雪佛龍是全球領(lǐng)先的石油勘探和開采公司，它的成就很大一部分要?dú)w功于其所采用的過程自動(dòng)化方案，為了實(shí)現(xiàn)不斷增長的業(yè)務(wù)目標(biāo)，該公司的自動(dòng)化專家很早就參于了無線傳感器及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和測試工作，并接觸了IEC62591（WirelessHART）技術(shù)。在雪佛龍位于加州圣華金河谷的上游工廠內(nèi)進(jìn)行的無線現(xiàn)場儀表測試相當(dāng)成功，他們相信這種可在任意地點(diǎn)安裝的無線技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于其所有上游和下游工廠，并能迅速提高和保持工廠效率。
為了調(diào)查大范圍使用無線技術(shù)的可行性，公司成立了無線中心，專門對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，在該技術(shù)得到驗(yàn)證后，即在其80%的廠區(qū)內(nèi)建立了無線網(wǎng)絡(luò)。這一應(yīng)用進(jìn)一步證實(shí)了無線技術(shù)可任意添加的特性，只要安裝然后開啟儀表就可以了，無需接線、無需敷設(shè)線槽和橋架、無需挖溝，有效節(jié)省了工作量和時(shí)間（如圖1）。無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？勺儯梢粋€(gè)回路一個(gè)回路逐步覆蓋到整個(gè)工廠。
雪佛龍懂得如何利用無線技術(shù)的優(yōu)勢來提高其上游和下游工廠的靈活性、可靠性、安全性、環(huán)境保護(hù)和業(yè)務(wù)表現(xiàn)。很多公司現(xiàn)在都在其全球的工廠中規(guī)劃和使用無線，讓我們看到了越來越多的最佳實(shí)踐和成功應(yīng)用。
此外，我們也在探尋無線功能在今后的應(yīng)用領(lǐng)域，這可能包括提高移動(dòng)作業(yè)人員的效率、在過程中的無線攝像應(yīng)用、安全集結(jié)以及人員設(shè)備的位置跟蹤。
業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)。對(duì)于上游工廠來說機(jī)會(huì)顯而易見，離岸平臺(tái)需要更多更全的信息，以獲得更好的采油效率，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)一口油井可能需要10年，而讓油井產(chǎn)油還要10年，所以必須讓油井持續(xù)高效地產(chǎn)油才能收回巨大的投入。在擁擠的平臺(tái)上和浮式儲(chǔ)油船上所采用的自動(dòng)化方案必須體積小、重量輕、安裝和使用方便。
海上油田也希望能夠延長油井壽命和提高產(chǎn)量。需要通過一些改進(jìn)來提供更好的采油系統(tǒng)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)輸配系統(tǒng)和過程裝置的高采收率，為運(yùn)行中心提供更好的信息來控制分散的油井和設(shè)施。而人員安全、環(huán)保、可靠性和贏利能力都需要技術(shù)的支撐。
煉油廠可以通過自動(dòng)化在滿足需求產(chǎn)出的同時(shí)提高效益。這就需要改善對(duì)設(shè)備、儀表和過程的監(jiān)測，以延長正常運(yùn)行時(shí)間，提高運(yùn)行性能，從而降低運(yùn)行和維護(hù)成本，并滿足新出臺(tái)的環(huán)境法規(guī)。
雪佛龍的工程師和操作人員希望能在現(xiàn)有工廠中安裝一些儀表來提高監(jiān)測力和過程可靠性，以及整體工廠效益。儀表本身成本不高，但在現(xiàn)有工廠中安裝和調(diào)試有線儀表的成本卻太高了。
無線技術(shù)是否能解決問題？雪佛龍使用無線技術(shù)已經(jīng)有好幾年了，尤其是應(yīng)用在分布于海上或離岸油田的SCADA系統(tǒng)上。相反，以前無線測量儀表和網(wǎng)絡(luò)在較狹小的工業(yè)工廠或離岸平臺(tái)以及浮式儲(chǔ)油船的應(yīng)用并不太成功，90年代初期的技術(shù)并不適合工業(yè)環(huán)境，通訊可靠性、安全和電池壽命都不盡人意。
由于早期缺乏工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)和適用于過程應(yīng)用的功能，僅管無線技術(shù)會(huì)對(duì)工廠運(yùn)營帶來很大價(jià)值，雪佛龍卻遲遲沒有將無線現(xiàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到監(jiān)測和測量領(lǐng)域。但是來自于上游和下游的需求終究是存在的。
