基于WIA-PA的工业无线数据采集技术在计量自动采集中的应用

张 成，高 杨

（兰州石化分公司自动化研究院，兰州 730060）

0 引言

随着社会科技的不断发展和国际形势的不断变化，石化企业所面临的形势和挑战不断加剧，企业要想在激烈的竞争中胜出就要不断改进管理模式，升级管理手段，而底层数据是管理决策的依据。老旧企业计量数据的自动采集改造是老旧石化企业所面临的巨大挑战［1］。

1 基于WIA-PA 的无线数据采集技术的应用——以中国石油兰州石化公司为例

1.1 项目背景

中国石油兰州石化公司（以下简称“兰州石化”）是中国石油天然气股份有限公司的地区分公司，前身是国家“一五”时期的重点项目兰州炼油化工总厂（以下简称“兰炼”）和兰州化学工业公司（以下简称“兰化”）。由于历史原因，部分计量仪表分布较散，数据只能靠人工去现场完成采集，在数据采集和管理方面存在一定的难度。为提升计量数据自采率，公司采取各种技术改造措施，但部分计量仪表距离各计量点操作室较远，且安装分散，按照常规信号引入方式需要对仪表系统进行接口改造，而中间接线盒、控制室设备、仪表电缆、保护管以及槽盒桥架安装的施工成本巨大，实施难度较大。

无线数据采集技术与常规信号引入方式相比，可以节省前期技术设计、仪表系统接口改造、中间接线盒及控制室设备安装、大量仪表电缆、穿线钢管和槽盒桥架的安装以及现场施工人员的人力成本等费用［2］。

目前，国际上在使用的面向工业无线数据采集技术规范主要有Wireless HART、ISA100（11.a）和WIA-PA 标准，分别为美国艾默生公司、美国霍尼韦尔公司和中国科学院沈阳自动化研究所研发。在市场竞争力方面，WIA-PA 技术规范的通信距离较远，室内＜300 m，室外＜1 000 m。艾默生公司和霍尼韦尔公司的同类设备价格是国内的3～5 倍，因此WIA-PA 技术产品具有一定的价格优势。本项目采用的是中科院沈阳自动化研究所自主研发的WIA-PA设备。

1.2 项目意义

通过本项目的实施，应用物联网技术，利用基于WIA-PA的工业无线技术，对生产过程中的计量数据进行实时采集，通过无线技术进行传输、存储后进一步分析深化应用的系统，实现仪表流量的实时监测和统计分析。一方面，其可以实现生产过程中汽油、润滑油流量数据的实时准确计量，便于管理者对关键生产节点的考核评估，避免出现生产过程中流量不平衡、描述不清的问题，为石化行业精细生产提供支撑；另一方面，有效展示了WIA-PA 工业无线网络及系统在石化行业的应用效果，推动了WIA-PA 网络在化工厂的普及。

1.3 项目目标

通过符合WIA-PA 智能无线网关、WIA-PA 中继以及WIA-PA 无线适配器等装置，兰州石化公司拟搭建基于WIAPA 技术标准的化工厂油料数据采集物联网搭建应用管理平台，以实现现场采集数据的统计汇总、综合分析功能，实现从采集层、传输层、应用层对油料流量数据自动采集、无线传输、实时分析，从而有效提高生产效率。具体目标如下：①针对公司汽油、润滑油、水表流量计量需求，部署无线采集点采集质量流量计的流量数据；②部署工业自动化无线网络（Wireless Networks for Industrial Automation，WIA），在质量流量计上安装WIA 无线适配器，通过WIA 采集数据并接入企业内部以太网回传数据；③部署应用服务器，收集回传数据存入数据库，并安装无线计量与设备管理软件平台，供相关人员进行远程抄表与设备状态监测。

1.4 实施范围

无线网络技术的实施范围包括数台流量计和机械式水表。

1.5 重点技术及指标

本项目主要应用WIA-PA 无线网关技术。WIA-PA 体系是我国具有自主知识产权、符合我国国情的一种工业无线标准体系，是一种面向工业过程的自动化工业无线网络标准技术，WIA-PA 标准是由中国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的WIA 子标准，主要适用于工业过程数据测量、监视与控制的无线网络系统。

