智能無線技術在電廠除灰系統(tǒng)的應用

1 系統(tǒng)概況

　　華能上海石洞口第一電廠除灰系統(tǒng)主要由倉泵出灰和灰?guī)斓认到y(tǒng)構成，系統(tǒng)控制由PLC完成。由于歷史原因，除灰控制系統(tǒng)原先并不屬熱控管轄范圍，系統(tǒng)設計理念陳舊，模擬量信號少，自動化水平較低。

　　2008年熱控專業(yè)對除灰控制系統(tǒng)進行了一次改造，控制范圍囊括了四臺爐的氣力輸灰、灰?guī)?、灰漿系統(tǒng)。上位機HMI部分改為標準的客戶機/服務器結構，配置六個客戶端，

　　兩個冗余服務器，一個工程師站和一個數(shù)據(jù)庫服務器。運行人員在客戶端進行操作，畫面由服務器提供，工程師站修改程序和畫面。任何修改只要在工程師站完成，運行人員只要切換畫面就能對操作畫面進行更新，不需要重啟計算機。

　　為了提升除灰系統(tǒng)的自動化水平，這一輪改造后，熱控專業(yè)又著手對就地設備進行完善。但由于原除灰系統(tǒng)自動化水平低，運行人員長期手動操作，無法對現(xiàn)場設備提出控制要求。因此我們通過對就地設備的觀察，決定增加庫頂風機壓差信號、庫底流化風機和斜槽流化風機壓力信號。

　　2 應用工程簡介

　　隨著科學技術的高速發(fā)展，近年來，無線技術得到了長足的發(fā)展，過程控制領域出現(xiàn)了諸多無線設備，如無線壓力、差壓變送器、溫度變送器、無線定位器等。艾默生的智能無線技術就是其中的一個代表。華能上海石洞口第一電廠熱控專業(yè)一貫關注新技術，考慮到此次改造在灰?guī)焐戏笤O電纜確實比較困難，因此決定嘗試一下無線這樣的新技術。由于發(fā)電廠普遍采用艾默生的羅斯蒙特變送器，我們此次還是選擇了羅斯蒙特無線變送器。艾默生以合理的價格提供了無線變送器及相關設備。

　　無線硬件由無線變送器和無線網(wǎng)關1420構成，單個無線設備之間的可視距離可以達到228米，無線網(wǎng)關和上位控制系統(tǒng)之間有線連接，通訊方式有Modbus 485、Modbus TCP/IP及OPC。上面是羅斯蒙特提供的無線技術方案示意圖，整個現(xiàn)場設備的改造方案最初設計九臺變送器，后來由于設計方案的變動只用了五臺。設備到貨后，整個無線設備系統(tǒng)的安裝與調試完全由熱控工程師完成，期間只是就相關技術問題咨詢了艾默生相關技術人員。至此，我們在上海的電力系統(tǒng)做了第一個無線樣板工程。

　　3 無線通訊和系統(tǒng)安全性

　　3.1 無線頻率

　　通常使用的與過程工業(yè)相關的ISM頻段有三個：900MHz、868MHz以及2.4GHz。900MHz 頻率最常用于美國，868MHz頻段可以在歐洲大部分地區(qū)用于ISM通信，2.4GHz頻段則在全球范圍內適用。2.4GHz頻段實際上包括了從2.4GHz到2.4835GHz區(qū)間，同時，2.4GHz頻段也是Wi-Fi工作頻段。智能無線技術就工作在這個頻段。

　　3.2 無線網(wǎng)絡可靠性與安全性

　　智能無線技術的一大特點是采用了自組織網(wǎng)狀拓撲結構，而不是常見的點對點結構。點對點拓撲結構中，每一臺設備直接與網(wǎng)關通訊，設備與網(wǎng)關之間的通訊路徑要求完全可視，而這在現(xiàn)場是比較難以做到的；網(wǎng)狀拓撲結構中，每一臺無線設備都可以作為其他無線設備的中繼路由，設備與網(wǎng)關之間無需完全可視。同時自組織特性保證了網(wǎng)絡中每個設備至少有兩個通訊路徑，一旦其中的一條通信路徑由于某種原因被中斷，網(wǎng)絡會自動利用其它的路徑進行通訊，從而確保了智能無線技術在復雜的工廠環(huán)境中依然可靠。

　　智能無線技術將2.4GHz頻段分成16個更窄的頻段，并采用跳頻技術，如果在其中的一個頻段檢測到干擾，網(wǎng)絡通訊將切換到另外一個頻段。同時智能無線技術內置了數(shù)據(jù)加密與校驗，發(fā)送設備與接受設備之間也需要身份驗證，數(shù)據(jù)的訪問也需要相應的權限才能進行。

　　此外，值得一提的是，智能無線現(xiàn)場設備完全由電池供電，這得益于對現(xiàn)場設備進行的低功耗改造，使得無線裝置可以在現(xiàn)場連續(xù)工作數(shù)年而不用更換電池。其次，其采用的電池包含多項專利，具有本安、防短路等多項特性，可以在危險環(huán)境中隨意更換而無需采取特殊安全措施。

　　4 實施方案

　　4.1 廠家自身系統(tǒng)的連接

　　智能無線網(wǎng)絡由無線變送器和1420無線網(wǎng)關構成。在完成簡單的配置和現(xiàn)場設備安裝后，1420網(wǎng)關接通24VDC電源，變送器裝上電池，整個無線網(wǎng)絡就可以自動上線。