幸運(yùn)的是，到了90年代后期，半導(dǎo)體和電池技術(shù)逐步走向成熟，很多過程自動(dòng)化供應(yīng)商投資進(jìn)行無線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)也在同步進(jìn)行，在雪佛龍公司和其他最終用戶的協(xié)助下完成了草案的擬定和數(shù)據(jù)測試，以使無線技術(shù)滿足通訊可靠性和安全性的需求。
無線測量儀表品種廣泛，符合IEC62591（WirelessHART）通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)99%的通訊可靠性，您可以從較少的回路開始逐步擴(kuò)展到全廠。
雪佛龍的自動(dòng)化專家堅(jiān)信這些變化將使無線技術(shù)以一種全新的姿態(tài)展現(xiàn)在人們面前。無線架構(gòu)通訊可靠、功能強(qiáng)大，可以使新建或改造工廠中的有線系統(tǒng)更上一個(gè)臺(tái)階。更少的工程和安裝工作使項(xiàng)目建設(shè)更為簡單，投入更少，并且能夠?qū)崿F(xiàn)過去無法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場測量。此外由于無線儀表安裝成本低，可以考慮在原來通過有線方式增加測量點(diǎn)成本太高的地方增加無線應(yīng)用。
投資無線。一旦決定采用無線方案，雪佛龍的自動(dòng)化專家就在其位于加利福尼亞州的里士滿能源技術(shù)公司成立了一個(gè)無線中心，該中心包括一個(gè)無線測試臺(tái)和一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)來自于不同廠家的無線技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行測試。雪佛龍上中下游各分公司的專家集聚在這里，對(duì)其各自所需的無線應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn)和測試，以便今后推廣到全球。
實(shí)驗(yàn)室模擬了一個(gè)比實(shí)際工廠更為嚴(yán)酷的無線電頻率環(huán)境，即無線信號(hào)必須與工廠原有信號(hào)共存，以檢測無線通訊的可靠性。雪佛龍?jiān)跓o線電頻率環(huán)境中進(jìn)行了軟件和與其它設(shè)備及儀表共存的測試。實(shí)驗(yàn)室在美國一家煉油廠安裝了無線設(shè)備，并在約2.5*2英里的工廠范圍內(nèi)設(shè)置了一些典型的障礙，如鋼筋結(jié)構(gòu)、移動(dòng)車輛以及復(fù)雜的地形。
經(jīng)過對(duì)無線技術(shù)和設(shè)備的嚴(yán)格測試和確認(rèn)，雪佛龍選擇了最符合標(biāo)準(zhǔn)的無線儀表方案，以滿足其當(dāng)前和未來對(duì)于提高裝置和工廠整體性能及收益的要求。他們的選擇充分考慮了成本、安全、通訊可靠性、電源管理等因素，以及是否具備足夠的功能、資源和技術(shù)與現(xiàn)有的有線技術(shù)兼容，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。作為這個(gè)團(tuán)隊(duì)的一部分，各自動(dòng)化供應(yīng)商的技術(shù)人員與雪佛龍緊密合作，共同研發(fā)無線技術(shù)和最佳實(shí)踐，以幫助雪佛龍實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
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實(shí)施無線方案。雪佛龍起初是在加利福尼亞San Ardo的油田注蒸汽回收油氣的項(xiàng)目中接觸無線技術(shù)的。無線儀表網(wǎng)絡(luò)傳遞可靠的數(shù)據(jù)以降低蒸汽過量和廢水排放。注汽數(shù)據(jù)能夠被傳送到油田控制室，這樣工作人員就不必前往注汽口手工采集數(shù)據(jù)并檢查設(shè)備是否正常工作了。此外，操作人員也不必置身于高壓高溫環(huán)境中，因此人員安全性大大提高。
油田中第二個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)是以電池供電的無線儀表測量井底井壓，雪佛龍將這些數(shù)據(jù)用于其專門的油層計(jì)算，包括用來確定要注入多少蒸汽、油的流型以及新的油井位置。與原來的遙感測量裝置相比，新的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)省了安裝成本，減少了維護(hù)工作量。
在加利福尼亞的應(yīng)用充分體現(xiàn)了無線技術(shù)的益處，它可以安裝在已建成的上游油田，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。
