霍尼韦尔中国公司

    摘要：把工业无线技术应用于电厂DCS控制和监测领域某些合适的场合，可帮助电厂减少安装成本、节省调试时间、降低后期维护费用。本文针对工业无线技术在电厂控制系统中的应用场合及带来的价值和优势，加以探讨，并详细阐述了应用工业无线技术的技术因素方面的考虑，并对目前无线技术应用于工业控制的2个国际标准——ISA100和WirelessHART进行了比较。文章最后详细阐述了贵州电力试验研究院在贵州盘县电厂实地测试霍尼韦尔公司OneWireless无线变送器网络的可靠性和安全性的过程。并简单介绍了霍尼韦尔公司无线架构的特点，包括无线网络架构，及一个无线平台支持多种无线应用和多种通讯协议现场仪表的特点等。

    关键词：电厂；无线；多功能无线网络；ISA100；Wireless HART；霍尼韦尔无线；OneWireless

    把工业无线技术应用于电厂的过程监测和控制，可以在没有电缆束缚的情况下，采集更多偏远分散区域的测点、敷设电缆和接线比较困难的测点、电缆容易损坏和烫伤的测点、旋转和移动的测点、信号传输危险和受干扰的测点，及在电缆桥架和卡件已经用满的改造项目中、安装工期要求迅速的项目中及现场没有电源供应的场合。分散的测点如化水系统的测点、循环水系统的监测、水源地的监测等。电缆容易损坏的测点如电厂高温高压管道的测点、发电机和主/副变压器等区域的测点等。无线方案也支持在移动工作站和无线视频监视，可用于电厂的现场调试和安全应用。

    工业无线解决方案，不同于传统的点对点的无线通讯技术，其采用Mesh 多路径、FHSS/ DSSS跳频及端对端的无线通讯控制等技术，确保了无线通讯工业等级的可靠和安全以及快速配置通讯时间滞后管理机制，并解决了长时间现场仪表（变送器）电池供电的问题。无线传输为数字传输，再加上mesh多路径的空间通讯、基于时间同步和碰撞检测的通讯及跳频抗干扰通讯，确保了无线通讯在电厂应用的可靠性。贵州电力试验研究院和霍尼韦尔公司（Honeywell）于2009年5月7日在贵州省盘县电厂的测试结果也有力地证实了mesh、跳频的工业无线技术通讯的可靠性。

    1 电厂无线应用的场合

    无线技术突破接线和电缆的束缚，实现更灵活和更方便的过程参数采集，并同现有有线的DCS控制系统无缝式数据集成，从而进一步延伸测控的广度和深度，达到提高工厂安全水平、设备可靠水平、自动化水平及工作效率的目的。

    无线方案在电厂最适用的场合主要是敷设电缆或接线非常困难的测点、分布非常分散的区域、隔离和屏蔽的区域、检修困难的区域、移动或旋转的设备、电缆易损坏和烫伤的测点、电缆易损坏和折断的场所，电缆桥架、卡件、机柜等备用容量用完改造的场合；旋转和移动的测点；移动的工作站；无线视频监视；设备健康状态检测；安装工期要求迅速的项目中；现场没有电源供应的场合等。

    无线方案还可应用于远距离、大范围区域，如在风力发电厂。采用由电池供电的无线变送器，可实现对各风机处的风速、千瓦/兆瓦电力生产数据及电机振动等状态参数的实时监测。同时，对于远距离集中测点的无线应用，无线网络提供了简单而可靠的解决方案，实现了每个无线测量点的最低成本。同有线方案相比，可节省大量安装成本和维护费用。

    2 电厂无线应用的技术考虑

    决定应用无线技术方案需要考虑到未来无线应用的可扩展性、延续性和互操作性（一个平台支持多种无线应用、多通讯协议的现场仪表、开放式标准）等。这些因素中的技术因素主要包括无线仪表的安全考虑；无线通讯的可靠性、安全性；无线仪表的电池供电；无线网络的实时性（仪表的刷新速度、网络的通讯时间滞后）；无线通讯的频段考虑；网络规模；同有线DCS控制系统的数据集成等。

    2.1 多功能无线网络 vs单一功能无线网络

    当前存在于电厂过程控制系统的有线通信协议标准有很多，如Modbus、FOUNDATION Fieldbus、HART、Profibus、DeviceNet等。每个协议都基于各自的专用架构（最典型的就是铜导线），因此多个协议可以轻松地共存而不会相互影响。
但不同于有线应用的每个协议都有自己的架构或传导介质，无线版本的协议需要共享一种公共介质——空气，这些协议必须在这种公共介质中共存，且会因同处于一个物理空间而相互干扰。