本项目的主要技术指标必须达到如下要求：数据采集周期最短为1 s，最长为120 s；数据准确率100%；通信链路传输稳定性≥98%。

2 无线数据采集技术方案

本项目系统总体架构从下往上分为现场采集层、网络传输层以及应用层3 层。最底层是数据采集层，将已有的质量流量计使用可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议（Highway Addressable Remote Transducer，HART）接口与WIA-PA 无线适配器建立连接，再通过WIA-PA 无线适配器把采集到的实时数据上传至WIA-PA 智能无线网关，形成了现场数据的采集层；中间层是网络传输层，通过WIA-PA 网关接入企业生产网络进行传输；最上层为面向用户的应用层即Web 层，承担着人机交互的作用，对采集到的现场实时数据集中进行展示、统计分析以及报表生成等［3］。

2.1 WIA-PA 无线数据远传涉及的设备

项目中用到的设备包括WIA-PA 无线网关和适配器两种。根据现场设备类型和应用场景使用3 种适配器，即外接电源的WIA-PA 无线适配器、内置电池的WIA-PA 无线IO 适配器以及专供水表使用的无线水表适配器。

WIA 无线网关是应用工业无线网络核心协议的短程无线通信设备，需要外部电源供电，工作频段为2.4 GHz（基于工业标准IEEE802.15.4），是整个网络的核心，负责整个网络的管理、调度和优化，管理通信参数，调配通信资源和路由，监测控制网络运行状态，保障各网络设备间的正常通信［4］。

WIA-PA 无线适配器是一种以无线WIA-PA 方式进行网络传输的传感器设备，实现数据采集由有线传输向无线传输的便捷快速转换。WIA 无线IO 适配器是另外一种可以远程设定工作参数并读取现场已部署设备的状态信息，通过无线传输的WIA产品。该设备可以通过RS485、数字量输入（Digital Inputs，DI）、模拟量输入（Analogy Input，AI）等接口方式采集现场已有有线设备的信息及数据等。WIA-PA 无线水表适配器对普通旋翼水表安装磁性指针和传感器，通过设备流程集成（Process Integration，PI）接口采集传感器信号，从而获取旋翼式水表流量值。它具有远程通信功能和自检告警功能，前者实现现场有线设备状态信息的远程传送、读取和工作参数的远程设定，后者则包括射频模块自检、电池电量低告警等功能。

2.2 网络架构设计

无线数据采集系统依托兰州石化骨干网络，连接生产执行系统（Manufacturing Execution System，MES）、计量管理平台以及各客户机。系统采用浏览器/服务器模（Browser/Server，B/S），系统登录方式为独立登录，以确保数据和系统安全。

2.3 软件架构设计

兰州石化无线数据远传系统在中心机房共架设管理服务器和数据库服务器。架设在管理服务器上层的应用管理平台采用B/S架构。管理服务器应用管理平台使用B/S 架构，允许用户通过内部网络的电脑进行远程Web 访问，无须安装客户端，通过浏览器即可进行访问。Web 服务器通过数据采集服务器访问WIA 网关，定时采集各设备的实时数据并进行存储管理；根据各设备所支持的传输协议的不同，采集不同类型的设备信息［5］。

应用管理平台的功能包括设备基础信息、无线网络链路信息、设备的实时状态信息的管理及查询。根据这些信息的不同，软件开发人员开发了远程监控、设备管理、网络管理与后台管理4大功能。①远程监控主要负责管理已部署设备的实时数据采集，包括设备名称、仪表类型、数值、数值类型以及单位。这些数据分为实时数据和历史数据两种，相关人员可按自定义时间段查询各数据的变化曲线。同时，监控主页面还显示全部已安装设备节点的位置示意图，其中包括安装位置、节点之间的距离等信息。在数据的变化曲线展示工具栏中，平台可提供多种形式供用户进行分析使用。②设备管理。设备管理界面为用户提供了设备的状态信息，主要显示设备的实时状态、运行时长等信息，允许用户根据实际情况对设备列表进行增删改等操作，当用户填写正确的设备信息后，程序将会自动按照配置信息进行数据采集工作。③网络管理。网络管理主要负责管理设备群组的实时网络通信状况，以拓扑图形式、列表形式以及日志形式等进行展示。④后台管理。后台管理主要是对用户的权限进行分配、对用户的登录及操作进行管理。

3 结语

基于WIA-PA 的工业无线数据采集的实施应用，实现了现场数据的自动采集、上传和存储。其与MES、计量管理平台的无缝集成，一方面有效展示了WIA-PA 工业无线网络在石化行业的应用效果，推动了WIA-PA 网络在化工厂的普及；另一方面，通过应用物联网技术，解决了分布较散、传统方式布线困难或成本太高的自动采集难题，避免了井下人工抄表存在安全隐患的难题。通过自动采集，相关人员可以及时发现流量不平衡的生产环节，辅助生产工艺优化，有效提高生产效率，为石化行业精细生产提供支撑。