摘要：把工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于電廠(chǎng)DCS控制和監測領(lǐng)域某些合適的場(chǎng)合，可幫助電廠(chǎng)減少安裝成本、節省調試時(shí)間、降低后期維護費用。本文針對工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在電廠(chǎng)控制系統中的應用場(chǎng)合及帶來(lái)的價(jià)值和優(yōu)勢，加以探討，并詳細闡述了應用工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的技術(shù)因素方面的考慮，并對目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于工業(yè)控制的2個(gè)國際標準——ISA100和WirelessHART進(jìn)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(pán)縣電廠(chǎng)實(shí)地測試霍尼韋爾公司OneWireless無(wú)線(xiàn)變送器網(wǎng)絡(luò )的可靠性和安全性的過(guò)程。并簡(jiǎn)單介紹了霍尼韋爾公司無(wú)線(xiàn)架構的特點(diǎn)，包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構，及一個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺支持多種無(wú)線(xiàn)應用和多種通訊協(xié)議現場(chǎng)儀表的特點(diǎn)等。

    關(guān)鍵詞：電廠(chǎng)；無(wú)線(xiàn)；多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；ISA100；Wireless HART；霍尼韋爾無(wú)線(xiàn)；OneWireless

    把工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于電廠(chǎng)的過(guò)程監測和控制，可以在沒(méi)有電纜束縛的情況下，采集更多偏遠分散區域的測點(diǎn)、敷設電纜和接線(xiàn)比較困難的測點(diǎn)、電纜容易損壞和燙傷的測點(diǎn)、旋轉和移動(dòng)的測點(diǎn)、信號傳輸危險和受干擾的測點(diǎn)，及在電纜橋架和卡件已經(jīng)用滿(mǎn)的改造項目中、安裝工期要求迅速的項目中及現場(chǎng)沒(méi)有電源供應的場(chǎng)合。分散的測點(diǎn)如化水系統的測點(diǎn)、循環(huán)水系統的監測、水源地的監測等。電纜容易損壞的測點(diǎn)如電廠(chǎng)高溫高壓管道的測點(diǎn)、發(fā)電機和主/副變壓器等區域的測點(diǎn)等。無(wú)線(xiàn)方案也支持在移動(dòng)工作站和無(wú)線(xiàn)視頻監視，可用于電廠(chǎng)的現場(chǎng)調試和安全應用。

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案，不同于傳統的點(diǎn)對點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，其采用Mesh 多路徑、FHSS/ DSSS跳頻及端對端的無(wú)線(xiàn)通訊控制等技術(shù)，確保了無(wú)線(xiàn)通訊工業(yè)等級的可靠和安全以及快速配置通訊時(shí)間滯后管理機制，并解決了長(cháng)時(shí)間現場(chǎng)儀表（變送器）電池供電的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳輸為數字傳輸，再加上mesh多路徑的空間通訊、基于時(shí)間同步和碰撞檢測的通訊及跳頻抗干擾通訊，確保了無(wú)線(xiàn)通訊在電廠(chǎng)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(pán)縣電廠(chǎng)的測試結果也有力地證實(shí)了mesh、跳頻的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)通訊的可靠性。

    1 電廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)應用的場(chǎng)合

    無(wú)線(xiàn)技術(shù)突破接線(xiàn)和電纜的束縛，實(shí)現更靈活和更方便的過(guò)程參數采集，并同現有有線(xiàn)的DCS控制系統無(wú)縫式數據集成，從而進(jìn)一步延伸測控的廣度和深度，達到提高工廠(chǎng)安全水平、設備可靠水平、自動(dòng)化水平及工作效率的目的。

    無(wú)線(xiàn)方案在電廠(chǎng)最適用的場(chǎng)合主要是敷設電纜或接線(xiàn)非常困難的測點(diǎn)、分布非常分散的區域、隔離和屏蔽的區域、檢修困難的區域、移動(dòng)或旋轉的設備、電纜易損壞和燙傷的測點(diǎn)、電纜易損壞和折斷的場(chǎng)所，電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場(chǎng)合；旋轉和移動(dòng)的測點(diǎn)；移動(dòng)的工作站；無(wú)線(xiàn)視頻監視；設備健康狀態(tài)檢測；安裝工期要求迅速的項目中；現場(chǎng)沒(méi)有電源供應的場(chǎng)合等。