    因此，电厂无线应用的最优方式是构建一个单一架构，同时支持多种通讯协议的现场仪表和多种应用。这既可减少不必要的相互干扰，确保无线通讯更加可靠，同时也可节省用户投资，减少建立的多个无线平台为用户带来的管理上的困难。
Honeywell公司的OneWireless无线方案就是一个多功能的无线网络，可实现一个平台支持全厂的多种应用。如：过程参数的监控、安全视频监视、支持流动作业、移动设备即时定位、管道腐蚀监测、设备状态如振动、诊断等；一个平台支持多种通讯协议的现场仪表：如HART、Modbus、FF、4-20mA等；工厂运行维护人员不必面对多个独立的单一功能无线网络平台，不必为管理不同的单一功能无线网络而烦恼。

    2.2 ISA 100 vsWireless HART

    目前无线技术应用于工业控制的技术方案可以分为2类，即以WirelessHART为代表的仪表传感器无线mesh解决方案，和以ISA100为代表的节点mesh无线方案。两种解决方案都为达到工业等级的无线应用而集成了mesh多路径的通讯技术、跳频扩频通讯技术及基于精确时间同步的通讯和基于数据碰撞的通讯技术。也都考虑了前文中提到的诸多技术因素（见本文第2节），但这两种方案的技术路径却差别很大，为用户带来的价值和优势也不尽相同。

    2.2.1 以WirelessHART为代表的仪表mesh无线网络

    该解决方案的主要特征是现场仪表配置路由功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，还可同时为其它仪表的通讯进行路由。通常配置一个网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。由于整个无线网络自组织、自愈合，所以实施较为简单。

    但这种技术路径的缺点也很明显。由于整个无线网络的通讯是通过变送器路由实现，所以其通讯速度受到了相应的限制，如变送器的刷新速度不可能做到很快，虽然最快可以达到4秒，但推荐设定的刷新速度却为1分钟；整个网络的通讯时间滞后可能很明显，设定的刷新速度越慢，网络的通讯时间滞后也越长。

    由于每台无线变送器同时也是其它变送器的路由，这会对电池造成较大消耗，导致电池寿命不会很长，30秒刷新的时候可能5年，但是快速刷新时，如4秒，那么电池的寿命就会很短。而且正是由于设备的路由需要消耗电池，所以即使电池电压可随时显示报警，但电池电压低的时间主要取决于路由次数，这样就使得电池寿命很难预测。同时，锂电池本身属于高蓄能设备，故在电厂的应用需要隔爆的变送器选型。

    为节省电池能量，无线仪表的无线发射功率需要有所限制，即2个无线仪表间的通讯距离很短（如果申请的是2.4GHz微功率设备，那么不同的国家关于其发射功率的限定都不同，如中国无线电管理委员会关于微功率无线设备的发射功率限制设定为必需小于10毫瓦，设备间的通讯距离在100米左右）；

    考虑到网络通讯时间滞后和通讯速度的因素，整个无线mesh网络的通讯路由次数必需有所限制，即最远的仪表到网关的路由次数不能大于该限次，否则通讯时间滞后会很长；同时通讯时间滞后的因素也决定了整个网络的规模，如无线仪表1秒刷新时一个网关所带的设备可能非常有限。

    另外，这种以WirelessHART为代表的仪表mesh无线解决方案，一个无线架构只支持仪表（而且是HART仪表）的无线通讯，没有考虑到支持其它协议的现场仪表和其它无线应用，也是其局限性。

    2.2.2 以ISA100为代表的节点mesh无线网络

    该方案主要特征是由节点构建一个通讯速度非常快速的无线mesh主干网络，且这个无线主干网络自组织、自愈合，同时支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表。现场无线仪表可自动选择同任意节点进行无线通讯，自组织、自愈合。但现场仪表不配置路由功能。通常任何一个节点都可以或同时作为网关，实现同DCS的数据集成。无线变送器由电池供电，跳频扩频通讯，采用2.4GHz公用频段。

    这种方案的优点是无线变送器的刷新速度可以达到很快，典型的是1秒或0.25秒，且由于无线变送器只需1个“hop”就可把数据传输到一个通讯速度非常快的无线主干网上，所以整个网络的通讯时间滞后也很短。

    因为每台无线变送器并不作为其它变送器的路由，所以电池的寿命很长，常温下1秒刷新的时候就可达到5年。此外，由于没有配置路由功能，电池电压不仅可随时显示报警，且电池电压低的时间，即电池的寿命，也可预测。

    电池寿命长使得无线仪表的无线发射功率相对灵活，即2个无线仪表之间的通讯距离可以做到更长（如中国无线电管理委员会关于2.4GHz 扩频通信设备的发射功率限制设定为不能超过500毫瓦，设备之间的通讯距离可以达到数十公里）。
这种方案基于整个架构的优势，网络规模非常灵活，一个网络支持的无线仪表的数量可达到上千台。同时，这个多功能的解决方案实现了一个无线架构支持多种协议的现场仪表和多种工厂的无线应用。

