無線技術(shù)突破接線和電纜的束縛,可實(shí)現(xiàn)更加靈活方便的過程參數(shù)采集,與現(xiàn)有有線的分布 式 控 制 系 統(tǒng) ( DCS) 、可 編 程 序 控 制 器( PLC) 等控制系統(tǒng)進(jìn)行無縫式數(shù)據(jù)集成,從而進(jìn)一步延伸測(cè)控的廣度和深度。無線技術(shù)在電廠適用的場(chǎng)合有: 敷設(shè)電纜或接線困難的測(cè)點(diǎn),分布非常分散的區(qū)域,隔離和屏蔽的區(qū)域,檢修難的區(qū)域,移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備,電纜易損壞和折斷的場(chǎng)所; 電纜橋架、卡件、機(jī)柜等備用件用完的場(chǎng)合; 安裝工期要求迅速的項(xiàng)目; 現(xiàn)場(chǎng)沒有電源供應(yīng)的場(chǎng)合等。
1 儀表無線網(wǎng)絡(luò)方案
目前,儀表無線網(wǎng)絡(luò)方案主要有兩種: 一種以 WirelessHART 為代表的儀表 mesh 無線網(wǎng)絡(luò),一種以 ISA100 為代表的節(jié)點(diǎn) mesh 無線網(wǎng)絡(luò)。這兩種解決方案都是為達(dá)到工業(yè)級(jí)別的無線應(yīng)用而集成了 mesh 多路徑的通信技術(shù)、跳幀擴(kuò)頻通信技術(shù)及基于精que時(shí)間同步的通信,以及基于數(shù)據(jù)碰撞的通信技術(shù)。
1. 1 以 WirelessHART 為代表的儀表 mesh
無線網(wǎng)絡(luò)
該方案的現(xiàn)場(chǎng)儀表配置路由功能,即每臺(tái)無線儀表不僅測(cè)量自己的過程參數(shù),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(xiàn)與 DCS 的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電,跳頻擴(kuò)頻通信,采用 2. 4 GHz 公用頻段。整個(gè)無線網(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(jié) 點(diǎn) mesh 無 線
網(wǎng)絡(luò)
該方案由節(jié)點(diǎn)構(gòu)建通信速度非?焖俚臒o線 mesh 主干網(wǎng)絡(luò),該無線主干網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈合,同時(shí)支持多種無線應(yīng)用和多種通信協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表,F(xiàn)場(chǎng)無線儀表可自動(dòng)選擇與任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信,自組織,自愈合。但現(xiàn)場(chǎng)儀表不配置路由功能。通常,任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以或同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與 DCS 數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電,跳頻擴(kuò)頻通信,采用2. 4 GHz 公用頻段。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是無線變送器的刷新速度很快,為 1 s 或 0. 25 s。由于無線變送器只需 1 個(gè) “hop”就可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋(gè)通信速度非?斓臒o線主干網(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 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的特點(diǎn)
WirelessHART 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以 Emerson 公司的現(xiàn)場(chǎng)智能無線網(wǎng)絡(luò) ( WFN) 為代表。
Emerson 現(xiàn)場(chǎng)智能無線網(wǎng)絡(luò) ( WFN) 架構(gòu)分為兩層: 地衣層是由現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備組成的自組織網(wǎng)絡(luò) ( self organizing network ) ,這些設(shè)備以自我組織、智能化的方式與網(wǎng)關(guān) ( Gateway)進(jìn)行無線通信; 第二層是網(wǎng)關(guān)和主機(jī)系統(tǒng)的無縫集成,主機(jī)系統(tǒng)可以是 DCS、無線網(wǎng)關(guān)控制器、人機(jī)界面 ( HMI) 或類似于設(shè)備管理和維護(hù) 的 工 作 站 等。 Emerson 智 能 無 線 網(wǎng) 絡(luò)( WFN) 實(shí)現(xiàn)了主機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表間的信息傳輸和交互。
1. 3. 1 無線網(wǎng)絡(luò)地衣層———自組織網(wǎng)絡(luò)
(1) 安全可靠。
