智能無(wú)線技術(shù)在電廠除灰系統(tǒng)的應(yīng)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(cāng)泵出灰和灰?guī)斓认到y(tǒng)構(gòu)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(shè)計(jì)理念陳舊，模擬量信號(hào)少，自動(dòng)化水平較低。
2008年熱控專(zhuān)業(yè)對(duì)除灰控制系統(tǒng)進(jìn)行了一次改造，控制范圍囊括了四臺(tái)爐的氣力輸灰、灰?guī)臁⒒覞{系統(tǒng)。上位機(jī)HMI部分改為標(biāo)準(zhǔn)的客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，配置六個(gè)客戶(hù)端，兩個(gè)冗余服務(wù)器，一個(gè)工程師站和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。運(yùn)行人員在客戶(hù)端進(jìn)行操作，畫(huà)面由服務(wù)器提供，工程師站修改程序和畫(huà)面。任何修改只要在工程師站完成，運(yùn)行人員只要切換畫(huà)面就能對(duì)操作畫(huà)面進(jìn)行更新，不需要重啟計(jì)算機(jī)。
為了提升除灰系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，這一輪改造后，熱控專(zhuān)業(yè)又著手對(duì)就地設(shè)備進(jìn)行完善。但由于原除灰系統(tǒng)自動(dòng)化水平低，運(yùn)行人員長(zhǎng)期手動(dòng)操作，無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提出控制要求。因此我們通過(guò)對(duì)就地設(shè)備的觀察，決定增加庫(kù)頂風(fēng)機(jī)壓差信號(hào)、庫(kù)底流化風(fēng)機(jī)和斜槽流化風(fēng)機(jī)壓力信號(hào)。
2 應(yīng)用工程簡(jiǎn)介
隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，過(guò)程控制領(lǐng)域出現(xiàn)了諸多無(wú)線設(shè)備，如無(wú)線壓力、差壓變送器、溫度變送器、無(wú)線定位器等。艾默生的智能無(wú)線技術(shù)就是其中的一個(gè)代表。華能上海石洞口第一電廠熱控專(zhuān)業(yè)一貫關(guān)注新技術(shù)，考慮到此次改造在灰?guī)焐戏笤O(shè)電纜確實(shí)比較困難，因此決定嘗試一下無(wú)線這樣的新技術(shù)。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?zé)o線變送器。艾默生以合理的價(jià)格提供了無(wú)線變送器及相關(guān)設(shè)備。
無(wú)線硬件由無(wú)線變送器和無(wú)線網(wǎng)關(guān)1420構(gòu)成，單個(gè)無(wú)線設(shè)備之間的可視距離可以達(dá)到228米，無(wú)線網(wǎng)關(guān)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(wú)線技術(shù)方案示意圖，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的改造方案最初設(shè)計(jì)九臺(tái)變送器，后來(lái)由于設(shè)計(jì)方案的變動(dòng)只用了五臺(tái)。設(shè)備到貨后，整個(gè)無(wú)線設(shè)備系統(tǒng)的安裝與調(diào)試完全由熱控工程師完成，期間只是就相關(guān)技術(shù)問(wèn)題咨詢(xún)了艾默生相關(guān)技術(shù)人員。至此，我們?cè)谏虾５碾娏ο到y(tǒng)做了第一個(gè)無(wú)線樣板工程。
3 無(wú)線通訊和系統(tǒng)安全性
3.1 無(wú)線頻率
通常使用的與過(guò)程工業(yè)相關(guān)的ISM頻段有三個(gè)：900MHz、868MHz以及2.4GHz。900MHz 頻率最常用于美國(guó)，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(nèi)適用。2.4GHz頻段實(shí)際上包括了從2.4GHz到2.4835GHz區(qū)間，同時(shí)，2.4GHz頻段也是Wi-Fi工作頻段。智能無(wú)線技術(shù)就工作在這個(gè)頻段。
3.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠性與安全性
智能無(wú)線技術(shù)的一大特點(diǎn)是采用了自組織網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不是常見(jiàn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一臺(tái)設(shè)備直接與網(wǎng)關(guān)通訊，設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的通訊路徑要求完全可視，而這在現(xiàn)場(chǎng)是比較難以做到的；網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一臺(tái)無(wú)線設(shè)備都可以作為其他無(wú)線設(shè)備的中繼路由，設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間無(wú)需完全可視。同時(shí)自組織特性保證了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備至少有兩個(gè)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(luò)會(huì)自動(dòng)利用其它的路徑進(jìn)行通訊，從而確保了智能無(wú)線技術(shù)在復(fù)雜的工廠環(huán)境中依然可靠。
智能無(wú)線技術(shù)將2.4GHz頻段分成16個(gè)更窄的頻段，并采用跳頻技術(shù)，如果在其中的一個(gè)頻段檢測(cè)到干擾，網(wǎng)絡(luò)通訊將切換到另外一個(gè)頻段。同時(shí)智能無(wú)線技術(shù)內(nèi)置了數(shù)據(jù)加密與校驗(yàn)，發(fā)送設(shè)備與接受設(shè)備之間也需要身份驗(yàn)證，數(shù)據(jù)的訪問(wèn)也需要相應(yīng)的權(quán)限才能進(jìn)行。
此外，值得一提的是，智能無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完全由電池供電，這得益于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行的低功耗改造，使得無(wú)線裝置可以在現(xiàn)場(chǎng)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(xiàng)專(zhuān)利，具有本安、防短路等多項(xiàng)特性，可以在危險(xiǎn)環(huán)境中隨意更換而無(wú)需采取特殊安全措施。
4 實(shí)施方案
4.1 廠家自身系統(tǒng)的連接
