基于網絡技術的鍋爐檢測及控制的研究

滕紹祥

(黑龍江省計量檢定測試院)

1 鍋爐檢測及控制現狀

為了監視鍋爐的運行狀況，了解鍋爐運行中一些技術參數，記錄一些重要的數據，改善運行狀況，提高爐膛燃燒效率，需要安裝一些變送器、顯示表和記錄儀等儀表，但是在安裝時會穿越許多管道，還要安裝電纜橋架，從而造成資源的浪費，也影響了測量精度，延長了施工周期。

我國現在能源供應很緊張，很多城市拉閘限電，對于整個國民經濟的發展帶來了不利因素。一些地方用煤短缺，如何節省能源，加快電廠建設成為人們首先要解決的問題。

2 鍋爐檢測的儀器儀表技術基礎

人們剛開始使用儀表就是為了簡單測量一些工藝參數，儀器儀表只能顯示出數據，不能遠傳。而隨著科學技術的發展，儀器儀表不僅能顯示出系統中每個參數值，而且還增加了通訊口RS-232/485，并能支持工業以太網;同時又開發了能支持現場總線的適配器，并能與Profibusl協議兼容，進行數據高速傳輸;儀器儀表將來還具有網絡開放性，即網絡協議的標準化與開放化、多種網絡框架、網絡協議支持等。儀器儀表的數據存儲形式為CF卡和優盤，CF卡可擴展到1 024 M，優盤的技術使儀表存儲容量更大，體積小巧，攜帶方便。儀器儀表的開關電源原先具有穩定性差，對電壓波動的范圍大，在具有強磁(電)場環境下使用，能使開關電源性能產生很大波動的缺點。現在采用脈寬調制方式技術，使儀表的抗干擾性能大大提高。儀器儀表的顯示裝置采用液晶顯示屏，真正實現了寬溫、寬視覺感受，界面操作則更加人性化。

儀器儀表發展的主要趨勢為檢測技術智能化、信息處理數字化、控制系統集成化。儀器儀表具有進行各種復雜計算和數據處理的能力，可修正由于測量帶來的誤差，能自檢、自校。目前，我國工業自動化與儀器儀表產業的發展雖然取得了一定的進步，但與國際先進水平相比，在經濟實力、技術研發、制造工藝等方面還存在較大的差距，在經營規模、經營效益上仍體現為“扁平大金字塔”的統計分布。對此，從顯示儀表向傳感器、變送器和控制系統擴展，在智能模塊的基礎上開發帶現場總線型執行器、帶現場總線接口的智能儀表及數據采集控制卡，將成為儀器儀表的發展方向。

3 基于Internet技術嵌入的儀表網絡化

實現自動化儀表與Internet連接的想法其實很早以前就有了，主要的困難在于，Internet上的各種通信協議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而儀器儀表大多使用的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet協議將占用大量系統的資源，或根本不可能。除了采用高性能的32位處理器及相應硬件平臺外，對于現存8位和16位儀器儀表，嵌入式也提供了網絡化的解決方案。其中比較有代表性的技術是嵌入式微型互聯網技術EMIT。

EMIT采用桌面計算機或高性能的嵌入式處理器作為網關，網絡協議的實現主要放在該網關上。網關通過RS-232，RS-485、CAN、紅外、射頻等輕量級總線與多個嵌入式設備聯系起來，每個嵌入式設備將自身的工作參數反饋到網關中;同時網關可以發送命令，修改設備中的變量，或進行某種控制。這樣，僅通過增加一個網關，就解決了嵌入式設備上Internet的問題;網關可以同時管理多個嵌入式設備，從而提高嵌入式網絡的結構化、智能化、瀏覽信息資源的歸一化，并具有迄今為止與其他解決方案無可比擬的性能價格比優勢。

通過嵌入式Internet接入技術，新型的儀器儀表與計算機一樣，成為網絡中的獨立節點，可實現基于Internet的遠程數據采集、遠程控制、自動報警、上傳/下載數據文件等功能;用戶通過瀏覽或符合規范的應用程序也可以瀏覽到所需要的信息。

4 無線局域網技術的發展

在這個“網絡就是計算機”的時代，伴隨著有線網絡的廣泛應用，以快捷高效，組網靈活為優勢的無線網絡技術也在飛速發展。無線局域網是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。從專業角度講，無線局域網利用了無線多址信道的一種有效方法來支持計算機之間的通信，并為通信的移動化、個性化和多媒體應用提供了可能。通俗地說，無線局域網(Wireless local-area network，WLAN)就是在不采用傳統纜線的同時，提供以太網或者令牌網絡的功能。通常計算機組網的傳輸媒介主要依賴銅纜或光纜，構成有線局域網。但有線網絡在某些場合要受到布線的限制:布線、改線工程量大;線路容易損壞;網中的各節點不可移動。特別是當要把相離較遠的節點連接起來時，敷設專用通信線路的布線施工難度大、費用高、耗時長，對正在迅速擴大的聯網需求形成了嚴重的瓶頸阻塞。無線局域網就是解決有線網絡以上問題而出現的。

