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流程行业无线技术在有色金属企业的应用

供稿:中国工控网 2016/3/17 9:17:12

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  • 关键词: 流程行业 无线技术 WirelessHART ISA100.11a WIA-PA
  • 摘要:首先回顾了工业生产过程中测量和控制技术的信号传送方式所经历的发展过程,指出流程行业无线技术是工业测控系统领域的革命性技术,然后介绍了流程行业无线技术的三大国际标准:WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA,最后介绍了几个有色金属企业的应用实例。

1 流程行业无线技术是工业测控系统领域的革命性技术

  早期的无线技术只是单纯的通信手段,以解决长距离数据传输为目的,多为点对点通信,作为有线技术的补充。而到了本世纪初,无线技术以解决低成本的信息获取为目的,实现大规模网络化,力图推动工业测控方式的变革。

  我们可以回顾一下工业生产过程测量和控制技术的信号传送,其信号传送的方式经历了以下发展过程:

  由多类别信号到统一信号

  由气动信号到电动信号

  由模拟信号到智能数字信号

  由一对一传送到总线

  由有线到无线

  无线技术是节能、环保、节省投资、节省运营费用和提高效率的新技术,所以他是工业测控系统领域的革命性技术。

  由于流程行业无线技术无需大量敷设导线、穿线管、电缆桥架,可以节省大量的铜、钢材等原材料;现场设备的长期持续供电可以由断续供电且通电时间占比非常小的电池取代,节能效益显著;设计、安装施工、投运工作量大大减少,时间缩短。这些都是一眼就可以看得到的优点。

  以我院一个较小的工程项目为例,图纸张数减少46%,总图幅减少42%,大体上减少了一半的工作量,而且这一部分图纸(如端子接线图、管线图等)是最烦杂、最容易出错、最耗费精力的工作。对于自控工程安装施工队来说,导线、穿线管、电缆桥架的施工量可以减少80%~90%,大量的耗费体力、甚至需要高空作业的工作可以精简,投产前的核对信号线的工作也简化了。对于现场维护人员来说,少了那么多的接线柜、接线箱、电缆、桥架,维护工作量也减少了很多。

  近来一个新的提法更引人关注:工业无线技术提高工厂效率。因为之前大家提到工业无线技术的优点时更多的是可避免硬接线的成本,而在工业无线技术投入运行之后,工厂的管理人员、自控维护人员、生产操作人员更深体会到的最大优点是提高工厂效率。比如以前难以传送到控制室的参数现在可以监控了;要增加的检测参数也几乎随时可以实现,系统的扩展也快速便利得多;操作人员离开控制室还可以借助移动工作站和巡检设备操作;以往硬接线的现场普通仪表升级为智能(带远程维护、远程自诊断功能)仪表。

2 流程行业无线技术的三大国际标准

  在工业生产过程测量和控制领域,目前引起业界广泛关注的工业无线通信标准主要有:

  以美国Emerson公司主导的WireleessHART(HART通信基金会的规范)

  以美国Honeywell公司主导的SP100.11a(美国ISA学会的标准,产品名称为OneWireless)

  以中国中科院沈阳自动化研究所主导的WIA-PA(Wireless Networks for IndustrialAutomation Process Automation,工业过程自动化的无线网络)

3 流程行业无线技术在有色金属企业的应用

  目前在国内无线技术的实际应用中,油气、化工、电力行业是主要的用户,有色金属行业应用较少,但实际上无线技术的应用没有行业的限制,只不过是有色金属行业对无线技术缺乏了解和无线网络厂商在有色金属行业推广力度较小而导致的。以下介绍流程行业无线技术在有色金属企业的应用实例。

3.1 云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂

  驰宏锌锗公司会泽冶炼厂为新建工程项目,设计规模60kt/a粗铅、100kt/a电锌及渣综合利用,2013年11月投入试生产。会泽冶炼厂为中国恩菲工程技术有限公司设计,采用了以FF现场总线作为信号传送方式的艾默生过程管理Delta V控制系统,为了尝试使用工业无线网络,选择多膛炉焙烧车间作为试点。