    無(wú)線(xiàn)方案還可應用于遠距離、大范圍區域，如在風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)。采用由電池供電的無(wú)線(xiàn)變送器，可實(shí)現對各風(fēng)機處的風(fēng)速、千瓦/兆瓦電力生產(chǎn)數據及電機振動(dòng)等狀態(tài)參數的實(shí)時(shí)監測。同時(shí)，對于遠距離集中測點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)應用，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供了簡(jiǎn)單而可靠的解決方案，實(shí)現了每個(gè)無(wú)線(xiàn)測量點(diǎn)的最低成本。同有線(xiàn)方案相比，可節省大量安裝成本和維護費用。

    2 電廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)應用的技術(shù)考慮

    決定應用無(wú)線(xiàn)技術(shù)方案需要考慮到未來(lái)無(wú)線(xiàn)應用的可擴展性、延續性和互操作性（一個(gè)平臺支持多種無(wú)線(xiàn)應用、多通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表、開(kāi)放式標準）等。這些因素中的技術(shù)因素主要包括無(wú)線(xiàn)儀表的安全考慮；無(wú)線(xiàn)通訊的可靠性、安全性；無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性（儀表的刷新速度、網(wǎng)絡(luò )的通訊時(shí)間滯后）；無(wú)線(xiàn)通訊的頻段考慮；網(wǎng)絡(luò )規模；同有線(xiàn)DCS控制系統的數據集成等。

    2.1 多功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) vs單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

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

    因此，電廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)應用的最優(yōu)方式是構建一個(gè)單一架構，同時(shí)支持多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表和多種應用。這既可減少不必要的相互干擾，確保無(wú)線(xiàn)通訊更加可靠，同時(shí)也可節省用戶(hù)投資，減少建立的多個(gè)無(wú)線(xiàn)平臺為用戶(hù)帶來(lái)的管理上的困難。
Honeywell公司的OneWireless無(wú)線(xiàn)方案就是一個(gè)多功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，可實(shí)現一個(gè)平臺支持全廠(chǎng)的多種應用。如：過(guò)程參數的監控、安全視頻監視、支持流動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)設備即時(shí)定位、管道腐蝕監測、設備狀態(tài)如振動(dòng)、診斷等；一個(gè)平臺支持多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表：如HART、Modbus、FF、4-20mA等；工廠(chǎng)運行維護人員不必面對多個(gè)獨立的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺，不必為管理不同的單一功能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )而煩惱。

    2.2 ISA 100 vsWireless HART

    目前無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用于工業(yè)控制的技術(shù)方案可以分為2類(lèi)，即以WirelessHART為代表的儀表傳感器無(wú)線(xiàn)mesh解決方案，和以ISA100為代表的節點(diǎn)mesh無(wú)線(xiàn)方案。兩種解決方案都為達到工業(yè)等級的無(wú)線(xiàn)應用而集成了mesh多路徑的通訊技術(shù)、跳頻擴頻通訊技術(shù)及基于精確時(shí)間同步的通訊和基于數據碰撞的通訊技術(shù)。也都考慮了前文中提到的諸多技術(shù)因素（見(jiàn)本文第2節），但這兩種方案的技術(shù)路徑卻差別很大，為用戶(hù)帶來(lái)的價(jià)值和優(yōu)勢也不盡相同。

    2.2.1 以WirelessHART為代表的儀表mesh無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

    該解決方案的主要特征是現場(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)為其它儀表的通訊進(jìn)行路由。通常配置一個(gè)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現同DCS的數據集成。無(wú)線(xiàn)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(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈合，所以實(shí)施較為簡(jiǎn)單。

    但這種技術(shù)路徑的缺點(diǎn)也很明顯。由于整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊是通過(guò)變送器路由實(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò )的通訊時(shí)間滯后可能很明顯，設定的刷新速度越慢，網(wǎng)絡(luò )的通訊時(shí)間滯后也越長(cháng)。

    由于每臺無(wú)線(xiàn)變送器同時(shí)也是其它變送器的路由，這會(huì )對電池造成較大消耗，導致電池壽命不會(huì )很長(cháng)，30秒刷新的時(shí)候可能5年，但是快速刷新時(shí)，如4秒，那么電池的壽命就會(huì )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(shí)顯示報警，但電池電壓低的時(shí)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(shí)，鋰電池本身屬于高蓄能設備，故在電廠(chǎng)的應用需要隔爆的變送器選型。

