經過30余年的蓬勃發展，我國的海洋石油油氣產量已超過5000萬噸，保障了國家的能源安全，也使得我國的海洋石油工業得到了飛速的發展。在此期間，工業自動化技術特別是HART儀表、分散式控制系統、現場總線技術等都得到了廣泛的應用，而且發揮了重要的作用。如今工業無線儀表技術作為工業自動化發展的新興突破點和發展方向，逐步得到了重視和應用，未來將具有廣闊的發展前景。

1工業無線技術的概述

工業無線技術相對于傳統的有線（常用的點對點、串行通訊技術）技術具有比較明顯的優勢：

1）無線技術節省線纜、安裝成本，降低工作量。傳統有線方案的安裝成本一般為每英尺50到100美元[1]；如果是在惡劣工況，特別是有毒、高空、放射性等危險的區域，費用會更高。而使用工業無線儀表，此項費用會節省約90%，同時會縮短項目的建造周期。另外，對于那些需要操作人員和維護人員到現場采集數據和進行相應操作的工作，通過無線儀表自動數據采集可以大大減少工作量。

2）無線技術便于后期的維護和擴展。針對傳統有線儀表電纜的故障，首先要查找故障點，由于海洋平臺電纜歸集于專用的電纜橋架，電纜較多，查找工作非常困難；同樣對故障點的處理也相當麻煩，還需要專用的連接頭。另外，如果后期增加儀表，需要額外鋪設新的電纜，工作量很大，特別是對于平臺最下層，工作量和難度很大。工業無線儀表則有無可比擬的優勢，首先不存在線纜故障的可能性，擴展時僅需要將無線儀表和網關對碼（地址）調通即可投用。

3）無線技術能有效降低能耗。有線儀表的能耗80%集中在線纜的損耗上，而無線儀表的能耗集中在儀表本身，相比而言能耗就顯得微不足道了。美國總統科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發展規劃”中指出“工業無線技術能夠使工業生產率提高10%，并使排放和污染減少25%”[2]。

4）無線技術減少占用石油平臺的重量和空間，降低投資。工業無線儀表的使用將減少電纜的使用量，同時節省空間；另外較低的能耗意味著可以減小公用電站的規模及UPS容量，這些都能降低投資成本。

2目前國際上工業無線技術的主流標準

2.1Zigbee標準

ZigBee首先由IEEE802.15工作組提出，它是一種低功耗、低速、低成本、短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層、應用層等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標準的規定。由于Zigbee適用于低速、數據流量較小的應用場合，主要針對家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農業自動化和醫療護理及物流管理領域，規模化的工業應用尚未見報道。

2.2無線HART標準

2004年起，HCF（HARTcommunicationfoundation）宣布開始制定無線HART標準，作為HART現場通訊協議第7版HART7.0的核心部分，無線HART標準與所有符合hart協議的儀表和設備一樣，都向后兼容現有的hart設備和應用。由于此前HART儀表在工業生產的廣泛應用，因此在行業中具有重要的影響力，吸引了包括Emerson、ABB、Siemens、DustNetworks等著名的過程控制供應商的支持和響應。

2.3ISA100.11a標準

ISA100.11a由國際自動化學會（ISA）下屬的ISA100工業無線委員會制定，該標準的主要內容包括工業無線的網絡構架、共存性、魯棒性、與有線現場網絡的互操作性等，其定義的工業無線設備包括傳感器、執行器、無線手持設備等現場自動化設備。ISA100.11a標準希望工業無線設備以低復雜度、合理的成本和低功耗、適當的通信數據速率去支持工業現場應用。ISA100.11a最大的特點是在理論上想要實現的是，通過簡單的無線基礎結構能夠支持多種協議：HART，Profibus，Modbus，FF等，因此兼容性非常強大，以滿足工業自動化的多種不同的應用需求。但是由于ISA100.11a標準使用自然語言描述，并涉及很多廠家的關鍵技術，特別是專利，勢必形成技術壁壘，因此遵循者對于協議的不同理解會導致不同的協議實踐，甚至有時會是導致錯誤發生。因此，ISA100標準產業化的前提條件之一是所有產品必須通過嚴格的一致性、互操作性等測試和認證，從而滿足兼容性的要求。

3日趨成熟的無線HART技術

3.1無線HART的理論技術基礎

無線HART是一種專門為過程自動化應用設計的無線網格型網絡通信協議，它采用工作于2.4GHzISM射頻頻段，具有安全、穩健的網絡拓撲結構，將所有信息打包在一個數據包內通過直接序列擴頻（DSSS）和跳頻技術（FHSS）、時分多址（TDMA）同步、網狀網絡技術進行數據傳送。為了遵循國際標準組織（ISO）開放互連（OSI）參考模式及向前兼容HART標準，HART基金會HCF采用了IEEE802.15.4物理層，并制定單獨的MAC層及其以上的協議。無線HART通信協議棧包括物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層及應用層[3]。

