廠外遠(yuǎn)程站無線技術(shù)的應(yīng)用探討

王川寧

摘 要：根據(jù)現(xiàn)有無線技術(shù)的內(nèi)容，結(jié)合錢清電廠補給水泵房無線應(yīng)用的經(jīng)驗，對常山補給水泵房的無線通訊可行方案進行探討。

關(guān)鍵詞：帶寬；冗余；可靠性 1 引言

隨著電廠自動化程度的不斷提高，對于遠(yuǎn)程站通常會采取無人值守的運行方式。對于遠(yuǎn)距離的控制站的連接，通常的做法是采用敷設(shè)光纜。但由于我方鎧裝光、電纜的埋地未在征地范圍內(nèi)，所以經(jīng)常遇到私自開挖的情況，雖然在光纜敷設(shè)期間都會做一定的保護，但還是難免會出現(xiàn)光纜會被挖斷的狀況。

2 工業(yè)無線通訊現(xiàn)狀

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能輕易覆蓋有線網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的地方，具有低成本、低能耗、高靈活性、擴展性強的特點，已經(jīng)成為繼現(xiàn)場總線后一個新的研究熱點。

2.1 近場無線通訊（傳輸范圍一般介于10～100m之間）：主要有ZigBee、無線HART等協(xié)議；ZigBee使用免執(zhí)照頻段， ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，工作在20～250kbps的速率；主要特點是低功耗、低成本、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度等。無線HART是專門為過程自動化設(shè)計的無線協(xié)議，向后兼容HART設(shè)備和應(yīng)用，工作在2.4GHz射頻頻段，采用安全穩(wěn)健的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)速率：250KBPS，發(fā)射功率：10dBm。

2.2 遠(yuǎn)程通訊（傳輸距離在300米以上）：電信運營商的無線通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案，現(xiàn)已發(fā)展到3G時代（包括聯(lián)通WCDMA、移動TD-SCDMA、電信CDMA2000）；同時，4G的LTE系列標(biāo)準(zhǔn)也將大規(guī)模應(yīng)用；電信運營商基站的可靠性也日益提高，一般采用平均無故障時間（MTBF）達20年的UPS供電，基站一般配比較有效的防雷擊措施，由雷擊引起故障的機率比較小。近場無線通訊擴展為遠(yuǎn)程通訊方案，ZigBee、無線HART、民用無線通訊（802.11a/b/g/n/ac協(xié)議）都可以通過將信號增益后發(fā)射，從而拓展了通訊距離。

3 課題探討的內(nèi)容

常山熱電的補給水泵房設(shè)置在常山港邊，離廠區(qū)圍墻的直線距離接近2公里，需同時敷設(shè)DCS、安防（電子圍欄）、場景監(jiān)視各系統(tǒng)總共四條鎧裝光纜?？紤]到這些光纜在同一的敷設(shè)通道內(nèi)，被同時順壞的可能性比較大，本課題主要根據(jù)現(xiàn)階段無線技術(shù)的實際情況，定出一個為光纜連通訊提供備用通訊的無線方案。

常山熱電的控制系統(tǒng)為一體化設(shè)計，均采用愛默生的OVATION DCS系統(tǒng)，廠外補給水泵房設(shè)立一個DCS機柜，通過兩條冗余的100Mbps單模光纖接入BOP DCS網(wǎng)絡(luò)柜。愛默生的Ovation系統(tǒng)支持多網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無線通訊形式可以比較輕松的融入這套系統(tǒng)中。

常山熱電補給水泵房IO清單

統(tǒng)計下來現(xiàn)用的IO點數(shù)總共為186點，和錢清電廠補給水泵房控制系統(tǒng)的點數(shù)和類型相近，所以常山補給水泵房控制系統(tǒng)的無線通訊可以借鑒錢清電廠補給水泵房無線方案。

由于電子圍欄的報警對帶寬的要求不高，而且很多產(chǎn)品都有現(xiàn)成的各運營商通訊模塊，可直接添加模塊實現(xiàn)狀態(tài)、報警信號的傳輸。

