智能无线技术在电厂除灰系统的应用

1 系统概况
      华能上海石洞口第一电厂除灰系统主要由仓泵出灰和灰库等系统构成，系统控制由PLC完成。由于历史原因，除灰控制系统原先并不属热控管辖范围，系统设计理念陈旧，模拟量信号少，自动化水平较低。
2008年热控专业对除灰控制系统进行了一次改造，控制范围囊括了四台炉的气力输灰、灰库、灰浆系统。上位机HMI部分改为标准的客户机/服务器结构，配置六个客户端，两个冗余服务器，一个工程师站和一个数据库服务器。运行人员在客户端进行操作，画面由服务器提供，工程师站修改程序和画面。任何修改只要在工程师站完成，运行人员只要切换画面就能对操作画面进行更新，不需要重启计算机。
为了提升除灰系统的自动化水平，这一轮改造后，热控专业又着手对就地设备进行完善。但由于原除灰系统自动化水平低，运行人员长期手动操作，无法对现场设备提出控制要求。因此我们通过对就地设备的观察，决定增加库顶风机压差信号、库底流化风机和斜槽流化风机压力信号。
2 应用工程简介
      随着科学技术的高速发展，近年来，无线技术得到了长足的发展，过程控制领域出现了诸多无线设备，如无线压力、差压变送器、温度变送器、无线定位器等。艾默生的智能无线技术就是其中的一个代表。华能上海石洞口第一电厂热控专业一贯关注新技术，考虑到此次改造在灰库上敷设电缆确实比较困难，因此决定尝试一下无线这样的新技术。由于发电厂普遍采用艾默生的罗斯蒙特变送器，我们此次还是选择了罗斯蒙特无线变送器。艾默生以合理的价格提供了无线变送器及相关设备。


  无线硬件由无线变送器和无线网关1420构成，单个无线设备之间的可视距离可以达到228米，无线网关和上位控制系统之间有线连接，通讯方式有Modbus 485、Modbus TCP/IP及OPC。上面是罗斯蒙特提供的无线技术方案示意图，整个现场设备的改造方案最初设计九台变送器，后来由于设计方案的变动只用了五台。设备到货后，整个无线设备系统的安装与调试完全由热控工程师完成，期间只是就相关技术问题咨询了艾默生相关技术人员。至此，我们在上海的电力系统做了第一个无线样板工程。
3 无线通讯和系统安全性
3.1 无线频率
      通常使用的与过程工业相关的ISM频段有三个：900MHz、868MHz以及2.4GHz。900MHz 频率最常用于美国，868MHz频段可以在欧洲大部分地区用于ISM通信，2.4GHz频段则在全球范围内适用。2.4GHz频段实际上包括了从2.4GHz到2.4835GHz区间，同时，2.4GHz频段也是Wi-Fi工作频段。智能无线技术就工作在这个频段。
3.2 无线网络可靠性与安全性
      智能无线技术的一大特点是采用了自组织网状拓扑结构，而不是常见的点对点结构。点对点拓扑结构中，每一台设备直接与网关通讯，设备与网关之间的通讯路径要求完全可视，而这在现场是比较难以做到的；网状拓扑结构中，每一台无线设备都可以作为其他无线设备的中继路由，设备与网关之间无需完全可视。同时自组织特性保证了网络中每个设备至少有两个通讯路径，一旦其中的一条通信路径由于某种原因被中断，网络会自动利用其它的路径进行通讯，从而确保了智能无线技术在复杂的工厂环境中依然可靠。
智能无线技术将2.4GHz频段分成16个更窄的频段，并采用跳频技术，如果在其中的一个频段检测到干扰，网络通讯将切换到另外一个频段。同时智能无线技术内置了数据加密与校验，发送设备与接受设备之间也需要身份验证，数据的访问也需要相应的权限才能进行。
      此外，值得一提的是，智能无线现场设备完全由电池供电，这得益于对现场设备进行的低功耗改造，使得无线装置可以在现场连续工作数年而不用更换电池。其次，其采用的电池包含多项专利，具有本安、防短路等多项特性，可以在危险环境中随意更换而无需采取特殊安全措施。
4 实施方案
4.1 厂家自身系统的连接
      智能无线网络由无线变送器和1420无线网关构成。在完成简单的配置和现场设备安装后，1420网关接通24VDC电源，变送器装上电池，整个无线网络就可以自动上线。
4.2 无线与控制系统的连接
      1420无线网关是无线设备和现有控制系统之间的接口，从网关到主机的连接可以用多种方式接入，主要有Modbus RS485，Modbus TCP/IP或OPC。而改造后的除灰控制系统使用的是罗克韦尔AB系列PLC，人机接口部分为罗克韦尔FactoryTalk View通用HMI解决方案。由于 AB 系列PLC中没有空余的485接口，因此本方案我们采用OPC的通讯方式。
5 无线网络的配置
      无线网络的配置相对比较简单，分现场设备的配置和网关的配置两个环节。现场设备的配置主要是Join Key、Network ID及数据刷新速率等的配置，Join Key和Network ID分别为和无线设备通讯的握手密码和网络标识，可以使用无线网关的默认值，数据刷新速率根据实际需要确定。这些参数的设定可以通过支持无线版本的HART 375手操器进行，也可以在随机配备的无线配置软件中进行设置。
      网关的配置需要从笔记本电脑登陆1420网关进行，需要注意的是直接连接笔记本电脑和网关要使用随机配备的交叉网线。网关的登陆地址为其IP地址，默认为https://192.168.1.10。输入用户名和密码登陆后就可以根据需要修改IP地址，一般来说，无需更改IP地址，但对于将网关集成到现有以太网网络中的，网关IP地址就需要改到相应网段内的空余IP地址。PLC控制系统中，系统服务器的IP地址分别为192.168.0.1和 192.168.0.3，客户端的地址是192.168.0.5，因此，我们把无线网关IP地址改为192.168.0.10。



