智能無線技術在電廠除灰系統的應用

1 系統概況
      華能上海石洞口第一電廠除灰系統主要由倉泵出灰和灰庫等系統構成，系統控制由PLC完成。由于歷史原因，除灰控制系統原先并不屬熱控管轄范圍，系統設計理念陳舊，模擬量信號少，自動化水平較低。
2008年熱控專業對除灰控制系統進行了一次改造，控制范圍囊括了四臺爐的氣力輸灰、灰庫、灰漿系統。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據庫服務器。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。
為了提升除灰系統的自動化水平，這一輪改造后，熱控專業又著手對就地設備進行完善。但由于原除灰系統自動化水平低，運行人員長期手動操作，無法對現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展，近年來，無線技術得到了長足的發展，過程控制領域出現了諸多無線設備，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一貫關注新技術，考慮到此次改造在灰庫上敷設電纜確實比較困難，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，無線網關和上位控制系統之間有線連接，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做了第一個無線樣板工程。
3 無線通訊和系統安全性
3.1 無線頻率
      通常使用的與過程工業相關的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關通訊，設備與網關之間的通訊路徑要求完全可視，而這在現場是比較難以做到的；網狀拓撲結構中，每一臺無線設備都可以作為其他無線設備的中繼路由，設備與網關之間無需完全可視。同時自組織特性保證了網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據加密與校驗，發送設備與接受設備之間也需要身份驗證，數據的訪問也需要相應的權限才能進行。
      此外，值得一提的是，智能無線現場設備完全由電池供電，這得益于對現場設備進行的低功耗改造，使得無線裝置可以在現場連續工作數年而不用更換電池。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 廠家自身系統的連接
      智能無線網絡由無線變送器和1420無線網關構成。在完成簡單的配置和現場設備安裝后，1420網關接通24VDC電源，變送器裝上電池，整個無線網絡就可以自動上線。
4.2 無線與控制系統的連接
      1420無線網關是無線設備和現有控制系統之間的接口，從網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 無線網絡的配置
      無線網絡的配置相對比較簡單，分現場設備的配置和網關的配置兩個環節。現場設備的配置主要是Join Key、Network ID及數據刷新速率等的配置，Join Key和Network ID分別為和無線設備通訊的握手密碼和網絡標識，可以使用無線網關的默認值，數據刷新速率根據實際需要確定。這些參數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。
      網關的配置需要從筆記本電腦登陸1420網關進行，需要注意的是直接連接筆記本電腦和網關要使用隨機配備的交叉網線。網關的登陸地址為其IP地址，默認為。輸入用戶名和密碼登陸后就可以根據需要修改IP地址，一般來說，無需更改IP地址，但對于將網關集成到現有以太網網絡中的，網關IP地址就需要改到相應網段內的空余IP地址。PLC控制系統中，系統服務器的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，我們把無線網關IP地址改為192.168.0.10。



6 無線產品與控制系統的集成
      Emerson智能無線網關內嵌軟件（版本3.8.9），對網關及無線系統的設置與瀏覽通過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，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，就能正確顯示測量值。
      下面是改造后的控制及無線系統圖



7 無線產品的應用及評價
      Emerson的無線產品有常用的壓力、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。無線產品的優點是明顯的，首先是費用的節省、人工、電纜和穿線管等就地施工費用的節省，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，而且用戶有權選擇自己喜歡熟悉的產品。對于自動化行業來說，這個公司的產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絡冗余方案。建議無線網關布置在離接收設備較近，離控制系統稍遠的位置。
無線技術目前主要應用于無人值守的信號監視和電力系統的熱力實驗等。當然了，迄今為止無線技術仍未在工廠內部廣泛采用。人們擔心無線系統的可靠性、安全性以及電池的壽命，即使在傳統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品。
8 未來展望
      隨著無線設備及無線電力輸出技術的產生和發展，人們曾經擔心的這些新技術已經被廣泛使用，越來越被認可，甚至作為一種標準得到逐步加強。
      互聯網的產生和發展，也帶動了社會、家庭及自動控制對互聯網的需求和依賴，互聯網從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品中去。