無(wú)線(xiàn)技術(shù)突破接線(xiàn)和電纜的束縛，可實(shí)現更加靈活方便的過(guò)程參數采集，與現有有線(xiàn)的分布 式 控 制 系 統 ( DCS) 、可 編 程 序 控 制 器( PLC) 等控制系統進(jìn)行無(wú)縫式數據集成，從而進(jìn)一步延伸測控的廣度和深度。無(wú)線(xiàn)技術(shù)在電廠(chǎng)適用的場(chǎng)合有: 敷設電纜或接線(xiàn)困難的測點(diǎn)，分布非常分散的區域，隔離和屏蔽的區域，檢修難的區域，移動(dòng)或旋轉的設備，電纜易損壞和折斷的場(chǎng)所; 電纜橋架、卡件、機柜等備用件用完的場(chǎng)合; 安裝工期要求迅速的項目; 現場(chǎng)沒(méi)有電源供應的場(chǎng)合等。
1 儀表無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案
目前，儀表無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方案主要有兩種: 一種以 WirelessHAＲT 為代表的儀表 mesh 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，一種以 ISA100 為代表的節點(diǎn) mesh 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這兩種解決方案都是為達到工業(yè)級別的無(wú)線(xiàn)應用而集成了 mesh 多路徑的通信技術(shù)、跳幀擴頻通信技術(shù)及基于精que時(shí)間同步的通信，以及基于數據碰撞的通信技術(shù)。
1． 1 以 WirelessHAＲT 為代表的儀表 mesh
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )
該方案的現場(chǎng)儀表配置路由功能，即每臺無(wú)線(xiàn)儀表不僅測量自己的過(guò)程參數，還可同時(shí)作為其他儀表的通信路由。通常配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現與 DCS 的數據集成。無(wú)線(xiàn)變送器由電池供電，跳頻擴頻通信，采用 2． 4 GHz 公用頻段。整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合，實(shí)施較簡(jiǎn)單。
1． 2 以 ISA100 為 代 表 的 節 點(diǎn) mesh 無(wú) 線(xiàn)
網(wǎng)絡(luò )
該方案由節點(diǎn)構建通信速度非�？焖俚臒o(wú)線(xiàn) mesh 主干網(wǎng)絡(luò )，該無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合，同時(shí)支持多種無(wú)線(xiàn)應用和多種通信協(xié)議的現場(chǎng)儀表�，F場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表可自動(dòng)選擇與任意節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，自組織，自愈合。但現場(chǎng)儀表不配置路由功能。通常，任何一個(gè)節點(diǎn)都可以或同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)實(shí)現與 DCS 數據集成。無(wú)線(xiàn)變送器由電池供電，跳頻擴頻通信，采用2． 4 GHz 公用頻段。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)變送器的刷新速度很快，為 1 s 或 0． 25 s。由于無(wú)線(xiàn)變送器只需 1 個(gè) “hop”就可把數據傳輸到一個(gè)通信速度非�？斓臒o(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)上，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通信時(shí)間滯后也很短。
1． 3 WirelessHAＲT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構架的特點(diǎn)
WirelessHAＲT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構架以 Emerson 公司的現場(chǎng)智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) ( WFN) 為代表。
Emerson 現場(chǎng)智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) ( WFN) 架構分為兩層: 地衣層是由現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備組成的自組織網(wǎng)絡(luò ) ( self organizing network ) ，這些設備以自我組織、智能化的方式與網(wǎng)關(guān) ( Gateway)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信; 第二層是網(wǎng)關(guān)和主機系統的無(wú)縫集成，主機系統可以是 DCS、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器、人機界面 ( HMI) 或類(lèi)似于設備管理和維護 的 工 作 站 等。 Emerson 智 能 無(wú) 線(xiàn) 網(wǎng) 絡(luò )( WFN) 實(shí)現了主機系統和現場(chǎng)儀表間的信息傳輸和交互。
1． 3． 1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )地衣層———自組織網(wǎng)絡(luò )