無線局域網的技術特點。

無線局域網利用電磁波在空氣中發送和接受數據，而無需線纜介質。無線局域網的數據傳輸速率現在已經能夠達到11 Mbps，傳輸距離可遠至20 km以上。它是對有線聯網方式的一種補充和擴展，使網上的計算機具有可移動性，能快速方便地解決使用有線方式不易實現的網絡聯通問題。

與有線網絡相比，無線局域網具有安裝便捷、使用靈活、經濟節約、易于擴展等優點。

IEEE802.11是IEEE802標準委員會在1997年通過的第一個無線局域網的國際標準。1999年9月，該委員會又頒布了IEEE802.11b標準，包含了ISO/OSI模型的物理層和媒體訪問控制層(MAC)。該標準工作在2.4GHz頻段。傳輸速率可達11Mbps。IEEE802.11b標準將節點設備分為基站和客戶站，各客戶站相互間可直接通信，基站與一組客戶站的連接稱為基本服務集BSS(Basic Service Set)，也可兩個或多個BSS構成擴展服務集。IEEE802.11b標準規定了物理層的三種實現方法，即跳頻擴頻 FHSS、直接序列擴頻DSSS和紅外技術IR。

在MAC層采用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問-碰撞避免)技術進行通信介質訪問。為了盡量減少沖突，IEEE802.11b設計了獨特的MAC子層。在下面的一層叫做分布協調功能DCF子層，該子層使各個節點采用競爭的方式使用信道，向上提供爭用服務。這種信道接入方式可能會導致沖突的發生，但是對信道的利用率較高。上面的一層叫做點協調功能PCF子層，該子層使用集中控制的接入算法，從而避免了沖突的發生。但是基站需要周期性的輪詢所有客戶站，要占用大量的時間，因此用于中、小型網絡。

5 在鍋爐檢測及控制中應用無線局域網的研究

工業控制系統的網絡化為無線技術在工業控制系統中的應用提供了基礎和可能。近幾年很多研究人員也展開了這方面的研究工作。中國科學院沈陽自動化所的曾鵬等人以FF(現場總線基金會)頒布的FF HSE(高速以太網)為藍本，結合無線以太網標準IEEE802.11b，構造了現場級無線通信協議棧。該協議棧保持了基金會現場總線的通信模型，能夠完成無線設備間的時間同步和實時通信。韓國斧山國立大學的Kyung Chang Lee等人設計了協議轉換模型，實現了Profibus-DP網絡和 IEEE802.11無線局域網的連接。Mario Alves等人對基于廣播方式的現場總線/無線網絡的混合網絡報文傳送延遲時間進行了估算。C.Koulamas等人研究了Profibus現場總線與基于IEEE802.11b的DSSS物理層結合的性能。除了在理論上的研究工作外，在一些工業控制網絡中，無線通信技術已獲得了應用。如美國羅克威爾公司在基于DeviceNet、Control-net Ethernet/IP的三層控制網絡體系中，加入了無線以太網部分，可以實現無線通訊。德國西門子公司在基于Profibus-DP，Profinet的控制網絡中結合無線以太網技術，使控制網絡具有了無線通信功能。目前，在我國由于變送器采用兩線制，儀器儀表很容易通過電源線受到外界干擾，不能實現從一次表到二次表無線數據傳輸及控制。隨著科學技術的發展，變送器將實現無源，這樣就能減少外界干擾，實現從一次表到二次表的無線數據傳輸及控制。從目前情況看，我國只能從顯示表到管理網實現無線通訊，而且還可以通過手機來查詢系統參數。例如能源計量網采用網絡儀表，實現了從顯示表到管理網的無線通訊。領導可以通過手機來查詢生產情況，為生產調度提供依據。由于無線網絡無可比擬的優越性，它可以免去大量的線路連接，節省系統的構建費用和維護成本，還可以滿足一些特殊場合的需要，大大增強了系統構成的靈活性，加之無線通信技術自身的不斷改進，因此，無線通信技術在工業控制領域中具有廣闊的發展空間和應用前景。

總之以信息化帶動工業化是保持國民經濟持續快速增長的有力保證，也是改造傳統工業體系結構的重要手段。網絡技術作為信息技術的代表，與其工業控制系統的結合將極大地提高控制系統的水平，改變現有工業控制系統相對封閉的企業信息管理結構，適應現代企業綜合自動化管理的要求。將現場總線、以太網、多種工業控制網絡互聯、嵌入式技術和無線通信技術融合到工業控制網絡中，在保證控制系統原有的穩定性、實時性等要求的同時，又增加了系統的開放性和互操作性，提高了系統對不同環境的適應性。

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