雪佛龍煉油廠還在進(jìn)一步開發(fā)無線技術(shù)的新應(yīng)用，他們有一個(gè)集工程、運(yùn)營、維護(hù)和IT人員于一體的項(xiàng)目組。這個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目填補(bǔ)了煉油行業(yè)的空白，它所采用的無線通訊結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)、接入點(diǎn)和軟件組成，一旦結(jié)構(gòu)安裝完畢，煉油廠可快捷方便地任意添加監(jiān)測點(diǎn)以提高運(yùn)行性能。
在這個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)中，雪佛龍需要在煉油廠的關(guān)鍵位置安裝無線通訊點(diǎn)，無線網(wǎng)絡(luò)采用IEEE802.11 Wi-Fi接入點(diǎn)覆蓋，它集成了無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中使用的過程測量和控制儀表采用的是IEC62591（WirelessHart）技術(shù)。
工廠網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)從現(xiàn)場評(píng)估開始。首先自動(dòng)化供應(yīng)商采用衛(wèi)星測繪來規(guī)劃Wi-Fi接入點(diǎn)的最佳安裝點(diǎn)，然后雪佛龍公司就和自動(dòng)化供應(yīng)商一起拿著接入點(diǎn)設(shè)備和通訊設(shè)備在各油罐及工廠裝置間對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行測試和測量，完成工廠網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場評(píng)估。這個(gè)過程是為了確保Wi-Fi設(shè)備能夠安裝在最佳位置。
雪佛龍和自動(dòng)化供應(yīng)商利用這些信息來規(guī)劃、設(shè)計(jì)和選擇所需要設(shè)備，接著是工廠驗(yàn)收測試，以確保所有的設(shè)備都能夠在工廠Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中保持通訊。最后是現(xiàn)場驗(yàn)收。整個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)包括16個(gè)Wi-Fi接入點(diǎn)，與分布在煉油廠中的12個(gè)現(xiàn)場儀表網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)采用IEC62591（WirelessHART）技術(shù)進(jìn)行通訊。在煉油廠中當(dāng)?shù)乩砦恢秒y以到達(dá)，或距離太遠(yuǎn)時(shí)，就可以添加一臺(tái)無線儀表擴(kuò)大測量范圍。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)連接或回傳所有現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到中控室或IT電腦。
還將有很多現(xiàn)場儀表被用在各種應(yīng)用中，如泵、電機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測；公用工程監(jiān)測；分餾塔溫度測量、水流量、儲(chǔ)罐溢出保護(hù)和腐蝕監(jiān)測。設(shè)備的可以根據(jù)需要隨時(shí)添加，而無需再次進(jìn)行現(xiàn)場評(píng)估，從安裝到提供測量只需很少的時(shí)間，通過圖形化的軟件，工廠維護(hù)人員或網(wǎng)絡(luò)管理人員可以直觀地看到整個(gè)工廠網(wǎng)絡(luò)，而操作人員也可以連續(xù)在線查看通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。
IT部門享有工廠網(wǎng)絡(luò)的管理權(quán)，針對(duì)無線技術(shù)的IT最佳實(shí)踐方法已經(jīng)建立，且以英特網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)作為保障。僅在IT和過程網(wǎng)絡(luò)之間的連接，它的安全較容易實(shí)現(xiàn)和管理。防火墻的設(shè)置使網(wǎng)絡(luò)間的通訊安全可靠。
通過防火墻，現(xiàn)場數(shù)據(jù)被傳送到歷史數(shù)據(jù)庫和資產(chǎn)管理軟件，用于設(shè)備健康狀態(tài)管理等用途。維護(hù)人員可通過軟件來觀察和管理諸如反應(yīng)器等設(shè)備，在維護(hù)工作站調(diào)用設(shè)備當(dāng)前或歷史信息。狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測維護(hù)信息被傳送到過程自動(dòng)化系統(tǒng)，供操作人員使用，在操作站也能查看用于過程運(yùn)行的數(shù)據(jù)。
