工業(yè)無線技術(shù)（無線變送器）在電廠的應(yīng)用場合探討及在貴州盤縣電廠的可靠性測試

貴州電力試驗研究院 石踐

工業(yè)無線解決方案不同于傳統(tǒng)的點對點的無線通訊技術(shù)，其采用Mesh 多路徑、FHSS/DSSS跳頻及端對端的無線通訊控制等技術(shù)，確保了無線通訊工業(yè)等級的可靠安全及快速配置通訊時間滯后管理機制，解決了長時間現(xiàn)場儀表（變送器）電池供電的問題。無線傳輸為數(shù)字傳輸，再加上mesh多路徑的空間通訊、基于時間同步和碰撞檢測的通訊及跳頻抗干擾通訊，確保了無線通訊在電廠應(yīng)用的可靠性。貴州電力試驗研究院和霍尼韋爾公司（Honeywell）于2009年5月7日在貴州省盤縣電廠的測試結(jié)果也有力地證實了mesh、跳頻的工業(yè)無線技術(shù)通訊的可靠性。

1 電廠無線應(yīng)用的場合

無線技術(shù)突破接線和電纜的束縛，實現(xiàn)更加靈活方便的過程參數(shù)采集，同現(xiàn)有有線的DCS控制系統(tǒng)無縫式數(shù)據(jù)集成，從而進一步延伸測控的廣度和深度，達(dá)到提高工廠安全水平、設(shè)備可靠水平、自動化水平及工作效率的目的。

無線方案在電廠適用的場合主要是敷設(shè)電纜或接線困難的測點、分布非常分散的區(qū)域、隔離和屏蔽的區(qū)域、檢修難的區(qū)域、移動或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、電纜易損壞和折斷的場所，電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場合；旋轉(zhuǎn)和移動的測點；移動的工作站；無線視頻監(jiān)視；設(shè)備健康狀態(tài)檢測；安裝工期要求迅速的項目中；現(xiàn)場沒有電源供應(yīng)的場合等。

無線方案還可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、大范圍區(qū)域，如在風(fēng)力發(fā)電廠。采用由電池供電的無線變送器，可對各風(fēng)機處的風(fēng)速、千瓦/兆瓦電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)及電機振動等狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測。對于遠(yuǎn)距離集中測點的無線應(yīng)用，無線網(wǎng)絡(luò)提供了簡單可靠的解決方案，實現(xiàn)了每個無線測量點的最低成本。同有線方案相比，可節(jié)省大量安裝成本和維護費用。

2 電廠無線應(yīng)用的技術(shù)考慮

決定應(yīng)用無線技術(shù)方案需要考慮到未來無線應(yīng)用的可擴展性、延續(xù)性和互操作性（一個平臺支持多種無線應(yīng)用、多通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表、開放式標(biāo)準(zhǔn)）等。其中的技術(shù)因素主要包括無線儀表的安全考慮；無線通訊的可靠性、安全性；無線儀表的電池供電；無線網(wǎng)絡(luò)的實時性（儀表刷新速度、網(wǎng)絡(luò)通訊時間滯后）；無線通訊的頻段考慮；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；同有線DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成等。

2.1 多功能無線網(wǎng)絡(luò) vs單一功能無線網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前存在于電廠過程控制系統(tǒng)的有線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有很多，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet等。每個協(xié)議都基于各自的專用架構(gòu)（最典型的就是銅導(dǎo)線），因此多個協(xié)議可以輕松地共存而不會相互影響。

但不同于有線應(yīng)用的每個協(xié)議都有自己的架構(gòu)或傳導(dǎo)介質(zhì)，無線版本的協(xié)議需要共享一種公共介質(zhì)——空氣，這些協(xié)議必須在這種公共介質(zhì)中共存，且會因同處于一個物理空間而相互干擾。

