水质数据，存入本地保持寄存器，由WIA-PA无线IO适配器通过Modbus协议定时读取现场PLC的保持寄存器值，并通过WIA-PA无线网络传输至无线网关[7]。

WIA-PA无线路由符合WIA-PA标准通信协议，采用电池供电，工作在全球免费的2.4GHz频段[8，9]。主要负责WIA-PA网络中无线IO适配器与无线网关的通信中继任务。当无线IO适配器与无线网关间距离较远时，需要无线路由进行通信中继。在该系统中，由于水处理一车间、二车间和五车间的无线IO适配器与无线网关距离较远，所以都增加了无线路由完成它们之间的通信中继任务。

WIA-PA无线网关负责整个网络的管理、调度和优化，设定和维护网络通信参数，统一为网络设备分配通信资源和路由，配置网络的运行，调度网络设备间的通信，监控并报告网络运行状态[10]。同时，无线网关向下接收底层无线网络传来的检测数据信息，并按Modbus协议将数据存储到保持寄存器中向上作为Modbus从站，通过Modbus协议接收监测系统作为Modbus主站的读保持寄存器命令[11]。 WIA-PA无线网关还将无线网络中无线IO适配器节点地址与对应的现场PLC地址进行映射，使整个系统不会因为WIA无线网络的增加或移除而改变监测系统中PLC的地址。同时，WIA-PA无线网关还可以通过自带的WIA控制台软件随时查看网络拓扑、数据实时信息、设备状态及网络稳定性等信息，具有人机交互功能[12，13]。

3 系统软件

水务部控制中心的上位机监测软件主要采用B/S架构，开发平台采用.net Framework4.5，开发语言和开发工具分别采用C#和Visual Studio 2015。

3.1水质数据的实时显示

上位机监测软件通过Modbus协议获取WIA-PA工业无线网关存储的水质数据，包括pH、电导率、浓缩倍数、余氯、药剂浓度和ORP，然后默认以数据列表方式显示9套循环水自动加药装置检测的最新数据，并根据采样频率的不同自动刷新数据，如图3所示。

图3 水质数据的实时显示

3.2水质数据的趋势曲线分析

水质数据趋势曲线的生成和显示作为监测系统的重要环节，可以直观反映各项水质参数的变化。上位机监测软件默认以曲线图方式显示9套循环水自动加药装置当天和前一天的数据走势(图4)，便于直观地进行系统运行分析。

3.3水质数据的综合分析

通过对9套循环水自动加药装置检测的水质数据进行综合分析，可以全面了解和掌握循环水的运行质量。上位机监测软件以仪表盘的形式展示了每套自动加药装置所选日期区间所选水质参数的合格率，同时对采集到的pH、电导率、浓缩倍数、余氯、药剂浓度和ORP水质数据进行归一化处理，并利用雷达图的方式展示各项水质参数的状态，在此基础上又提供了所选水质参数的数据曲线走势，以拓展数据展示范围(图5)。通过三者的综合比较，最终衡量每项水质参数的运行状态，进而调节、指导、优化系统运行。

图4 水质数据的趋势曲线

图5 水质数据综合分析

3.4历史数据查询和数据库管理

上位机监测软件自动生成日报表、月报表和年报表，而且管理人员也可以自定义日期区间查询历史数据。通过调取相应的历史记录查看各套循环水自动加药装置检测的水质参数，以此为基础，对监测系统的运行进行优化指导。循环水自动加药监测系统的数据库管理也是很重要的环节，数据库管理的主要内容是管理监测系统历史数据的保存，支持9套循环水自动加药装置检测的水质参数的实时数据和历史数据查询。

3.5水质数据的超标管理

每项水质参数都有最佳运行区间，上位机监测软件可以根据最佳运行区间为每项水质参数设定一个最佳阈值，然后根据最佳阈值对采集的水质数据进行监控，对超标数据进行预警。超标数据自动保存在监测系统的数据库服务器，管理人员可以自定义区间查询超标数据历史记录，了解水质参数的超标情况，进而更好地优化生产运行。

4 结束语

笔者设计的基于WIA-PA工业无线技术的循环水自动加药监测系统解决了分布稀疏、距离较远的循环水自动加药装置检测数据的采集问题，而且有效解决了传统人工抄录方式常出现的数据采集不准时、不到位、错抄及漏抄等问题。同时，通过设计上位机监测软件，实时显示各套循环水自动加药装置的检测数据，并进行预警，解决了人工分析数据效率低、实时性差的问题，提高了管理人员的工作效率。该系统具有重要的工程应用价值，并且可以推广到其他应用领域，市场前景广阔。

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TheAuto-dosingMonitoringSystemforPetrochemicalCirculatingWaterBasedonWIA-PAIndustrialWirelessTechnology

DONG Chao, ZHANG Xiao-wei, LI Chao

(TianjinKeyLaboratoryofControlTheory&ApplicationinComplicatedSystems,TianjinUniversityofTechnology)

Considering wide distribution, large cross-domain and high cost of wiring and debugging and the maintenance of the auto-dosing device in petrochemical enterprises, a WIA-PA industrial wireless technology-based auto-dosing monitoring system for the circulating water was proposed. Through establishing the WIA-PA-based industrial wireless network, the key data of the auto-dosing device for circulating water were collected, uploaded and stored and real-time displayed via cloud terminals, including having radar charts employed to comprehensively analyze the data relating to early warning and qualified rate.

monitoring system, auto-dosing device, circulating water, WIA-PA

董超(1978-)，副研究员，从事过程控制系统技术、智能控制理论及应用的研究。

联系人张晓伟(1989-)，硕士研究生，从事WIA-PA工业无线技术的应用研究，775075793@qq.com。

TH865；TP391

A

1000-3932(2017)10-0968-05

2017-05-04，

2017-07-10)