補給水泵房的場景監(jiān)視采用8臺720p的高清攝像機，接入就地的硬盤錄像機，對帶寬要求比較高，需要足夠帶寬的無線網(wǎng)絡(luò)做保證。

3.1 控制、安防與場景監(jiān)視的整體無線設(shè)計

3.1.1 借用電信運營商無線網(wǎng)絡(luò)的方案

由于場景監(jiān)視720p高清圖像生成的視頻碼率2Mbps左右，已是3G速率2Mbit/s的極限，所以本方案未將場景監(jiān)視考慮在內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場試驗，補給水泵房和廠內(nèi)的電信的3G信號相對較好，所以控制系統(tǒng)以電信的3G信號接入為優(yōu)先考慮。在補給水泵房DCS和化控室各設(shè)置兩臺互為冗余的工業(yè)級3G無線路由器，DCS側(cè)利用OVATION的備用OPC接口，化控室單獨設(shè)一臺雙網(wǎng)卡操作員站與路由器相連。電子圍欄的通訊添加移動或聯(lián)通通訊模塊，安保室內(nèi)的報警主機通過同運營商的3G網(wǎng)卡接受現(xiàn)場的狀態(tài)、報警信號。

方案優(yōu)點：1、對供電要求不高，無需配備單獨UPS電源，可借用場景監(jiān)視的UPS電源。2、運營商租金費用比較低，整體維護成本比較低。3、VPN網(wǎng)絡(luò)加密性不錯，不容易被破解，安全性可以滿足要求。

方案問題：1、通過internet連接場內(nèi)的控制系統(tǒng)，路由跳躍點較多，在操作員站LCD上的參數(shù)更新和操作都會有輕微的延遲（在現(xiàn)場用電信cdma2000無線網(wǎng)卡測試，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难舆t在5ms以上）。2、與民用無線終端設(shè)備搶帶寬的情況，會出現(xiàn)瞬時的帶寬不足情況，影響控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。3、會受到運營商檢修設(shè)備的影響。

該方案在錢清熱電廠的補給水泵房有實用先例，該泵房采用PLC控制，租用移動GPRS網(wǎng)絡(luò)與廠內(nèi)水網(wǎng)通訊，由于補給水泵房的IO點數(shù)不多，對控制響應(yīng)速度的要求并不高，基本能滿足控制要求。而本方案由于采用了3G網(wǎng)絡(luò)，帶寬相比GPRS（114Kbps）有提高，更能提高控制品質(zhì)，且為以后增加IO點預(yù)留了帶寬。

3.1.2 大功率天線方案

為降低無線傳輸?shù)闹本€距離，廠區(qū)內(nèi)和補給水泵房的無線收發(fā)天線設(shè)在圍墻上?？刂葡到y(tǒng)：無線收發(fā)天線通過光纜與化控室內(nèi)交換機連接，操作員站也掛在該交換機上；在補給水泵房內(nèi)，DCS通過一臺OVATION OPC光電轉(zhuǎn)換器，使用光纜與室外的收發(fā)天線連接。安防系統(tǒng)：依舊按添加運營商模塊的方案執(zhí)行。場景監(jiān)視系統(tǒng)：無線收發(fā)天線通過光纜與安保室內(nèi)交換機連接，視頻監(jiān)控站掛在交換機上，在補給水泵房內(nèi)，場景監(jiān)視的硬盤錄像機通過光電轉(zhuǎn)換器、光纜與室外的收發(fā)天線連接。為了降低地形對無線通訊的影響，至少選用可在3km距離上維持5Mbps的穩(wěn)定帶寬的大功率天線。為保證控制系統(tǒng)與場景監(jiān)視的無線傳輸互不干擾，控制系統(tǒng)使用2.4G頻率，場景監(jiān)視使用5G頻率。

方案優(yōu)點：1、通訊帶寬高，可以傳輸數(shù)字視頻信號。通訊延遲小，更有利于提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)。2、不受運營商檢修設(shè)備的影響。

方案問題：1、雖然天線布置區(qū)域有避雷措施，但還是有雷擊威脅。2、設(shè)備數(shù)量多，初期投資比較高，同時也增加了維護成本。3、需要為大功率收發(fā)天線配置單獨的電源。

3.2 方案選擇

從技術(shù)的成熟性和實用性上來考慮，建議選擇借用電信運營商無線網(wǎng)絡(luò)的方案，作為原DCS通訊模式的備用方案。此方案簡單易行，建設(shè)和使用成本都不高，以后可以隨著運營商技術(shù)的發(fā)展而不斷升級。

4 結(jié)束語

雖然無線技術(shù)有不少優(yōu)點，但由于其帶寬和可靠性的局限性，還無法大規(guī)模應(yīng)用。但隨著無線技術(shù)在帶寬和抗干擾性技術(shù)上的不斷提高，大規(guī)模應(yīng)用無線技術(shù)的控制系統(tǒng)將會越來越多。

參考文獻

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