(1) 安全可靠。
由 Emerson 現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備組成的通信網(wǎng)絡(luò )，采用全網(wǎng)格拓撲結構 ( mesh topology) ， 集成工業(yè)級的安全措施，通過(guò)高度可靠的冗余路徑進(jìn)行通信。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以自我組織、自我適應、自我愈合，可靠性超過(guò) 99． 99% 。即使通信路徑受到干擾，無(wú)線(xiàn)設備也能夠自動(dòng)重新選擇其他#優(yōu)冗余路徑進(jìn)行通信。SmartWireless現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備包括測量溫度、壓力、無(wú)線(xiàn)控制等過(guò)程參數的無(wú)線(xiàn)儀表、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)等�，F場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備均配備無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置，設備和微波發(fā)射部件無(wú)縫集成于一體。所有現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備都配備一體化全向天線(xiàn)，根據現場(chǎng)情況，天線(xiàn)方向可以調整到合適位置�，F場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表設備、無(wú)線(xiàn)發(fā)射天線(xiàn)和供電電池符合本質(zhì)安全規范: 適應 Class 1、Division1 危險環(huán)境應用; 符合 NEMA 4X / IP66 要求，可安裝在戶(hù)內或戶(hù)外。智能無(wú)線(xiàn)儀表由工業(yè)級本安認證的鋰電池供電。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構架如圖 1 所示。
現場(chǎng)設備之間通信安全可靠，數據包采用AES － 128 位的行業(yè)標準加密技術(shù)。設備加入某一個(gè)網(wǎng)絡(luò )需要通過(guò)端對端的通信認證，以及全面的密碼確認。安全性管理、設備認證等功能內嵌于智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)中，無(wú)須專(zhuān)用上位機軟件就可以對現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備的通信路徑進(jìn)行管理，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)愈合、自適應管理，避免了由于上位機的故障而導致現場(chǎng)設備的掉線(xiàn)和無(wú)法切換路徑等問(wèn)題。為了保障更高的安全性，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )支持密鑰自動(dòng)輪換管理功能。
(2) 符合無(wú)線(xiàn)國際標準和中國國標。
Emerson 現場(chǎng)設備的無(wú)線(xiàn)技術(shù)符合當前流程行業(yè)中非常好的無(wú)線(xiàn)通信國際標準: WirelessHAＲT ( IEC 62591) ，物理層采用 2． 4 GHz的世 界 公 用 頻 段 ( ISM，2 400 ～ 2 482． 4MHz) ，采用直接序列擴頻技術(shù) ( DSSS) 和跳頻技術(shù) ( FHSS) ，無(wú)須重新組態(tài)或人工介入，設備可以自動(dòng)跳頻。無(wú)線(xiàn)通信的鏈路層 ( LinkLayer) 符合 IEEE 802． 15． 4 工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信標準。2014 年 5 月，WirelessHart 被批準為tuijian性中國guojia標準 GB /T 29910—2013，為當前流程行業(yè)中非常好符合國際標準和中國guojia標準的無(wú)線(xiàn)通信標準。
同時(shí)，Emerson 無(wú)線(xiàn)儀表系統及相關(guān)設備符合中華人民共和國無(wú)線(xiàn)電管理規定和技術(shù)標準，擁有無(wú)線(xiàn)電發(fā)射設備型號核準證，即符合工信部無(wú) 〔2005〕423 號文件 《微功率 ( 短距離) 無(wú)線(xiàn)電設備的技術(shù)要求》的規定。
(3) 無(wú)線(xiàn) HAＲT 儀表易于使用。
Emerson 智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的結構保證了數據通信的高可靠性和現場(chǎng)快速安裝及使用�，F場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備同有線(xiàn) HAＲT 智能設備的安裝方式相同，無(wú)須對現場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行額外培訓。智能無(wú)線(xiàn)設備為 HAＲT 設備 ( 見(jiàn)圖 2) ，可以通過(guò)標準的 HAＲT 手操器完成無(wú)線(xiàn)儀表初始設置網(wǎng)絡(luò )標識 ( Network ID) 和握手密碼 ( Join Key)的 安 全 設 置，確 保 網(wǎng) 絡(luò ) 安 全�；� 于 標 準 的HAＲT 協(xié)議，無(wú)線(xiàn)儀表提供包括 PV、SV、TV、QV 四個(gè)過(guò)程參數及參數狀態(tài)信息，并可實(shí)時(shí)監測供電電池電量參數。選擇 LCD 表頭，可以實(shí)時(shí)觀(guān)察無(wú)線(xiàn)設備在線(xiàn)狀態(tài)及過(guò)程參數。