智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線變送器和1420無(wú)線網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。在完成簡(jiǎn)單的配置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝后，1420網(wǎng)關(guān)接通24VDC電源，變送器裝上電池，整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)就可以自動(dòng)上線。
4.2 無(wú)線與控制系統(tǒng)的連接
1420無(wú)線網(wǎng)關(guān)是無(wú)線設(shè)備和現(xiàn)有控制系統(tǒng)之間的接口，從網(wǎng)關(guān)到主機(jī)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(jī)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(méi)有空余的485接口，因此本方案我們采用OPC的通訊方式。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的配置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的配置和網(wǎng)關(guān)的配置兩個(gè)環(huán)節(jié)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(wú)線設(shè)備通訊的握手密碼和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，可以使用無(wú)線網(wǎng)關(guān)的默認(rèn)值，數(shù)據(jù)刷新速率根據(jù)實(shí)際需要確定。這些參數(shù)的設(shè)定可以通過(guò)支持無(wú)線版本的HART 375手操器進(jìn)行，也可以在隨機(jī)配備的無(wú)線配置軟件中進(jìn)行設(shè)置。
網(wǎng)關(guān)的配置需要從筆記本電腦登陸1420網(wǎng)關(guān)進(jìn)行，需要注意的是直接連接筆記本電腦和網(wǎng)關(guān)要使用隨機(jī)配備的交叉網(wǎng)線。網(wǎng)關(guān)的登陸地址為其IP地址，默認(rèn)為https://192.168.1.10。輸入用戶(hù)名和密碼登陸后就可以根據(jù)需要修改IP地址，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)需更改IP地址，但對(duì)于將網(wǎng)關(guān)集成到現(xiàn)有以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的，網(wǎng)關(guān)IP地址就需要改到相應(yīng)網(wǎng)段內(nèi)的空余IP地址。PLC控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)服務(wù)器的IP地址分別為192.168.0.1和 192.168.0.3，客戶(hù)端的地址是192.168.0.5，因此，我們把無(wú)線網(wǎng)關(guān)IP地址改為192.168.0.10。
6 無(wú)線產(chǎn)品與控制系統(tǒng)的集成
Emerson智能無(wú)線網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌軟件（版本3.8.9），對(duì)網(wǎng)關(guān)及無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)置與瀏覽通過(guò)IE瀏覽器進(jìn)行，無(wú)需其他軟件，分別在Setup—>Internet protocol中設(shè)置IP地址為192.168.0.10，在Setup—>HART中設(shè)置儀表參數(shù)，在Setup—>OPC中設(shè)置要映射上傳到上位機(jī)的變量。整個(gè)過(guò)程較簡(jiǎn)潔。
在AB系列 PLC控制系統(tǒng)一側(cè)，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(yùn)行Tag Browser，新建Tag點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)中新建OPC中的Tag點(diǎn)進(jìn)行連接并進(jìn)行HMI畫(huà)面組態(tài)，就能正確顯示測(cè)量值。
7 無(wú)線產(chǎn)品的應(yīng)用及評(píng)價(jià)
Emerson的無(wú)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(cè)量信號(hào)。無(wú)線產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，首先是費(fèi)用的節(jié)省、人工、電纜和穿線管等就地施工費(fèi)用的節(jié)省，也不需要購(gòu)買(mǎi)模擬量卡件，施工及調(diào)試的時(shí)間也大大縮短。
用戶(hù)首先要熟悉自己的控制系統(tǒng)，而且用戶(hù)有權(quán)選擇自己喜歡熟悉的產(chǎn)品。對(duì)于自動(dòng)化行業(yè)來(lái)說(shuō)，這個(gè)公司的產(chǎn)品能提供的某些功能，別的公司也能提供，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是我們?nèi)绾握_靈活地運(yùn)用這些產(chǎn)品，拓寬思路，使自動(dòng)化的應(yīng)用水平更上一層樓。
至于從安全的角度來(lái)看，由于現(xiàn)在都是小范圍使用，沒(méi)有超過(guò)100臺(tái)，都不需要復(fù)雜多樣的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)冗余方案。建議無(wú)線網(wǎng)關(guān)布置在離接收設(shè)備較近，離控制系統(tǒng)稍遠(yuǎn)的位置。
無(wú)線技術(shù)目前主要應(yīng)用于無(wú)人值守的信號(hào)監(jiān)視和電力系統(tǒng)的熱力實(shí)驗(yàn)等。當(dāng)然了，迄今為止無(wú)線技術(shù)仍未在工廠內(nèi)部廣泛采用。人們擔(dān)心無(wú)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(shù)方案成本高昂的情況下也不愿意冒風(fēng)險(xiǎn)去應(yīng)用嘗試新產(chǎn)品。
8 未來(lái)展望
隨著無(wú)線設(shè)備及無(wú)線電力輸出技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，人們?cè)?jīng)擔(dān)心的這些新技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用，越來(lái)越被認(rèn)可，甚至作為一種標(biāo)準(zhǔn)得到逐步加強(qiáng)。
互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展，也帶動(dòng)了社會(huì)、家庭及自動(dòng)控制對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的需求和依賴(lài)，互聯(lián)網(wǎng)從2G到3G，這種局面也隨之改變。在許多領(lǐng)域的操作中，人們正在將目光投向無(wú)線技術(shù)，未來(lái)無(wú)線技術(shù)將被普遍應(yīng)用到各種產(chǎn)品中去。
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