因此，電廠無線應(yīng)用的最優(yōu)方式是構(gòu)建一個單一架構(gòu)，同時支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表和多種應(yīng)用。這既可減少不必要的相互干擾，確保無線通訊更加可靠，同時也可節(jié)省用戶投資，減少建立的多個無線平臺為用戶帶來的管理上的困難。

Honeywell公司的OneWireless無線方案就是一個多功能的無線網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)一個平臺支持全廠的多種應(yīng)用。如：過程參數(shù)的監(jiān)控、安全視頻監(jiān)視、支持流動作業(yè)、移動設(shè)備即時定位、管道腐蝕監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)如振動、診斷等；一個平臺支持多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表：如HART、Modbus、FF、4-20mA等；工廠運行維護人員不必面對多個獨立的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)平臺，不必為管理不同的單一功能無線網(wǎng)絡(luò)而煩惱。

2.2 ISA 100 vs Wireless HART

目前無線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制的技術(shù)方案可以分為2類，即以WirelessHART為代表的儀表傳感器無線mesh解決方案，和以ISA100為代表的節(jié)點mesh無線方案。兩種解決方案都為達(dá)到工業(yè)等級的無線應(yīng)用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴頻通訊技術(shù)及基于精確時間同步的通訊和基于數(shù)據(jù)碰撞的通訊技術(shù)。也都考慮了前文中提到的諸多技術(shù)因素（見本文第2節(jié)），但這兩種方案的技術(shù)路徑卻差別很大，為用戶帶來的價值和優(yōu)勢也不盡相同。

2.2.1 以WirelessHART為代表的儀表mesh無線網(wǎng)絡(luò)

該解決方案的主要特征是現(xiàn)場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數(shù)，還可同時為其它儀表的通訊路由。通常配置一個網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。整個無線網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，實施較為簡單。

但這種技術(shù)路徑的缺點也很明顯。由于整個無線網(wǎng)絡(luò)的通訊是通過變送器路由實現(xiàn)，導(dǎo)致其通訊速度受到限制，如變送器的刷新速度不可能做到很快，雖然最快可達(dá)到4秒，但推薦設(shè)定的刷新速度為1分鐘；設(shè)定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后越長。

由于每臺無線變送器同時也是其它變送器的路由，這會對電池造成較大消耗，導(dǎo)致電池壽命不會很長，30秒刷新的時候可能5年，但快速刷新時（如4秒），電池的壽命就會很短。也正是由于設(shè)備的路由需要消耗電池，所以即使電池電壓可隨時顯示報警，但電池電壓低的時間主要取決于路由次數(shù)，這就使得電池壽命很難預(yù)測。同時，鋰電池本身屬于高蓄能設(shè)備，故在電廠的應(yīng)用需要隔爆的變送器選型。

為節(jié)省電池能量，無線儀表的無線發(fā)射功率需要有所限制，即2個無線儀表間的通訊距離很短（若申請的是2.4GHz微功率設(shè)備，那不同國家關(guān)于其發(fā)射功率的限定都不同，如中國無線電管理委員會關(guān)于微功率無線設(shè)備的發(fā)射功率限制設(shè)定為必須小于10毫瓦，設(shè)備間通訊距離在100米左右）。

考慮到網(wǎng)絡(luò)通訊時間滯后和通訊速度，整個無線mesh網(wǎng)絡(luò)的通訊路由次數(shù)必須有所限制，即最遠(yuǎn)的儀表到網(wǎng)關(guān)的路由次數(shù)不能大于該限次，否則通訊時間滯后會很長；同時通訊時間滯后的因素也決定了整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，如無線儀表1秒刷新時一個網(wǎng)關(guān)所帶的設(shè)備可能非常有限。

另外，這種以WirelessHART為代表的儀表mesh無線解決方案，一個無線架構(gòu)只支持儀表（而且是HART儀表）的無線通訊，沒有考慮到支持其它協(xié)議的現(xiàn)場儀表和其它無線應(yīng)用，也是其局限性。