6 无线产品与控制系统的集成
      Emerson智能无线网关内嵌软件（版本3.8.9），对网关及无线系统的设置与浏览通过IE浏览器进行，无需其他软件，分别在Setup—>Internet protocol中设置IP地址为192.168.0.10，在Setup—>HART中设置仪表参数，在Setup—>OPC中设置要映射上传到上位机的变量。整个过程较简洁。
在AB系列 PLC控制系统一侧，只需在HMI软件FactoryTalk View Studio中新建OPC，并选择EmersonProcess.GatewayOPCServerDA.3，在FactoryTalk View Studio中运行Tag Browser，新建Tag点与网关中新建OPC中的Tag点（如下图：192_168_0_10中Tag点）进行连接并进行HMI画面组态，就能正确显示测量值。
      下面是改造后的控制及无线系统图



7 无线产品的应用及评价
      Emerson的无线产品有常用的压力、温度、流量、液位（料位）变送器 、分析仪表和定位器等，基本涵盖了热控常用的测量信号。无线产品的优点是明显的，首先是费用的节省、人工、电缆和穿线管等就地施工费用的节省，也不需要购买模拟量卡件，施工及调试的时间也大大缩短。
用户首先要熟悉自己的控制系统，而且用户有权选择自己喜欢熟悉的产品。对于自动化行业来说，这个公司的产品能提供的某些功能，别的公司也能提供，最关键的一点是我们如何正确灵活地运用这些产品，拓宽思路，使自动化的应用水平更上一层楼。
      至于从安全的角度来看，由于现在都是小范围使用，没有超过100台，都不需要复杂多样的无线网络冗余方案。建议无线网关布置在离接收设备较近，离控制系统稍远的位置。
无线技术目前主要应用于无人值守的信号监视和电力系统的热力实验等。当然了，迄今为止无线技术仍未在工厂内部广泛采用。人们担心无线系统的可靠性、安全性以及电池的寿命，即使在传统的有线技术方案成本高昂的情况下也不愿意冒风险去应用尝试新产品。
8 未来展望
      随着无线设备及无线电力输出技术的产生和发展，人们曾经担心的这些新技术已经被广泛使用，越来越被认可，甚至作为一种标准得到逐步加强。
      互联网的产生和发展，也带动了社会、家庭及自动控制对互联网的需求和依赖，互联网从2G到3G，这种局面也随之改变。在许多领域的操作中，人们正在将目光投向无线技术，未来无线技术将被普遍应用到各种产品中去。