由 Emerson 現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備組成的通信網(wǎng)絡(luò),采用全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ( mesh topology) , 集成工業(yè)級(jí)的安全措施,通過高度可靠的冗余路徑進(jìn)行通信。無線網(wǎng)絡(luò)可以自我組織、自我適應(yīng)、自我愈合,可靠性超過 99. 99% 。即使通信路徑受到干擾,無線設(shè)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(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備包括測(cè)量溫度、壓力、無線控制等過程參數(shù)的無線儀表、無線網(wǎng)關(guān)等。現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備均配備無線發(fā)射裝置,設(shè)備和微波發(fā)射部件無縫集成于一體。所有現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備都配備一體化全向天線,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,天線方向可以調(diào)整到合適位置,F(xiàn)場(chǎng)無線儀表設(shè)備、無線發(fā)射天線和供電電池符合本質(zhì)安全規(guī)范: 適應(yīng) Class 1、Division1 危險(xiǎn)環(huán)境應(yīng)用; 符合 NEMA 4X / IP66 要求,可安裝在戶內(nèi)或戶外。智能無線儀表由工業(yè)級(jí)本安認(rèn)證的鋰電池供電。
無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖 1 所示。
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間通信安全可靠,數(shù)據(jù)包采用AES - 128 位的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加密技術(shù)。設(shè)備加入某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要通過端對(duì)端的通信認(rèn)證,以及全面的密碼確認(rèn)。安全性管理、設(shè)備認(rèn)證等功能內(nèi)嵌于智能無線網(wǎng)關(guān)中,無須專用上位機(jī)軟件就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備的通信路徑進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)愈合、自適應(yīng)管理,避免了由于上位機(jī)的故障而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的掉線和無法切換路徑等問題。為了保障更高的安全性,無線網(wǎng)絡(luò)支持密鑰自動(dòng)輪換管理功能。
(2) 符合無線國際標(biāo)準(zhǔn)和中國國標(biāo)。
Emerson 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無線技術(shù)符合當(dāng)前流程行業(yè)中非常好的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn): 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(kuò)頻技術(shù) ( DSSS) 和跳頻技術(shù) ( FHSS) ,無須重新組態(tài)或人工介入,設(shè)備可以自動(dòng)跳頻。無線通信的鏈路層 ( LinkLayer) 符合 IEEE 802. 15. 4 工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)。2014 年 5 月,WirelessHart 被批準(zhǔn)為tuijian性中國guojia標(biāo)準(zhǔn) GB /T 29910—2013,為當(dāng)前流程行業(yè)中非常好符合國際標(biāo)準(zhǔn)和中國guojia標(biāo)準(zhǔn)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。
同時(shí),Emerson 無線儀表系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備符合中華人民共和國無線電管理規(guī)定和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),擁有無線電發(fā)射設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)證,即符合工信部無 〔2005〕423 號(hào)文件 《微功率 ( 短距離) 無線電設(shè)備的技術(shù)要求》的規(guī)定。
(3) 無線 HART 儀表易于使用。
Emerson 智能無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)通信的高可靠性和現(xiàn)場(chǎng)快速安裝及使用,F(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備同有線 HART 智能設(shè)備的安裝方式相同,無須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行額外培訓(xùn)。智能無線設(shè)備為 HART 設(shè)備 ( 見圖 2) ,可以通過標(biāo)準(zhǔn)的 HART 手操器完成無線儀表初始設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí) ( Network ID) 和握手密碼 ( Join Key)的 安 全 設(shè) 置,確 保 網(wǎng) 絡(luò) 安 全; 于 標(biāo) 準(zhǔn) 的HART 協(xié)議,無線儀表提供包括 PV、SV、TV、QV 四個(gè)過程參數(shù)及參數(shù)狀態(tài)信息,并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電電池電量參數(shù)。選擇 LCD 表頭,可以實(shí)時(shí)觀察無線設(shè)備在線狀態(tài)及過程參數(shù)。
1. 3. 2 與主機(jī)系統(tǒng)通信的第二層無線網(wǎng)絡(luò)
(1) 通用標(biāo)準(zhǔn)接口可以與主流控制系統(tǒng)無縫連接。