2.2.2 以ISA100為代表的節(jié)點mesh無線網(wǎng)絡(luò)

該方案主要特征是由節(jié)點構(gòu)建一個通訊速度非常快速的無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，且該無線主干網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合，同時支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表。現(xiàn)場無線儀表可自動選擇同任意節(jié)點進行無線通訊，自組織、自愈合。但現(xiàn)場儀表不配置路由功能。通常任何一個節(jié)點都可以或同時作為網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)同DCS數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

這種方案的優(yōu)點是無線變送器的刷新速度可以達(dá)到很快，典型的是1秒或0.25秒，且由于無線變送器只需1個“hop”就可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€通訊速度非常快的無線主干網(wǎng)上，所以整個網(wǎng)絡(luò)的通訊時間滯后也很短。

因為每臺無線變送器并不作為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長，常溫下1秒刷新的時候就可達(dá)到5年。此外，由于沒有配置路由功能，電池電壓不僅可隨時顯示報警，且電池電壓低的時間，即電池的壽命，也可預(yù)測。

電池壽命長使得無線儀表的無線發(fā)射功率相對靈活，即2個無線儀表之間的通訊距離可以做到更長（如中國無線電管理委員會關(guān)于2.4GHz 擴頻通信設(shè)備的發(fā)射功率限制設(shè)定為不超過500毫瓦，設(shè)備間通訊距離可達(dá)數(shù)十公里）。

這種方案基于整個架構(gòu)的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常靈活，一個網(wǎng)絡(luò)支持的無線儀表的數(shù)量可達(dá)到上千臺。同時，這個多功能的解決方案實現(xiàn)了一個無線架構(gòu)支持多種協(xié)議的現(xiàn)場儀表和多種工廠的無線應(yīng)用。

3 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性現(xiàn)場測試：貴州盤縣電廠

3.1 測試目的

為驗證無線變送器在現(xiàn)場的抗干擾能力，確保可靠穩(wěn)定的工業(yè)等級的數(shù)據(jù)傳輸及友好的共存能力，貴州電力試驗研究院和Honeywell公司于2009年5月7日把Honeywell公司的無線產(chǎn)品（2臺多功能節(jié)點、2臺無線溫度變送器和1臺無線模擬量輸入變送器，設(shè)備清單如表1所示）安裝在貴州省盤縣電廠進行測試。在測試（5月7日9點～5月7日14點）期間，無線變送器每隔1秒采集一次電廠1號爐煙道溫度數(shù)據(jù)，并通過多功能節(jié)點構(gòu)建的無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)，同上位工作站進行數(shù)據(jù)集成（如歷史數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)顯示、Excel報表輸出等）。

表1 設(shè)備清單

3.2 測試結(jié)論

無線變送器在電廠測試現(xiàn)場的工作狀況正常，通訊可靠穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)通訊方式集成至工作站，如表2所示。

表2 評估項目

情況描述：

? 無線變送器安裝位置：3臺無線變送器安裝在1號機組鍋爐島1～4號煙道9米層溫度測點處，無線溫度變送器T1（#3） 的第一個通道測量4號煙道溫度，第2個通道測量3號煙道溫度；無線溫度變送器T2 （#4）的第一個通道測量2號煙道溫度；因只帶了3支熱電偶，故溫度變送器的其它通道未接入溫度測點，短接測量大氣溫度；無線模擬量變送器H1（#5）安裝在3號、4號煙道之間，未接入測點。

? 多功能節(jié)點安裝位置：多功能節(jié)點#200安裝在1號機組鍋爐13米層，鍋爐本體側(cè)。多功能節(jié)點#213安裝在控制室附近/甲側(cè)給煤機處。如圖1所示。

圖1

? Mesh主干網(wǎng)絡(luò)：2個多功能節(jié)點直接無線通訊，構(gòu)建快速通訊mesh無線主干網(wǎng)絡(luò)，通訊狀態(tài)良好。