　　4.2 無線與控制系統(tǒng)的連接

　　1420無線網(wǎng)關是無線設備和現(xiàn)有控制系統(tǒng)之間的接口，從網(wǎng)關到主機的連接可以用多種方式接入，主要有Modbus RS485，Modbus TCP/IP或OPC。而改造后的除灰控制系統(tǒng)使用的是羅克韋爾AB系列PLC，人機接口部分為羅克韋爾FactoryTalk View通用HMI解決方案。由于 AB 系列PLC中沒有空余的485接口，因此本方案我們采用OPC的通訊方式。

　　5 無線網(wǎng)絡的配置

　　無線網(wǎng)絡的配置相對比較簡單，分現(xiàn)場設備的配置和網(wǎng)關的配置兩個環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場設備的配置主要是Join Key、Network ID及數(shù)據(jù)刷新速率等的配置，Join Key和Network ID分別為和無線設備通訊的握手密碼和網(wǎng)絡標識，可以使用無線網(wǎng)關的默認值，數(shù)據(jù)刷新速率根據(jù)實際需要確定。這些參數(shù)的設定可以通過支持無線版本的HART 375手操器進行，也可以在隨機配備的無線配置軟件中進行設置。

　　網(wǎng)關的配置需要從筆記本電腦登陸1420網(wǎng)關進行，需要注意的是直接連接筆記本電腦和網(wǎng)關要使用隨機配備的交叉網(wǎng)線。網(wǎng)關的登陸地址為其IP地址，默認為https://192.168.1.10。輸入用戶名和密碼登陸后就可以根據(jù)需要修改IP地址，一般來說，無需更改IP地址，但對于將網(wǎng)關集成到現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡中的，網(wǎng)關IP地址就需要改到相應網(wǎng)段內的空余IP地址。PLC控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務器的IP地址分別為192.168.0.1和 192.168.0.3，客戶端的地址是192.168.0.5，因此，我們把無線網(wǎng)關IP地址改為192.168.0.10。

　　6 無線產(chǎn)品與控制系統(tǒng)的集成

　　Emerson智能無線網(wǎng)關內嵌軟件（版本3.8.9），對網(wǎng)關及無線系統(tǒng)的設置與瀏覽通過IE瀏覽器進行，無需其他軟件，分別在Setup—>Internet protocol中設置IP地址為192.168.0.10，在Setup—>HART中設置儀表參數(shù)，在Setup—>OPC中設置要映射上傳到上位機的變量。整個過程較簡潔。

　　在AB系列 PLC控制系統(tǒng)一側，只需在HMI軟件FactoryTalk View Studio中新建OPC，并選擇EmersonProcess.GatewayOPCServerDA.3，在FactoryTalk View Studio中運行Tag Browser，新建Tag點與網(wǎng)關中新建OPC中的Tag點（如下圖：192_168_0_10中Tag點）進行連接并進行HMI畫面組態(tài)，就能正確顯示測量值。

　　下面是改造后的控制及無線系統(tǒng)圖

　　7 無線產(chǎn)品的應用及評價

　　Emerson的無線產(chǎn)品有常用的壓力、溫度、流量、液位（料位）變送器 、分析儀表和定位器等，基本涵蓋了熱控常用的測量信號。無線產(chǎn)品的優(yōu)點是明顯的，首先是費用的節(jié)省、人工、電纜和穿線管等就地施工費用的節(jié)省，也不需要購買模擬量卡件，施工及調試的時間也大大縮短。

　　用戶首先要熟悉自己的控制系統(tǒng)，而且用戶有權選擇自己喜歡熟悉的產(chǎn)品。對于自動化行業(yè)來說，這個公司的產(chǎn)品能提供的某些功能，別的公司也能提供，最關鍵的一點是我們如何正確靈活地運用這些產(chǎn)品，拓寬思路，使自動化的應用水平更上一層樓。

　　至于從安全的角度來看，由于現(xiàn)在都是小范圍使用，沒有超過100臺，都不需要復雜多樣的無線網(wǎng)絡冗余方案。建議無線網(wǎng)關布置在離接收設備較近，離控制系統(tǒng)稍遠的位置。

　　無線技術目前主要應用于無人值守的信號監(jiān)視和電力系統(tǒng)的熱力實驗等。當然了，迄今為止無線技術仍未在工廠內部廣泛采用。人們擔心無線系統(tǒng)的可靠性、安全性以及電池的壽命，即使在傳統(tǒng)的有線技術方案成本高昂的情況下也不愿意冒風險去應用嘗試新產(chǎn)品。

　　8 未來展望

　　隨著無線設備及無線電力輸出技術的產(chǎn)生和發(fā)展，人們曾經(jīng)擔心的這些新技術已經(jīng)被廣泛使用，越來越被認可，甚至作為一種標準得到逐步加強。

　　互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展，也帶動了社會、家庭及自動控制對互聯(lián)網(wǎng)的需求和依賴，互聯(lián)網(wǎng)從2G到3G，這種局面也隨之改變。在許多領域的操作中，人們正在將目光投向無線技術，未來無線技術將被普遍應用到各種產(chǎn)品中去。