現(xiàn)場(chǎng)無線儀表的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)集成到主機(jī)系統(tǒng) ( 如 DCS、PLC、HMI 工作站) 中。采用遠(yuǎn)程天線至室外的方法,網(wǎng)關(guān)可安裝在戶外,也可以安裝在室內(nèi)?商峁┒喾N通信接口與不同主機(jī)系統(tǒng)連接,多種標(biāo)準(zhǔn)接口見圖 3。通信接口支持以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn) ( Ethernet10baseT) ,以實(shí)現(xiàn)與主機(jī)系統(tǒng)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(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信連接。
網(wǎng)關(guān)預(yù)置了 Modbus RTU 兩線制 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(yuǎn)距離不超過 1 500 m。
(2) 方便有效的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和管理平臺(tái)。
現(xiàn)場(chǎng)可以同時(shí)安裝多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò),分別由各自的網(wǎng)關(guān)管理。每個(gè)網(wǎng)關(guān)管理的無線網(wǎng)絡(luò)連接#多 99 臺(tái)設(shè)備,網(wǎng)關(guān)支持冗余配置。網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)如圖 4 所示。
Emerson 無線儀表系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不需要廠商專用的軟件工具,采用標(biāo)準(zhǔn)的 IE 瀏覽器即可對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)配置、無線網(wǎng)絡(luò)通信診斷、多變量過程參數(shù)顯示、與上位控制系統(tǒng)連接等功能。為了實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)智能設(shè)備一體化管理的理念,該無線系統(tǒng)和設(shè)備無縫集成到有線 HART 儀表管理平臺(tái)中,建立統(tǒng)一的智能設(shè)備數(shù)據(jù)庫。無線設(shè)備發(fā)生故障時(shí),會(huì)在DCS 操作員及 AMS 終端站上報(bào)警,提醒維護(hù)人員。
為了保障通信可靠、設(shè)計(jì)方便及有效性,Emerson 提供無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工具,以便用戶驗(yàn)證和優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的布置。該工具支持圖形化拖拉方式實(shí)現(xiàn)儀表和網(wǎng)關(guān)的三維布置,能自動(dòng)分析無線通信的冗余狀態(tài),并能實(shí)時(shí)顯示實(shí)際運(yùn)行的無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),包括: 無線儀表的通信健康性、過程參數(shù)、電池電量等。
1. 3. 3 智能無線適配器 THUM775
許多工廠有成百上千臺(tái) HART 儀表,這些儀表包含了豐富的診斷和過程信息。然而,利用傳統(tǒng)有線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 開發(fā)的智能無線適配器 THUM775 是專門為已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的有線 HART 設(shè)備的適配器。使用無線適配器 THUM775,可簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)地獲取智能信息。有了這些預(yù)測(cè)性診斷信息,工廠可消除大量的監(jiān)測(cè)盲點(diǎn),可以在設(shè)備發(fā)生故障之前解決很多問題,生產(chǎn)率也能提高。THUM775擁有本安認(rèn)證,可以與任何設(shè)備匹配。它的工作原理是使用無線 HART 技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),包括無線發(fā)射器、無線接收器、微處理器和天線。THUM775 接入設(shè)備上的標(biāo)準(zhǔn)電氣接口獲得回路供電,獲取 HART 信息而不影響設(shè)備原先的模擬信號(hào)。這些信息由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)如同一個(gè)有線多路轉(zhuǎn)換器將設(shè)備信息傳至控制室。3051變送器和 THUM 無線適配器如圖 5 所示。
2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
為完善水平衡管理,完成減排目標(biāo),鎮(zhèn)江電廠啟動(dòng)廢水零排放工程。根據(jù)鎮(zhèn)江電廠的實(shí)際情況,新建 20 m3 / h 的精處理低鹽廢水處理系統(tǒng)、40 m3 / h 含煤廢水處理系統(tǒng)、5 m3 / h 的 含油廢水處理系統(tǒng)、26 m3 / h 末端廢水處理系統(tǒng)各一套。還對(duì)原生活污水處理系統(tǒng)、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(tǒng)、全廠污泥處理系統(tǒng) ( 不含末端廢水處理系統(tǒng)污泥) 、全廠雨水收集回用、排水系統(tǒng)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(tǒng)增加相關(guān)的關(guān)口計(jì)量?jī)x表,并對(duì)各測(cè)點(diǎn)的流量等信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算。
