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    摘要：把工業無線技術應用于電廠DCS控制和監測領域某些合適的場合，可幫助電廠減少安裝成本、節省調試時間、降低后期維護費用。本文針對工業無線技術在電廠控制系統中的應用場合及帶來的價值和優勢，加以探討，并詳細闡述了應用工業無線技術的技術因素方面的考慮，并對目前無線技術應用于工業控制的2個國際標準——ISA100和WirelessHART進行了比較。文章最后詳細闡述了貴州電力試驗研究院在貴州盤縣電廠實地測試霍尼韋爾公司OneWireless無線變送器網絡的可靠性和安全性的過程。并簡單介紹了霍尼韋爾公司無線架構的特點，包括無線網絡架構，及一個無線平臺支持多種無線應用和多種通訊協議現場儀表的特點等。

    關鍵詞：電廠；無線；多功能無線網絡；ISA100；Wireless HART；霍尼韋爾無線；OneWireless

    把工業無線技術應用于電廠的過程監測和控制，可以在沒有電纜束縛的情況下，采集更多偏遠分散區域的測點、敷設電纜和接線比較困難的測點、電纜容易損壞和燙傷的測點、旋轉和移動的測點、信號傳輸危險和受干擾的測點，及在電纜橋架和卡件已經用滿的改造項目中、安裝工期要求迅速的項目中及現場沒有電源供應的場合。分散的測點如化水系統的測點、循環水系統的監測、水源地的監測等。電纜容易損壞的測點如電廠高溫高壓管道的測點、發電機和主/副變壓器等區域的測點等。無線方案也支持在移動工作站和無線視頻監視，可用于電廠的現場調試和安全應用。

    工業無線解決方案，不同于傳統的點對點的無線通訊技術，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，確保了無線通訊工業等級的可靠和安全以及快速配置通訊時間滯后管理機制，并解決了長時間現場儀表（變送器）電池供電的問題。無線傳輸為數字傳輸，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果也有力地證實了mesh、跳頻的工業無線技術通訊的可靠性。

    1 電廠無線應用的場合

    無線技術突破接線和電纜的束縛，實現更靈活和更方便的過程參數采集，并同現有有線的DCS控制系統無縫式數據集成，從而進一步延伸測控的廣度和深度，達到提高工廠安全水平、設備可靠水平、自動化水平及工作效率的目的。

    無線方案在電廠最適用的場合主要是敷設電纜或接線非常困難的測點、分布非常分散的區域、隔離和屏蔽的區域、檢修困難的區域、移動或旋轉的設備、電纜易損壞和燙傷的測點、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；旋轉和移動的測點；移動的工作站；無線視頻監視；設備健康狀態檢測；安裝工期要求迅速的項目中；現場沒有電源供應的場合等。

    無線方案還可應用于遠距離、大范圍區域，如在風力發電廠。采用由電池供電的無線變送器，可實現對各風機處的風速、千瓦/兆瓦電力生產數據及電機振動等狀態參數的實時監測。同時，對于遠距離集中測點的無線應用，無線網絡提供了簡單而可靠的解決方案，實現了每個無線測量點的最低成本。同有線方案相比，可節省大量安裝成本和維護費用。

    2 電廠無線應用的技術考慮

    決定應用無線技術方案需要考慮到未來無線應用的可擴展性、延續性和互操作性（一個平臺支持多種無線應用、多通訊協議的現場儀表、開放式標準）等。這些因素中的技術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；無線網絡的實時性（儀表的刷新速度、網絡的通訊時間滯后）；無線通訊的頻段考慮；網絡規模；同有線DCS控制系統的數據集成等。

    2.1 多功能無線網絡 vs單一功能無線網絡

    當前存在于電廠過程控制系統的有線通信協議標準有很多，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet等。每個協議都基于各自的專用架構（最典型的就是銅導線），因此多個協議可以輕松地共存而不會相互影響。
但不同于有線應用的每個協議都有自己的架構或傳導介質，無線版本的協議需要共享一種公共介質——空氣，這些協議必須在這種公共介質中共存，且會因同處于一個物理空間而相互干擾。

    因此，電廠無線應用的最優方式是構建一個單一架構，同時支持多種通訊協議的現場儀表和多種應用。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絡，可實現一個平臺支持全廠的多種應用。如：過程參數的監控、安全視頻監視、支持流動作業、移動設備即時定位、管道腐蝕監測、設備狀態如振動、診斷等；一個平臺支持多種通訊協議的現場儀表：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絡平臺，不必為管理不同的單一功能無線網絡而煩惱。

    2.2 ISA 100 vsWireless HART

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

    2.2.1 以WirelessHART為代表的儀表mesh無線網絡

    該解決方案的主要特征是現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，還可同時為其它儀表的通訊進行路由。通常配置一個網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。由于整個無線網絡自組織、自愈合，所以實施較為簡單。

    但這種技術路徑的缺點也很明顯。由于整個無線網絡的通訊是通過變送器路由實現，所以其通訊速度受到了相應的限制，如變送器的刷新速度不可能做到很快，雖然最快可以達到4秒，但推薦設定的刷新速度卻為1分鐘；整個網絡的通訊時間滯后可能很明顯，設定的刷新速度越慢，網絡的通訊時間滯后也越長。