  多膛炉焙烧车间的Delta V控制系统主要由1个工程师站、2个操作员站,1个控制系统柜、1套不间断电源组成。多膛炉控制系统分为多膛炉主厂房和多膛炉收尘两部分。

  智能无线系统硬件包括无线变送器、1420无线网关和交换机,1420无线网关有4台,交换机有2台,无线变送器包括63台共90个测点的848T多点(4点)无线温度变送器、648(单点)无线温度变送器、3051S无线压力(差压)变送器。图1为现场安装的智能无线网关和无线变送器。

 

图1  WirelessHART智能无线网络设备现场安装

左:智能无线网关  右:无线温度变送器和无线压力变送器

  多膛炉焙烧车间工业厂房内配置了3台270m2多膛炉,炉高15m,多膛炉炉体分12层,设6个燃烧室,以煤气作燃料,使炉膛温度保持在700℃左右。多膛炉的每层都设有一个温度监控点及压力监控点,这样在工业厂房的各层都分布了很多测点,现场将每台多膛炉的第一层至第四层所有温度压力信号的无线变送器引到二楼集中安装;将第五层至第八层所有温度压力信号的无线变送器引到三楼集中安装;将第九层至第十二层所有温度压力信号的无线变送器引到四楼集中安装;然后在多膛炉厂房的二、三、四楼分别安装一台无线网关。多膛炉收尘系统设置在主厂房外,障碍物较少,视野空旷开阔。因此将冷却烟道出口压力及温度无线变送器安装在四楼,收尘器出口压力及温度无线变送器安装在三楼,引风机出口压力及温度无线变送器安装在引风机房顶。收尘无线网关安装在收尘四楼与三楼连接处,以保证每台无线网关能与更多的无线变送器直接进行通信。

  1420无线网关连接无线设备和现有控制系统艾默生过程管理公司的Delta V,由于网关分布在不同楼层和不同建筑物内,直接无线通信困难,所以4台1420智能无线网关是通过有线Modbus TCP/IP通信方式与主副交换机连接,再连接到Delta V控制系统(见图2)。这种连接方式实际上是将多膛炉无线系统分成4个独立的无线网络,可以单独调试,单独接入Delta V控制系统。

图2 多膛炉网络结构图

  图3为多膛炉焙烧总貌画面。

图3 多膛炉焙烧总貌画面  

  多膛炉无线仪表从安装调试完毕后先于工艺设备投入运行,使用至今已安全工作二年多,系统运行稳定,从未出现过信号丢失的情况。

  会泽冶炼厂无线网络特点:

  温度测点多且集中,选用了多点无线温度变送器;

  分楼层安装网关,而不是按各台多膛炉设置网关;

  多功能节点以有线Modbus TCP/IP通信方式通过主副交换机连接到Delta V控制系统;

  每个多功能节点构成一个相对独立的无线网络。

  应用效果:

  多膛炉无线仪表从安装调试完毕后先于工艺设备投入运行,使用至今已安全工作二年多,系统运行稳定,从未出现过信号丢失的情况;

流程行业无线技术在多膛炉工艺过程的成功应用,在仪表选型方面给了更多的选择。

3.2 内蒙呼伦贝尔驰宏矿业有限公司氧压浸出工程

  内蒙呼伦贝尔驰宏矿业有限公司14万t/a氧压浸出系统工程,由昆明有色冶金设计研究院设计并总承包,是昆明有色冶金设计研究院首次在工程设计中应用WirelessHART无线通信技术,2013年9月份无线通信系统部分调试完成后即投入运行,2014年10月氧压浸出系统工程投入试生产,经过一年多的试运行,无线通信系统数据传送可靠,工作情况稳定,取得了令人满意的效果。

  硫化锌精矿氧压浸出可加速了锌的浸出速率,使锌的总回收率从常规的89%提高到了94.25%,还解决了高铁硫化锌精矿中锌的选择性浸出,突破了传统湿法炼锌工艺难以有效处理高铁硫化锌精矿资源的现状,彻底解决了锌冶炼中的SO2污染问题。