1． 3． 2 與主機系統通信的第二層無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )
(1) 通用標準接口可以與主流控制系統無(wú)縫連接。
現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)集成到主機系統 ( 如 DCS、PLC、HMI 工作站) 中。采用遠程天線(xiàn)至室外的方法，網(wǎng)關(guān)可安裝在戶(hù)外，也可以安裝在室內�？商峁┒喾N通信接口與不同主機系統連接，多種標準接口見(jiàn)圖 3。通信接口支持以太網(wǎng)通信標準 ( Ethernet10baseT) ，以實(shí)現與主機系統的 OPC、ModbusTCP 通 信�？蛇x支持光纜 連接的通信接口( Fiber Optic communication port) ，以實(shí)現更遠距離的通信連接。
網(wǎng)關(guān)預置了 Modbus ＲTU 兩線(xiàn)制 ＲS485 串口通信口，支持多點(diǎn)連接 ( multidrop connections) ，傳 輸 速 率 為 9 600 ～ 57 600 bit / s，ＲS485 通信電纜#遠距離不超過(guò) 1 500 m。
(2) 方便有效的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計和管理平臺。
現場(chǎng)可以同時(shí)安裝多個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，分別由各自的網(wǎng)關(guān)管理。每個(gè)網(wǎng)關(guān)管理的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接#多 99 臺設備，網(wǎng)關(guān)支持冗余配置。網(wǎng)絡(luò )管理平臺如圖 4 所示。
Emerson 無(wú)線(xiàn)儀表系統的實(shí)現不需要廠(chǎng)商專(zhuān)用的軟件工具，采用標準的 IE 瀏覽器即可對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現設備組態(tài)、網(wǎng)絡(luò )配置、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信診斷、多變量過(guò)程參數顯示、與上位控制系統連接等功能。為了實(shí)現全場(chǎng)智能設備一體化管理的理念，該無(wú)線(xiàn)系統和設備無(wú)縫集成到有線(xiàn) HAＲT 儀表管理平臺中，建立統一的智能設備數據庫。無(wú)線(xiàn)設備發(fā)生故障時(shí)，會(huì )在DCS 操作員及 AMS 終端站上報警，提醒維護人員。
為了保障通信可靠、設計方便及有效性，Emerson 提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計工具，以便用戶(hù)驗證和優(yōu)化無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的布置。該工具支持圖形化拖拉方式實(shí)現儀表和網(wǎng)關(guān)的三維布置，能自動(dòng)分析無(wú)線(xiàn)通信的冗余狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)顯示實(shí)際運行的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，包括: 無(wú)線(xiàn)儀表的通信健康性、過(guò)程參數、電池電量等。
1． 3． 3 智能無(wú)線(xiàn)適配器 THUM775
許多工廠(chǎng)有成百上千臺 HAＲT 儀表，這些儀表包含了豐富的診斷和過(guò)程信息。然而，利用傳統有線(xiàn)方式獲取這些信息非常困難且成本很高，因此往往被擱置不用。Emerson 開(kāi)發(fā)的智能無(wú)線(xiàn)適配器 THUM775 是專(zhuān)門(mén)為已經(jīng)在現場(chǎng)安裝使用的有線(xiàn) HAＲT 設備的適配器。使用無(wú)線(xiàn)適配器 THUM775，可簡(jiǎn)單經(jīng)濟地獲取智能信息。有了這些預測性診斷信息，工廠(chǎng)可消除大量的監測盲點(diǎn)，可以在設備發(fā)生故障之前解決很多問(wèn)題，生產(chǎn)率也能提高。THUM775擁有本安認證，可以與任何設備匹配。它的工作原理是使用無(wú)線(xiàn) HAＲT 技術(shù)創(chuàng )建一個(gè)數據網(wǎng)絡(luò )，包括無(wú)線(xiàn)發(fā)射器、無(wú)線(xiàn)接收器、微處理器和天線(xiàn)。THUM775 接入設備上的標準電氣接口獲得回路供電，獲取 HAＲT 信息而不影響設備原先的模擬信號。這些信息由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)如同一個(gè)有線(xiàn)多路轉換器將設備信息傳至控制室。3051變送器和 THUM 無(wú)線(xiàn)適配器如圖 5 所示。
2 現場(chǎng)應用
為完善水平衡管理，完成減排目標，鎮江電廠(chǎng)啟動(dòng)廢水零排放工程。根據鎮江電廠(chǎng)的實(shí)際情況，新建 20 m3 / h 的精處理低鹽廢水處理系統、40 m3 / h 含煤廢水處理系統、5 m3 / h 的 含油廢水處理系統、26 m3 / h 末端廢水處理系統各一套。還對原生活污水處理系統、化學(xué)再生廢水回用、精處理再生廢水高低鹽分離、渣水零溢流、脫硫廢水處理系統、全廠(chǎng)污泥處理系統 ( 不含末端廢水處理系統污泥) 、全廠(chǎng)雨水收集回用、排水系統流程等進(jìn)行改造。在各廢水處理點(diǎn)、關(guān)口用水管路、排水系統增加相關(guān)的關(guān)口計量?jì)x表，并對各測點(diǎn)的流量等信號進(jìn)行在線(xiàn)監控、數據采集及運算。