    為節省電池能量，無(wú)線(xiàn)儀表的無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率需要有所限制，即2個(gè)無(wú)線(xiàn)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(guān)于其發(fā)射功率的限定都不同，如中國無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )關(guān)于微功率無(wú)線(xiàn)設備的發(fā)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(wǎng)絡(luò )通訊時(shí)間滯后和通訊速度的因素，整個(gè)無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò )的通訊路由次數必需有所限制，即最遠的儀表到網(wǎng)關(guān)的路由次數不能大于該限次，否則通訊時(shí)間滯后會(huì )很長(cháng)；同時(shí)通訊時(shí)間滯后的因素也決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的規模，如無(wú)線(xiàn)儀表1秒刷新時(shí)一個(gè)網(wǎng)關(guān)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(wú)線(xiàn)解決方案，一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構只支持儀表（而且是HART儀表）的無(wú)線(xiàn)通訊，沒(méi)有考慮到支持其它協(xié)議的現場(chǎng)儀表和其它無(wú)線(xiàn)應用，也是其局限性。

    2.2.2 以ISA100為代表的節點(diǎn)mesh無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

    該方案主要特征是由節點(diǎn)構建一個(gè)通訊速度非?？焖俚臒o(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò )，且這個(gè)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)應用和多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表?，F場(chǎng)無(wú)線(xiàn)儀表可自動(dòng)選擇同任意節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊，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)現同DCS的數據集成。無(wú)線(xiàn)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(yōu)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)變送器只需1個(gè)“hop”就可把數據傳輸到一個(gè)通訊速度非?？斓臒o(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)上，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通訊時(shí)間滯后也很短。

    因為每臺無(wú)線(xiàn)變送器并不作為其它變送器的路由，所以電池的壽命很長(cháng)，常溫下1秒刷新的時(shí)候就可達到5年。此外，由于沒(méi)有配置路由功能，電池電壓不僅可隨時(shí)顯示報警，且電池電壓低的時(shí)間，即電池的壽命，也可預測。

    電池壽命長(cháng)使得無(wú)線(xiàn)儀表的無(wú)線(xiàn)發(fā)射功率相對靈活，即2個(gè)無(wú)線(xiàn)儀表之間的通訊距離可以做到更長(cháng)（如中國無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì )關(guān)于2.4GHz 擴頻通信設備的發(fā)射功率限制設定為不能超過(guò)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(gè)架構的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò )規模非常靈活，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )支持的無(wú)線(xiàn)儀表的數量可達到上千臺。同時(shí)，這個(gè)多功能的解決方案實(shí)現了一個(gè)無(wú)線(xiàn)架構支持多種協(xié)議的現場(chǎng)儀表和多種工廠(chǎng)的無(wú)線(xiàn)應用。

    3 工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的可靠性現場(chǎng)測試：貴州盤(pán)縣電廠(chǎng)

    3.1 測試目的

    為驗證無(wú)線(xiàn)變送器在現場(chǎng)的抗干擾能力，確?？煽糠€定的工業(yè)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(wú)線(xiàn)產(chǎn)品（2臺多功能節點(diǎn)、2臺無(wú)線(xiàn)溫度變送器和1臺無(wú)線(xiàn)模擬量輸入變送器，設備清單如表1所示）安裝在貴州省盤(pán)縣電廠(chǎng)進(jìn)行測試。在測試（5月7日9點(diǎn)~5月7日14點(diǎn)）期間，無(wú)線(xiàn)變送器每隔1秒采集一次電廠(chǎng)1號爐煙道溫度數據，并通過(guò)多功能節點(diǎn)構建的無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò )，同上位工作站進(jìn)行數據集成（如歷史數據存儲、實(shí)時(shí)數據顯示、Excel報表輸出等）。

    表1 設備清單

                

    3.2測試結論

    無(wú)線(xiàn)變送器在電廠(chǎng)測試現場(chǎng)的工作狀況正常，通訊可靠穩定，數據通過(guò)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(wú)線(xiàn)變送器安裝位置：3臺無(wú)線(xiàn)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(diǎn)處，無(wú)線(xiàn)溫度變送器T1 （#3） 的第一個(gè)通道測量4號煙道溫度，第2個(gè)通道測量3號煙道溫度；無(wú)線(xiàn)溫度變送器T2 （#4）的第一個(gè)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(méi)有接入溫度測點(diǎn)，短接測量大氣溫度；無(wú)線(xiàn)模擬量變送器H1（#5）安裝在3號、4號煙道之間，沒(méi)有接入測點(diǎn)。

    多功能節點(diǎn)安裝位置：多功能節點(diǎn)#200安裝在1號機組鍋爐13米層，鍋爐本體側。多功能節點(diǎn)#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(wǎng)絡(luò )：2個(gè)多功能節點(diǎn)直接無(wú)線(xiàn)通訊，構建快速通訊mesh無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )，通訊狀態(tài)良好。如圖2所示。

                     