3.2無線HART結構

無線HART結構是按照易于使用、可靠以及與無線傳感器網格型協議相兼容。它強制規定所有的兼容設備必須支持可無操作性，這就是說不同廠家提供的無線HART儀表和設備，無需進行系統操作就能互換，即連即用。另外，無線HART兼容HART的核心技術，比如HART的命令結構和設備語言描述DDL。無線HART規定了三種主要的網絡要素：無線HART現場設備、無線HART網關和無線HART網路管理器。還支持無線HART適配器，以便將現有的HART設備接入無線HART網絡；以及無線HART手持設備，以便就近接入相鄰的無線HART設備

3.3無線HART特點

3.3.1HART協議基礎深厚、應用廣泛據統計，世界上約20%的工業儀表采用HART協議。無線HART能與原有儀表和控制系統完全兼容，而且通訊的使用和調試非常方便，只要是基于HART的設備、工具、培訓、應用軟件和工作流程都可繼續保留使用。這對于原來的HART設備用戶而言，將節省大量投資。

3.3.2支持無線HART的供應商不斷的產品化先以Emerson為例，據Emerson介紹，從壓力、流量、液位、溫度、振動、pH測量等各類儀表變送器到網關節點及其他無線HART兼容產品，從AMS預測性維護資產管理軟件到375種現場通訊設備，乃至DeltaV和Ovation數字化系統的純無線設備監控界面[4]。

3.3.3無線HART技術開放性、兼容性比較好無線HART能夠完全向前兼容HART，這就決定了其開放性、兼容性較其他標準優勢明顯。

3.3.4自組織網狀網絡自組織網狀網絡不僅能自動搜尋信號最佳路徑，而且在網狀網絡中的每個設備都能作為路由器用于轉發其他設備的報文，例如臨時出現某個障礙物擋住了通訊路徑，鄰近的無線儀表可作為路由器繼續傳遞信號；如果某個節點出現故障，網絡會切換到其他冗余的通訊路徑，通過以上這些方法保持信號的暢通，從而可使數據傳輸的可靠性達到99%以上。

3.4無線HART的應用原則

首先確定無線現場網絡要應用在某一個過程單元或區域，需要該單元或區域的比例圖，例如尺寸標準明確的設備總布置圖。然后根據相應原則在比例圖上標出所需安裝的無線儀表。

4無線HART儀表在海洋石油工業的應用分析

目前采用無線HART的工業無線儀表技術已比較成熟，而且在國外的石油、石化行業，特別是在海洋石油平臺上已多見應用，且應用效果比較理想。但在我國的海洋石油工程中，無線HART儀表的規模化應用尚屬空白。而目前我國海洋石油平臺、FPSO上廣泛應用了HART儀表，控制系統軟件中也多繼承了HART協議管理包。無線HART完全向前兼容HART，這就使得無線HART的應用具有得天獨厚的優勢。考慮到石油平臺、FPSO對監控要求比較高，特別是油氣生產的安全、可靠性要求非常苛刻。因此個人認為，無線HART儀表的應用應該分為三個階段。

4.1已有平臺改造時少量試驗

目前海洋石油平臺、FPSO廣泛采用HART儀表且配置了HART軟件包的控制系統，因此在后期改造流程時，可以適當嘗試無線HART儀表的使用，并注意對使用中的問題和經驗進行總結，并和相關設計單位進行交流和反饋。

4.2小型無人井口、井口平臺小規模應用

針對小型無人井口、井口平臺控制規模小，可以采用無線HART儀表完成監控功能，而減少電纜敷設量，降低投資成本。

4.3新建生產設施的規模應用

在前兩個階段的基礎上，借鑒國外成功項目，選擇技術實力雄厚的儀表和系統廠家，可以考慮在新建平臺、FPSO進行規模化的無線HART儀表的應用，這樣無線儀表在節約投資、降低能耗、便于擴展等方面的優勢會更加明顯，同時也提升了我國海洋石油工業的自動化水平。

5結束語

目前，無線HART儀表還只是應用于過程控制系統的監控中，因為畢竟緊急停車系統關系著整個工藝生產安全的重任，沒有嚴格的SIL等級認證和成功的應用案例，無線HART儀表還無法完全替代有線（點對點）儀表。另外，高耗能儀表，例如電磁、超聲流量計等類似儀表的供電問題也是制約無線HART儀表發展的一個瓶頸。但值得期待的是，隨著WirelessHart技術的完善和更加成熟后，完全替代有線儀表的無線HART儀表必將具有廣闊的應用前景，而且也將給儀表行業帶來一次全新的革命。

作者：金海洋 王偉杰 仇長明 單位：海洋石油工程股份有限公司 天津修船技術研究所