鎮江電廠(chǎng)煤水廢水處理裝置與脫硫廢水處理系統距離上千米，與循環(huán)水、雨水等出水口距離更遠。這些遠程測量點(diǎn)非常分散，而且面廣。如采用有線(xiàn)方式，需敷設大量電纜，搭建大量橋架。許多橋架須穿越道路，必須搭設過(guò)頂天橋，并在各個(gè)廢水處理點(diǎn)新建電子間放置新增測點(diǎn)機柜。工程量非常巨大，工程周期較長(cháng)。采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )構架，在新增的測點(diǎn)上采用無(wú)線(xiàn)流量計等測量?jì)x表，將采集數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送至安裝在現場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)以太網(wǎng) Modbus TCP / IP 將網(wǎng)關(guān)數據接入就近水處理系統的控制柜的網(wǎng)絡(luò )通信交換機，再送至上位機。WirelessHAＲT 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到我廠(chǎng)優(yōu)勢非常明顯。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構如圖 6 所示。
現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )布局如圖7 所示。
我廠(chǎng)現場(chǎng)使用的變送器大 部 分 采 用Emerson3051系列產(chǎn)品，可以通過(guò) THUM775 無(wú) 線(xiàn) 適 配器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)化升級，以#小的代價(jià)實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。
WirelessHAＲT無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以#大程度地實(shí)現現場(chǎng)設備的統一性和兼容性，減少產(chǎn)品升級帶來(lái)的額外費用。
在需要增加的測點(diǎn)安裝一體化 3051SFA或 3051SFC ( 多孔孔板) 無(wú)線(xiàn)流量計，在現場(chǎng)顯示流量，流量信號通過(guò)無(wú)線(xiàn) HAＲT 方式發(fā)送給 1552WU 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)�，F場(chǎng)共分 4 塊區域: 工業(yè)水 系 統 ( 共 10 臺) 、脫 硫 水 系 統 ( 共 4 臺) 、除灰渣系統及輸煤水系統 ( 共 9 臺) 、生消水系統 ( 共 9 臺) 。根據現場(chǎng)實(shí)際情況，暫時(shí)配置 4 臺 1552WU 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，以保證現場(chǎng)流量數據的穩定傳輸。也可以采用中繼器減少網(wǎng)關(guān)數量。后續增加測點(diǎn)無(wú)須再增加網(wǎng)關(guān)數量，就近接入相應網(wǎng)關(guān)即可。各 無(wú) 線(xiàn) 網(wǎng) 關(guān)用水系統的無(wú)線(xiàn)流量計安裝位置清單如表 1所示。
4 個(gè) 1552WU 網(wǎng)關(guān)中的 1 個(gè)網(wǎng)關(guān)作為上位機接入端口，其余 3 個(gè)網(wǎng)關(guān)分散在較遠區域以接入較近的流量計信號。網(wǎng)關(guān)之間通過(guò) wifi 信號進(jìn)行橋接通信。主網(wǎng)關(guān)集中了所有現場(chǎng)流量數據，并通過(guò)以太網(wǎng) Modbus TCP / IP 送到上位機計量中心。
1552WU 智能網(wǎng)關(guān)支持多種通信協(xié)議的接口與上 層 主 機 連 接，主 要 有 Modbus ＲS485，Modbus TCP / IP 或 OPC。熱網(wǎng)人機接口為第三方成熟 HMI 軟件，允許采用 OPC 通信方式進(jìn)行信息傳輸。
中控室設置數據處理工控機，采用成熟組態(tài)畫(huà)面，方便人員操作、記錄并自動(dòng)生成數據報表。上位機具備如下功能:
(1) 整體水流量全場(chǎng)概覽圖，每個(gè)計量點(diǎn)能清晰體現。
(2) 數據報表自動(dòng)生成功能，實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量值。
(3) 故障自診斷與數據記錄: 運行過(guò)程中出現的異常情況 ( 4 ～ 20 mA 斷線(xiàn)，無(wú)線(xiàn)信號強度減弱，無(wú)線(xiàn)裝置電池能量狀態(tài)) 可自行診斷; 對運行數據 ( 運行時(shí)間、過(guò)程參數累計統計、故障報警等) 實(shí)現故障報警實(shí)時(shí)顯示功能。
(4) 測量點(diǎn)具備相應擴展增加的功能。
(5) 水平衡管理系統安裝有相應的儀表管理軟件系統，能夠對現場(chǎng)儀表進(jìn)行遠程監視和管理，包括量程，報警參數的設定，儀表遠程校驗等。
(6) 具 備 人 機 界 面 ( HMI) 交 互 功 能，在中心控制室，能設定人機界面 ( HMI) 儀表的量程、報警參數，對儀表進(jìn)行遠程校驗，顯示儀表的各種運行狀態(tài)信息。
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