? 3臺無線變送器同多功能節(jié)點#200通訊狀態(tài)良好（信號強度在-30dbm左右），且能夠同時繞開鍋爐本體同控制室附近的多功能節(jié)點#213直接通訊（信號強度在-70dbm左右），實現(xiàn)多路徑冗余跳頻通訊。

? 數(shù)據(jù)采集時，工作站有線連接在多功能節(jié)點#213上，輸出實時PV值及歷史數(shù)據(jù)，輸出Excel報表。

? 工作站能夠在控制室里，以無線的方式直接同多功能節(jié)點#213和多功能節(jié)點#200無線通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和實時狀態(tài)監(jiān)測。

? 測試結(jié)束時，把2臺無線變送器移動到1號爐50米層省煤器處，無線變送器仍然可以同時與多功能節(jié)點#200和#213通訊；且在整個移動過程中，無線變送器仍然同多功能節(jié)點進行不間斷無線通訊。

3.3 測試程序

（1）設(shè)備現(xiàn)場安裝：安裝2個多功能節(jié)點，并外部供電（安裝地點：1號爐本體側(cè)13米層和控制室附近）；安裝無線變送器，連接測溫一次元件，并上電啟動（設(shè)定1秒的刷新速度，安裝地點：1號爐1-4號煙道，9米層；最后位置在省煤器50米層）。

（2）主干網(wǎng)絡(luò)通訊的檢查與驗證：多功能節(jié)點授權(quán)及設(shè)置；檢查無線mesh主干網(wǎng)絡(luò)的通訊（自組織）。

（3）無線變送器通訊的檢查與驗證：無線變送器授權(quán)；檢查無線變送器的通訊。

（4）無線管理平臺的功能檢查與驗證：

? 設(shè)備管理功能：無線變送器的在線遠(yuǎn)程組態(tài)；多功能節(jié)點及無線變送器的診斷信息。

? 網(wǎng)絡(luò)通訊管理功能：可視化現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（動態(tài)、自組織）；無線網(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

? 安全管理功能。

（5）數(shù)據(jù)集成：每隔1秒采集數(shù)據(jù)，歷史存儲、Excel報表輸出。

4 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)無線技術(shù)在電力行業(yè)的潛在應(yīng)用主要是敷設(shè)電纜或接線非常困難的測點、分布分散的區(qū)域、隔離和屏蔽的區(qū)域、檢修困難的區(qū)域、移動或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、電纜易損壞和折斷的場所及電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場合。實施無線技術(shù)是在現(xiàn)有有線的控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，進一步延伸測控的廣度和深度，從而達(dá)到提高工廠安全水平、設(shè)備可靠水平、運行自動化水平及工作效率的目的。

工業(yè)無線在電廠應(yīng)用主要需考慮應(yīng)用場合、技術(shù)因素、成本因素等。技術(shù)因素主要包括無線儀表的安全選型考慮；無線通訊的可靠性、安全性；無線儀表的電池供電；無線網(wǎng)絡(luò)的實時性（儀表刷新速度、網(wǎng)絡(luò)通訊滯后管理）；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及可擴展性；以及同有線DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成等。

無線變送器在盤縣電廠的測試，驗證了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜的電廠環(huán)境中，可以保證正常、可靠、安全的數(shù)據(jù)采集和通訊，同時能夠不影響現(xiàn)有設(shè)備的正常運行，且實現(xiàn)同上位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成。

[ 1 ]Cindy Bloodgood.無線技術(shù)為電力行業(yè)創(chuàng)造價值[M].

[ 2 ]江天生.霍尼韋爾公司工業(yè)無線解決方案的網(wǎng)絡(luò)特點：支持多種無線應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表[J]，自動化博覽，2010， 02(36).

[ 3 ]無線儀表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).控制工程中文網(wǎng).