    3 工业无线网络的可靠性现场测试：贵州盘县电厂

    3.1 测试目的

    为验证无线变送器在现场的抗干扰能力，确保可靠稳定的工业等级的数据传输及友好的共存能力，贵州电力试验研究院和Honeywell公司于2009年5月7日把Honeywell公司的无线产品（2台多功能节点、2台无线温度变送器和1台无线模拟量输入变送器，设备清单如表1所示）安装在贵州省盘县电厂进行测试。在测试（5月7日9点~5月7日14点）期间，无线变送器每隔1秒采集一次电厂1号炉烟道温度数据，并通过多功能节点构建的无线mesh主干网络，同上位工作站进行数据集成（如历史数据存储、实时数据显示、Excel报表输出等）。

    表1 设备清单

                

    3.2测试结论

    无线变送器在电厂测试现场的工作状况正常，通讯可靠稳定，数据通过标准通讯方式集成至工作站，评估项目如表2所示。

    表2评估项目

                

    情况描述：

    无线变送器安装位置：3台无线变送器安装在1号机组锅炉岛1~4号烟道9米层温度测点处，无线温度变送器T1 （#3） 的第一个通道测量4号烟道温度，第2个通道测量3号烟道温度；无线温度变送器T2 （#4）的第一个通道测量2号烟道温度；由于只带了3支热电偶，故温度变送器的其它通道没有接入温度测点，短接测量大气温度；无线模拟量变送器H1（#5）安装在3号、4号烟道之间，没有接入测点。

    多功能节点安装位置：多功能节点#200安装在1号机组锅炉13米层，锅炉本体侧。多功能节点#213安装在控制室附近/甲侧给煤机处。如图1所示。

                            

                                              图

    Mesh主干网络：2个多功能节点直接无线通讯，构建快速通讯mesh无线主干网络，通讯状态良好。如图2所示。

                     

                                     图2无线主干网络通讯

    3台无线变送器同多功能节点#200通讯状态良好（信号强度在-30dbm左右），且能够同时绕开锅炉本体同控制室附近的多功能节点#213直接通讯（信号强度在-70dbm左右），实现多路径冗余跳频通讯。

    数据采集时，工作站有线连接在多功能节点#213上，输出实时PV值及历史数据，输出Excel报表。

    工作站能够在控制室里，以无线的方式直接同多功能节点#213和多功能节点#200无线通讯，实现数据集成和实时状态监测。

    测试结束时，把2台无线变送器移动到1号炉50米层省煤器处，无线变送器仍然可以同时与多功能节点#200和#213通讯；且在整个移动过程中，无线变送器仍然同多功能节点进行不间断无线通讯。

    3.3测试程序

    （1）设备现场安装：安装2个多功能节点，并外部供电（安装地点：1号炉本体侧13米层和控制室附近）；安装无线变送器，连接测温一次元件，并上电启动（设定1秒的刷新速度，安装地点：1号炉1-4号烟道，9米层；最后位置在省煤器50米层）。
    （2）主干网络通讯的检查与验证：多功能节点授权及设置；检查无线mesh主干网络的通讯（自组织）。
    （3）无线变送器通讯的检查与验证：无线变送器授权；检查无线变送器的通讯。
    （4）无线管理平台的功能检查与验证：
    ·设备管理功能：无线变送器的在线远程组态；多功能节点及无线变送器的诊断信息。
    ·网络通讯管理功能：可视化现场无线网络的通讯拓扑结构（动态、自组织）；无线网络的通讯状态及设备状态监控。
    ·安全管理功能。
    （5）数据集成：每隔1秒采集数据，历史存储、Excel报表输出。

    4 结语

    综上所述，工业无线技术在电力行业的潜在应用主要是敷设电缆或接线非常困难的测点、分布分散的区域、隔离和屏蔽的区域、检修困难的区域、移动或旋转的设备、电缆易损坏和折断的场所及电缆桥架、卡件、机柜等备用容量用完改造的场合。实施无线技术是在现有有线的控制网络的基础上，进一步延伸测控的广度和深度，从而达到提高工厂安全水平、设备可靠水平、运行自动化水平及工作效率的目的。

    工业无线在电厂应用主要需考虑应用场合、技术因素、成本因素等。技术因素主要包括无线仪表的安全选型考虑；无线通讯的可靠性、安全性；无线仪表的电池供电；无线网络的实时性（仪表刷新速度、网络通讯滞后管理）；网络规模及可扩展性；以及同有线DCS控制系统的数据集成等。

    无线变送器在盘县电厂的测试，验证了工业无线网络在复杂的电厂环境中，可以保证正常、可靠、安全的数据采集和通讯，同时能够不影响现有设备的正常运行，且实现同上位系统的数据集成。

    参考文献：
    [1] Cindy Bloodgood.无线技术为电力行业创造价值[M].
    [2] 江天生.霍尼韦尔公司工业无线解决方案的网络特点：支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表[J]，自动化博览，2010， 02(36). 
    [3] 无线仪表的拓扑结构.控制工程中文网.