                                     圖2無(wú)線(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò )通訊

    3臺無(wú)線(xiàn)變送器同多功能節點(diǎn)#200通訊狀態(tài)良好（信號強度在-30dbm左右），且能夠同時(shí)繞開(kāi)鍋爐本體同控制室附近的多功能節點(diǎn)#213直接通訊（信號強度在-70dbm左右），實(shí)現多路徑冗余跳頻通訊。

    數據采集時(shí)，工作站有線(xiàn)連接在多功能節點(diǎn)#213上，輸出實(shí)時(shí)PV值及歷史數據，輸出Excel報表。

    工作站能夠在控制室里，以無(wú)線(xiàn)的方式直接同多功能節點(diǎn)#213和多功能節點(diǎn)#200無(wú)線(xiàn)通訊，實(shí)現數據集成和實(shí)時(shí)狀態(tài)監測。

    測試結束時(shí)，把2臺無(wú)線(xiàn)變送器移動(dòng)到1號爐50米層省煤器處，無(wú)線(xiàn)變送器仍然可以同時(shí)與多功能節點(diǎn)#200和#213通訊；且在整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)變送器仍然同多功能節點(diǎn)進(jìn)行不間斷無(wú)線(xiàn)通訊。

    3.3測試程序

    （1）設備現場(chǎng)安裝：安裝2個(gè)多功能節點(diǎn)，并外部供電（安裝地點(diǎn)：1號爐本體側13米層和控制室附近）；安裝無(wú)線(xiàn)變送器，連接測溫一次元件，并上電啟動(dòng)（設定1秒的刷新速度，安裝地點(diǎn)：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(wǎng)絡(luò )通訊的檢查與驗證：多功能節點(diǎn)授權及設置；檢查無(wú)線(xiàn)mesh主干網(wǎng)絡(luò )的通訊（自組織）。
    （3）無(wú)線(xiàn)變送器通訊的檢查與驗證：無(wú)線(xiàn)變送器授權；檢查無(wú)線(xiàn)變送器的通訊。
    （4）無(wú)線(xiàn)管理平臺的功能檢查與驗證：
    ·設備管理功能：無(wú)線(xiàn)變送器的在線(xiàn)遠程組態(tài)；多功能節點(diǎn)及無(wú)線(xiàn)變送器的診斷信息。
    ·網(wǎng)絡(luò )通訊管理功能：可視化現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊拓撲結構（動(dòng)態(tài)、自組織）；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通訊狀態(tài)及設備狀態(tài)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(yǔ)

    綜上所述，工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在電力行業(yè)的潛在應用主要是敷設電纜或接線(xiàn)非常困難的測點(diǎn)、分布分散的區域、隔離和屏蔽的區域、檢修困難的區域、移動(dòng)或旋轉的設備、電纜易損壞和折斷的場(chǎng)所及電纜橋架、卡件、機柜等備用容量用完改造的場(chǎng)合。實(shí)施無(wú)線(xiàn)技術(shù)是在現有有線(xiàn)的控制網(wǎng)絡(luò )的基礎上，進(jìn)一步延伸測控的廣度和深度，從而達到提高工廠(chǎng)安全水平、設備可靠水平、運行自動(dòng)化水平及工作效率的目的。

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)在電廠(chǎng)應用主要需考慮應用場(chǎng)合、技術(shù)因素、成本因素等。技術(shù)因素主要包括無(wú)線(xiàn)儀表的安全選型考慮；無(wú)線(xiàn)通訊的可靠性、安全性；無(wú)線(xiàn)儀表的電池供電；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性（儀表刷新速度、網(wǎng)絡(luò )通訊滯后管理）；網(wǎng)絡(luò )規模及可擴展性；以及同有線(xiàn)DCS控制系統的數據集成等。

    無(wú)線(xiàn)變送器在盤(pán)縣電廠(chǎng)的測試，驗證了工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在復雜的電廠(chǎng)環(huán)境中，可以保證正常、可靠、安全的數據采集和通訊，同時(shí)能夠不影響現有設備的正常運行，且實(shí)現同上位系統的數據集成。

    參考文獻：
    [1] Cindy Bloodgood.無(wú)線(xiàn)技術(shù)為電力行業(yè)創(chuàng )造價(jià)值[M].
    [2] 江天生.霍尼韋爾公司工業(yè)無(wú)線(xiàn)解決方案的網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)：支持多種無(wú)線(xiàn)應用和多種通訊協(xié)議的現場(chǎng)儀表[J]，自動(dòng)化博覽，2010， 02(36). 
    [3] 無(wú)線(xiàn)儀表的拓撲結構.控制工程中文網(wǎng).