  氧压浸出控制系统选用了艾默生过程管理公司的Delta V DCS系统,实现对现场仪表、设备进行集中控制和数据采集。在该系统中,采用HART、FF、Profibus-DP、WirelessHART等多种总线结构和通信方式实现数据通信和设备诊断(见图4),节约了布线时间和布线成本;提高了数据获取效率;并使设备和仪表的维护更加方便快捷。


图4通信连接示意图 

  该工程配置了1台无线网关、10台无线压力变送器、8台4回路的848无线温度变送器和1台单回路的248无线温度变送器,共计19台无线现场设备、38个现场测点。

  图4中主工程师站用于存储Delta V组态数据;工程师站用于对Delta V进行组态和数据下装,也可安装AMS程序对仪表进行远程配置和诊断;应用站主要存放过程参数和报警的历史数据;操作站展示现场设备的实时数据,对现场设备进行操作和查询过程历史曲线。它们通过千兆以太网与DCS控制器相连接。DCS控制器上通过不同类型的卡件与现场设备进行数据交互,既可以使用普通的模拟量与数字量通道卡件,也可以使用一些特殊卡件用总线的方式与现场设备、仪表进行通信。例如:我们通过Profibus总线连接PLC和变频器,通过FF总线连接FF总线仪表,利用带HART功能的模拟量卡件连接HART仪表等。WirelessHART的无线网关是通过以太网的方式直接接入系统中的,然后在工程师站中组态该无线网关归属的DCS控制器,并由DCS控制器控制。

图5  无线温度变送器(左)、无线网关(右)的现场安装

  由图5可见,安装的无线现场设备集中在6m操作平台上,这一楼层高约10m,由于绝大多数工艺设备安装在楼板上方1~3m高度上,为了让无线网关尽可能与每一台无线现场设备在直视范围内无障碍直接通信,我们把无线网关安装在中心区域楼板上方6m的高度上,无线网关到无线仪表或无线仪表到无线仪表之间的点对点通信距离一般不超过100m。少部分与无线网关距离较远或处于视准线有障碍的无线仪表,可通过与其相邻的无线仪表路由进行数据转发。

  我们使用罗斯蒙特475手操器按图6的连接方式连接现场无线仪表的COMM端口,利用HART的通信方式对现场无线仪表的Network ID(网络标识符)和Join Key(入网密钥)进行设置,Network ID和Join Key必须与无线网关配置管理网站中的Settings中设置一致,确保无线仪表能够加入此无线网关的网络。


图6  475手操器连接示意图

  同时,我们可以在诊断中查看所有仪表的通信状态和通信质量,如图7所示。以第一行参数HLOL_PT1009为例:Node state栏表示节点状态,正常为绿色圆圈,不正常为红色圆圈;Activeneighbors表示该仪表周围可用于传输数据的网关或者作为路由器的无线仪表设备,wihartgw为采集本参数数据网关,HLOL_TT1007为可用于传输数据作为路由器的无线仪表设备;Service denied表示该仪表是否被网关拒绝服务,正常为绿色圆圈,被拒绝为红色圆圈,如果出现被拒绝,被拒绝的原因可能是网关繁忙或者网关不支持仪表请求的更新速率;Reliability表示仪表的可靠性,统计的时间从上一次网关重启时开始,图中上一次网关重启时间为2014年10月23日,屏幕截图时间为2014年11月26日,在这1个多月的时间内,图中仪表的可靠性均为100%,仪表的运行情况非常可靠;Missed updates表示从上一次网关重启时开始,未收到的数据个数的统计,同样在在这1个多月的时间内图中的仪表未丢失过数据;Path stability表示15分钟内该设备数据传输最好的那条通道的信号强度百分比,一般来说该值应大于60%,图中显示数据均大于60%;RSSI表示信号强度,一般来说该值大于-75db(即绝对值小于75db)时即可正常传输数据,而我们的网络将网关安装在高处,与绝大多数无线现场设备可视准线无障碍通信,显示的RSSI均大于-51db,信号非常好;Joins表示从上一次网关重启时开始,该无线仪表尝试连接网关的次数,如果次数大于1,则该无线仪表信号中断过,且重新连接过无线网关图中所有仪表均为1,表示从未中断过;Join Time表示从上一次无线仪表尝试连接网关的具体时间。由此可见,无线网络设备的监控是非常方便的。