    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，導致電池壽命不會很長，30秒刷新的時候可能5年，但是快速刷新時，如4秒，那么電池的壽命就會很短。而且正是由于設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，這樣就使得電池壽命很難預測。同時，鋰電池本身屬于高蓄能設備，故在電廠的應用需要隔爆的變送器選型。

    為節省電池能量，無線儀表的無線發射功率需要有所限制，即2個無線儀表間的通訊距離很短（如果申請的是2.4GHz微功率設備，那么不同的國家關于其發射功率的限定都不同，如中國無線電管理委員會關于微功率無線設備的發射功率限制設定為必需小于10毫瓦，設備間的通訊距離在100米左右）；

    考慮到網絡通訊時間滯后和通訊速度的因素，整個無線mesh網絡的通訊路由次數必需有所限制，即最遠的儀表到網關的路由次數不能大于該限次，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絡的規模，如無線儀表1秒刷新時一個網關所帶的設備可能非常有限。

    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議的現場儀表和其它無線應用，也是其局限性。

    2.2.2 以ISA100為代表的節點mesh無線網絡

    該方案主要特征是由節點構建一個通訊速度非常快速的無線mesh主干網絡，且這個無線主干網絡自組織、自愈合，同時支持多種無線應用和多種通訊協議的現場儀表。現場無線儀表可自動選擇同任意節點進行無線通訊，自組織、自愈合。但現場儀表不配置路由功能。通常任何一個節點都可以或同時作為網關，實現同DCS的數據集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通訊，采用2.4GHz公用頻段。

    這種方案的優點是無線變送器的刷新速度可以達到很快，典型的是1秒或0.25秒，且由于無線變送器只需1個“hop”就可把數據傳輸到一個通訊速度非常快的無線主干網上，所以整個網絡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，也可預測。

    電池壽命長使得無線儀表的無線發射功率相對靈活，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于2.4GHz 擴頻通信設備的發射功率限制設定為不能超過500毫瓦，設備之間的通訊距離可以達到數十公里）。
這種方案基于整個架構的優勢，網絡規模非常靈活，一個網絡支持的無線儀表的數量可達到上千臺。同時，這個多功能的解決方案實現了一個無線架構支持多種協議的現場儀表和多種工廠的無線應用。

    3 工業無線網絡的可靠性現場測試：貴州盤縣電廠

    3.1 測試目的

    為驗證無線變送器在現場的抗干擾能力，確保可靠穩定的工業等級的數據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公司的無線產品（2臺多功能節點、2臺無線溫度變送器和1臺無線模擬量輸入變送器，設備清單如表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號爐煙道溫度數據，并通過多功能節點構建的無線mesh主干網絡，同上位工作站進行數據集成（如歷史數據存儲、實時數據顯示、Excel報表輸出等）。

    表1 設備清單

                

    3.2測試結論

    無線變送器在電廠測試現場的工作狀況正常，通訊可靠穩定，數據通過標準通訊方式集成至工作站，評估項目如表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；由于只帶了3支熱電偶，故溫度變送器的其它通道沒有接入溫度測點，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，沒有接入測點。

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

                            

                                              圖?

    Mesh主干網絡：2個多功能節點直接無線通訊，構建快速通訊mesh無線主干網絡，通訊狀態良好。如圖2所示。

                     

                                     圖2無線主干網絡通訊

    3臺無線變送器同多功能節點#200通訊狀態良好（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點#213直接通訊（信號強度在-70dbm左右），實現多路徑冗余跳頻通訊。

    數據采集時，工作站有線連接在多功能節點#213上，輸出實時PV值及歷史數據，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點#213和多功能節點#200無線通訊，實現數據集成和實時狀態監測。

    測試結束時，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點進行不間斷無線通訊。

    3.3測試程序

    （1）設備現場安裝：安裝2個多功能節點，并外部供電（安裝地點：1號爐本體側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）主干網絡通訊的檢查與驗證：多功能節點授權及設置；檢查無線mesh主干網絡的通訊（自組織）。
    （3）無線變送器通訊的檢查與驗證：無線變送器授權；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：
    ·設備管理功能：無線變送器的在線遠程組態；多功能節點及無線變送器的診斷信息。
    ·網絡通訊管理功能：可視化現場無線網絡的通訊拓撲結構（動態、自組織）；無線網絡的通訊狀態及設備狀態監控。
    ·安全管理功能。
    （5）數據集成：每隔1秒采集數據，歷史存儲、Excel報表輸出。

    4 結語

    綜上所述，工業無線技術在電力行業的潛在應用主要是敷設電纜或接線非常困難的測點、分布分散的區域、隔離和屏蔽的區域、檢修困難的區域、移動或旋轉的設備、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。實施無線技術是在現有有線的控制網絡的基礎上，進一步延伸測控的廣度和深度，從而達到提高工廠安全水平、設備可靠水平、運行自動化水平及工作效率的目的。

    工業無線在電廠應用主要需考慮應用場合、技術因素、成本因素等。技術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；無線網絡的實時性（儀表刷新速度、網絡通訊滯后管理）；網絡規模及可擴展性；以及同有線DCS控制系統的數據集成等。

    無線變送器在盤縣電廠的測試，驗證了工業無線網絡在復雜的電廠環境中，可以保證正常、可靠、安全的數據采集和通訊，同時能夠不影響現有設備的正常運行，且實現同上位系統的數據集成。

    參考文獻：
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    [3] 無線儀表的拓撲結構.控制工程中文網.