鎮(zhèn)江電廠煤水廢水處理裝置與脫硫廢水處理系統(tǒng)距離上千米,與循環(huán)水、雨水等出水口距離更遠(yuǎn)。這些遠(yuǎn)程測(cè)量點(diǎn)非常分散,而且面廣。如采用有線方式,需敷設(shè)大量電纜,搭建大量橋架。許多橋架須穿越道路,必須搭設(shè)過頂天橋,并在各個(gè)廢水處理點(diǎn)新建電子間放置新增測(cè)點(diǎn)機(jī)柜。工程量非常巨大,工程周期較長。采用無線技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,在新增的測(cè)點(diǎn)上采用無線流量計(jì)等測(cè)量?jī)x表,將采集數(shù)據(jù)通過無線方式傳送至安裝在現(xiàn)場(chǎng)的無線網(wǎng)關(guān),通過以太網(wǎng) Modbus TCP / IP 將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)接入就近水處理系統(tǒng)的控制柜的網(wǎng)絡(luò)通信交換機(jī),再送至上位機(jī)。WirelessHART 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到我廠優(yōu)勢(shì)非常明顯。
無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。
現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)布局如圖7 所示。
我廠現(xiàn)場(chǎng)使用的變送器大 部 分 采 用Emerson3051系列產(chǎn)品,可以通過 THUM775 無 線 適 配器進(jìn)行無線化升級(jí),以#小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)無線通信。
WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)可以#大程度地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的統(tǒng)一性和兼容性,減少產(chǎn)品升級(jí)帶來的額外費(fèi)用。
在需要增加的測(cè)點(diǎn)安裝一體化 3051SFA或 3051SFC ( 多孔孔板) 無線流量計(jì),在現(xiàn)場(chǎng)顯示流量,流量信號(hào)通過無線 HART 方式發(fā)送給 1552WU 無線網(wǎng)關(guān),F(xiàn)場(chǎng)共分 4 塊區(qū)域: 工業(yè)水 系 統(tǒng) ( 共 10 臺(tái)) 、脫 硫 水 系 統(tǒng) ( 共 4 臺(tái)) 、除灰渣系統(tǒng)及輸煤水系統(tǒng) ( 共 9 臺(tái)) 、生消水系統(tǒng) ( 共 9 臺(tái)) 。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,暫時(shí)配置 4 臺(tái) 1552WU 無線網(wǎng)關(guān),以保證現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。也可以采用中繼器減少網(wǎng)關(guān)數(shù)量。后續(xù)增加測(cè)點(diǎn)無須再增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量,就近接入相應(yīng)網(wǎng)關(guān)即可。各 無 線 網(wǎng) 關(guān)用水系統(tǒng)的無線流量計(jì)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(jī)接入端口,其余 3 個(gè)網(wǎng)關(guān)分散在較遠(yuǎn)區(qū)域以接入較近的流量計(jì)信號(hào)。網(wǎng)關(guān)之間通過 wifi 信號(hào)進(jìn)行橋接通信。主網(wǎng)關(guān)集中了所有現(xiàn)場(chǎng)流量數(shù)據(jù),并通過以太網(wǎng) Modbus TCP / IP 送到上位機(jī)計(jì)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(jī) 連 接,主 要 有 Modbus RS485,Modbus TCP / IP 或 OPC。熱網(wǎng)人機(jī)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(shè)置數(shù)據(jù)處理工控機(jī),采用成熟組態(tài)畫面,方便人員操作、記錄并自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表。上位機(jī)具備如下功能:
(1) 整體水流量全場(chǎng)概覽圖,每個(gè)計(jì)量點(diǎn)能清晰體現(xiàn)。
(2) 數(shù)據(jù)報(bào)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(shù)據(jù)記錄: 運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常情況 ( 4 ~ 20 mA 斷線,無線信號(hào)強(qiáng)度減弱,無線裝置電池能量狀態(tài)) 可自行診斷; 對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù) ( 運(yùn)行時(shí)間、過程參數(shù)累計(jì)統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警等) 實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警實(shí)時(shí)顯示功能。
(4) 測(cè)量點(diǎn)具備相應(yīng)擴(kuò)展增加的功能。
(5) 水平衡管理系統(tǒng)安裝有相應(yīng)的儀表管理軟件系統(tǒng),能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和管理,包括量程,報(bào)警參數(shù)的設(shè)定,儀表遠(yuǎn)程校驗(yàn)等。
(6) 具 備 人 機(jī) 界 面 ( HMI) 交 互 功 能,在中心控制室,能設(shè)定人機(jī)界面 ( HMI) 儀表的量程、報(bào)警參數(shù),對(duì)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程校驗(yàn),顯示儀表的各種運(yùn)行狀態(tài)信息。
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