图7 通信诊断界面

3.3 俄罗斯RUSAL Boksitogorsk铝厂

  俄罗斯的RUSAL是世界上第三大的铝生产商,其所属Boksitogorsk铝厂采用5m直径、100m长的回转窑用铝土矿生产白土(argil),年产量165000t/a,窑温控制是产品质量的关键。由于窑体不断旋转,原来采用热电偶测温是通过测温滑环的圆柱形碳刷组件传送,因测温滑环不是所有的时间都接触良好,影响温度控制,每个月需停窑两次,每次三小时以清理滑环,降低了窑的生产量,同时不合格的产品需返回再加工。后决定采用艾默生的智能无线技术,以罗斯蒙特648无线温度变送器连接现有的热电偶,无线温度变送器安装在隔热陶瓷板上以提供隔热保护(见图8),无线设备发送测量数据传送到无线网关,再通过以太网接口连接到控制系统网络。操作人员通过网络人机接口,将窑炉温度值保持在240~280�С。现在证明这一应用是成功的,余下的6台回转窑也将采用无线技术测温。

图8 回转窑的新旧测温方式

  1-原有测温滑环;2-测温热电偶;3-隔热陶瓷板;4-648无线温度变送器

3.4 智利Codelco公司Norte矿

  智利国有铜矿开采公司拥有世界上最大的铜矿储量和资源,Codelco公司Norte矿有3个露天矿山,矿石可供生产约896 000t精炼铜。为获取准确、及时的矿山浓密机浓缩层界面和清水液位,需采集相关数据。由于矿山位于沙漠地区,存在恶劣的环境条件(大风和温度骤变)、地形和浓密机与控制室之间的距离远等挑战,如采用有线网络投资及维护成本高,故选择了霍尼韦尔公司符合SP100.11a标准的OneWireless网络,用于将无线现场设备连接到现有的霍尼韦尔TPS控制系统和将西门子S7300PLC连接到霍尼韦尔TPS控制系统。

  方案采用霍尼韦尔XYR6000变送器监控清水液位,采用超声波液位计监控浓密机浓缩层界面(见图9)。共有7个OneWireless多功能节点作为无线网关和无线接入点,其中一个多功能节点作为网关将从PLC采集到的Modbus数据传送到霍尼韦尔TPS控制系统。这些数据进入TPS控制系统的利润控制器以优化设备的过程控制,包括尽可能多地回收水。

图9  位于沙漠矿山回收水用的巨型浓密机

4 结束语

  无线仪表的使用在一定程度上解决了现场布线的许多问题,尤其是无法布线的特殊场合的数据如何测量的难题,而且组态、维护和扩充也十分方便,与DCS系统完美契合,大大节约了施工周期。从上述应用实例可以看到,无线仪表技术在有色金属企业应用潜力巨大,它既可以在一些无线通信具有特殊优势的场合应用(如回转窑测温),也可以在通用场合应用。


参考资料:

[1]熊洪波,金志伟,杨国华.智能无线技术在有色冶金中的应用[J].仪表世界,2014(6):50-53.

[2] 艾默生.Smart Wireless TechnologyImproves Productivity of Rotating Kiln at Russian Alumina Plant [EB/OL].https://www.EmersonProcess.com/SmartWireless.2014.08.

[3]霍尼韦尔. CodelcoOptimizes Water Recovery Process with OneWireless Solution[EB/OL].https://www.honeywell.com/ps/wireless.....2010.8.

 


作者简介:

方原柏,1942年生,男,湖北黄冈人,昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师,衡器、冶金自动化、仪器仪表与自动化等杂志编委,昆明仪器仪表学会理事长,中国衡器协会技术专家委员会顾问,主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究,曾出版“电子皮带秤的原理及应用”(1994年,冶金工业出版社)、“电子皮带秤”(2007年,冶金工业出版社)“流程行业无线通信技术及应用”(2015年化学工业出版社)、“有色金属生产过程自动化”(2015年,人民邮电出版社)四本专著。

 

电话:0871-63168424  13078787502

地址:650051,昆明白塔路208# 昆明有色冶金设计研究院



审核编辑(王静)
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