無線管理小組的建立是為了對(duì)無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)估和選擇。該小組成員來自于無線技術(shù)、工程、維護(hù)和運(yùn)行等職能。小組記錄了實(shí)施無線測量應(yīng)用的結(jié)果，并對(duì)新的無線應(yīng)用進(jìn)行審核。
經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。現(xiàn)在無線結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立起來了，運(yùn)行、可靠性或工程小組不時(shí)會(huì)提出增加現(xiàn)場測量的要求，無線管理委員會(huì)定期開會(huì)對(duì)各種無線應(yīng)用的方案進(jìn)行評(píng)估。以前由于成本高或?qū)嵤├щy而無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用現(xiàn)在都可以輕松實(shí)現(xiàn)了，這正是無線架構(gòu)的意義所在，事實(shí)驗(yàn)證無線方案從電子結(jié)構(gòu)到相關(guān)工程費(fèi)用可節(jié)省幾百萬美元。
在整個(gè)無線方案的研究中我們得到了以下結(jié)論:
? 基于IEC62591的WirelessHART技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)出色。
? 即使小型的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)也能獲得很高的回報(bào)。用戶可以根據(jù)需要隨時(shí)擴(kuò)展無線工廠網(wǎng)絡(luò)，不斷擴(kuò)大收益。
? 在工廠Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中確定接入點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)位置，可以從現(xiàn)場評(píng)估著手，之后要增加無線現(xiàn)場儀表，無需再進(jìn)行現(xiàn)場評(píng)估。
? 在項(xiàng)目前期就應(yīng)該讓IT安全人員、無線專家、操作和維護(hù)人員參與進(jìn)來。
? 建立一個(gè)多職能部門聯(lián)合的無線管理小組對(duì)新的無線應(yīng)用進(jìn)行選擇和管理。
? 明確無線儀表在工廠中的用途（是用于控制還監(jiān)測）。
? 采用開放的通訊標(biāo)準(zhǔn)：如應(yīng)用于工廠網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.11(Wi-Fi)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的IEC62591(WirelessHART)標(biāo)準(zhǔn)。
展望未來。經(jīng)過成功測試，實(shí)驗(yàn)室檢定和煉廠的使用，雪佛龍各業(yè)務(wù)部門開始開發(fā)各自的無線應(yīng)用。事實(shí)證明，無線儀表可以根據(jù)需要隨時(shí)添加，而且成本不高。在全球，已經(jīng)有越來越多的項(xiàng)目正在進(jìn)行調(diào)研，希望將無線技術(shù)應(yīng)用在上游和下游的業(yè)務(wù)中。
作者介紹
Greg Laframboise
在雪佛龍已有29年的儀表、自動(dòng)化與電氣工作經(jīng)驗(yàn)，參與過自動(dòng)化項(xiàng)目各階段的工作，包括項(xiàng)目開發(fā)、工程和建設(shè)。LaFramboise先生分別在美國多個(gè)城市和美國之外的國家工作過，包括印尼。在過去的5年里，他曾擔(dān)任過無經(jīng)技術(shù)的負(fù)責(zé)人，主管無線傳感技術(shù)。
Bob Karschnia
艾默生過程管理公司羅斯蒙特測量部無線技術(shù)副總裁，在過程控制領(lǐng)域擁有18年的工作經(jīng)驗(yàn)。目前他負(fù)責(zé)整個(gè)無線業(yè)務(wù)中羅斯蒙特的無線產(chǎn)品和整個(gè)艾默生過程管理無線活動(dòng)的協(xié)調(diào)。在這之前，Karschnia在公司擔(dān)任過設(shè)計(jì)工程和管理等職務(wù)。加入羅斯蒙特之前，他曾在壓縮機(jī)控制集團(tuán)公司從事旋轉(zhuǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的開發(fā)工作，并在Lockheed Martin公司從事衛(wèi)星控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。Karschnia還曾在美國空軍擔(dān)任過軍官，從事衛(wèi)星控制和通訊系統(tǒng)。他在密尼蘇達(dá)州大學(xué)獲得了航空工程的學(xué)士學(xué)位，在科羅拉多大學(xué)獲得了電子工程的碩士學(xué)位。
（轉(zhuǎn)載）
