霍尼韦尔过程控制部用户大会

工业无线技术（无线变送器）在电厂的应用场合探讨及在贵州盘县电厂的可靠性测试

石践，贵州电力试验研究院，锅炉室主任（贵州 550002）

中文摘要：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，可以帮助电厂减少安装成本、节省调试时间、降低后期维护费用。本文就是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，并比较了目前无线技术应用于工业控制的2个国际标准，ISA100和WirelessHART。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，以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

English Abstract：This paper mainly focuses on the potential applications in power plant DCS control system, and the advantages in installation cost saving, commission time saving, and maintenance cost reducing. Beyond these, wireless can bring more value to power customer. Two international industrial standards about wireless application in monitoring and control are compared, and in the last, explained Honeywell’s OneWireless solution, which provide a multifunctional wireless network structure, that is one structure supporting multi wireless applications and multi protocol wireless instruments. Site test for wireless reliability and safety in GuiZhou PanXian Power Plant by Guizhou Electric Power Research Institute and Honeywell was illustrated in the end of the paper.

Key Words: Power Plant, Wireless, Multifunctional Wireless Network，ISA100，Wireless HART，Honeywell Wireless，OneWireless

        把工业无线技术应用于电厂的过程监测和控制，可以没有电缆的束缚，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，以及用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、以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以及无线视频监视，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，而是采用了Mesh 多路径、FHSS/ DSSS跳频、以及端对端的无线通讯控制技术等等，确保无线通讯工业等级的可靠和安全，确保快速的、配置通讯时间滞后管理机制的通讯技术，而且解决了长时间现场仪表（变送器）的电池供电问题。由于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、以及跳频抗干扰通讯，能够确保无线通讯在电厂的应用的可靠性。贵州电力试验研究院和霍尼韦尔公司（Honeywell）在2009年5月7日在贵州省盘县电厂的测试结果也有力的证实了mesh、跳频的工业无线技术通讯的可靠性。

一、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、以及工作效率的目的。
无线方案在电厂最适合和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、电缆容易损坏和烫伤的测点电缆容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等。
        例如，2010年2月25日，位于上海的一家燃气电站决定计划采用110台无线变送器监测4台机组的如下过程参数：1）锅炉：主蒸汽流量、压力和温度，中压蒸汽流量、低压蒸汽流量、温度和压力，高压汽包压力、中压汽包压力、低压汽包压力、再热蒸汽压力和温度、高压给水流量、中压给水流量、低压给水（低压汽包入口）流量、低压给水（凝结水）流量。2）机组：汽轮机真空、润滑油压力、控制油压力、振动1、振动2、振动3、闭式水压力、发电机功率、转速。由电池供电的无线变送器把实时过程数据传输到远处由无线接收点构建的无线mesh主干网络上，并最终同DCS系统进行数据集成。
        另一个应用是远距离、大范围区域的无线解决方案，例如在风力发电厂，采用由电池供电的无线变送器来实时监测各风机处的风速或千瓦/兆瓦电力生产数据，以及监测电机的振动等等状态参数。而且，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。同有线方案的成本相比，可以节省大量的安装成本和维护费用。

二、电厂无线应用的技术考虑
        确定工业无线技术在电厂的因素包括过程因素、技术因素、成本因素等。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；以及同有线DCS控制系统的数据集成等等。

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。
        但是不同于有线应用的每个协议都有自己的架构或传导介质，无线版本的这些协议却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，而且会由于处于同一个物理空间而相互干扰。
        因此，在电厂的无线应用，最优的方式是构建一个单一架构，同时支持多种应用和多种通讯协议的现场仪表。这既可以减少不必要的相互干扰，确保无线通讯更加可靠，同时也节省了用户的投资，减少用户因为一个工厂建立多个无线平台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，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、设备状态如振动等诊断等等；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单独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．ISA 100 vs. Wireless 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。两种解决方案都为了达到工业等级的无线应用而集成了mesh多路径的通讯技术、跳频扩频通讯技术以及基于精确时间同步的通讯和基于数据碰撞的通讯技术。也都考虑了其它技术特点，如无线网络的安全性、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、网络规模及可扩展性，以及同有线DCS控制系统的数据集成等等。但是两种方案的技术路径却差别很大，给用户带来的价值和优势也不尽相同。

a）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，而且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，所以优点就是实施较为简单。
        但是这种技术路径的缺点也非常明显，因为整个无线网络的通讯是通过变送器路由来实现的，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，虽然最快可以做到4秒，但推荐设定的刷新速度为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。
        因为每台无线变送器的为其它变送器的路由都需要消耗电池，所以电池的寿命不会很长，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，所以即使电池的电压可以随时显示报警，但是电池什么时候电池电压低要示路由次数而定，即电池的寿命很难预测。而且由于锂电池本身属于高蓄能设备，所以在电厂的应用需要隔爆的变送器选型。
        也是由于需要节省电池的能量，所以无线仪表的无线发射功率就有所限制，即2个无线仪表之间的通讯距离很短（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）；
也正是由于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多少次，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。

b）以ISA100为代表的节点mesh无线网络
        该方案主要是由节点构建一个通讯速度非常快速的无线mesh主干网络，而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。现场无线仪表可以自动选择同任意一个节点进行无线通讯，自组织、自愈合。但是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。
        这种方案的优点就是由于节点构建的快速的、mesh主干网络，使得无线变送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，而且由于无线变送器只需要1个“hop”就可以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都不为其它变送器的路由，所以电池的寿命很长，常温下1秒刷新的时候就可以达到5年。而且正是由于没有配置路由功能，所以电池的电压不仅可以随时显示报警，而且电池什么时候电池电压低，即电池的寿命，都是可以预测的。
        也是由于电池的寿命很长，所以无线仪表的无线发射功率就可以相对灵活，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做到数十公里）。
        而且这种解决方案由于整个架构的优势，网络的规模非常灵活，一个网络支持的无线仪表的数量可以达到上千台。另外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。

三、工业无线网络的可靠性现场测试：贵州盘县电厂
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、以及友好的共存能力，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）安装在贵州省盘县电厂进行测试。在测试时间5月7日9点到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）。

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，评估项目如下：

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。见下页设备安装示意图及附件8照片和附件2.2.1的网络通讯拓扑图。
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。见附件2.2.2
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），而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。见附件2.2.1
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；并且在整个移动过程中，无线变送器仍然同多功能节点的不间断无线通讯

测试程序

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）
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）
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
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）；监控无线网络的通讯状态及设备状态监控
安全管理功能
数据集成：每隔1秒采集数据，历史存储、Excel报表输出

四 、总结
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、电缆容易损坏和折断的场所，以及电缆桥架、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、以及工作效率的目的。
工业无线在电厂应用需要考虑的因素，主要是要考虑应用场合、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；能够实现同上位系统的数据集成。

参考文献
1.无线技术为电力行业创造价值，Cindy Bloodgood；
2.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，《自动化博览》2010年02期 P36，江天生
3.控制工程中文网：无线仪表的拓扑结构