無線網(wǎng)絡通信在熱力站控制中的應用

孟 磊

(太原市熱力公司東山分公司，山西 太原 030013)

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無線網(wǎng)絡通信在熱力站控制中的應用

孟 磊

(太原市熱力公司東山分公司，山西 太原 030013)

以太原市熱力公司東山分公司的供熱區(qū)域為例，介紹了無線移動通信系統(tǒng)的定義及其優(yōu)缺點，闡述了其在熱力站控制中的實現(xiàn)過程，并分析了其在熱力站遠程控制中的實際意義及優(yōu)缺點，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

熱力站，無線通信，集中供熱，DTU

0 引言

目前我國對于環(huán)境保護越來越重視，尤其是中國北方城市，冬季的取暖與環(huán)境保護之間的矛盾日益突出，因此在城市供熱方式中主要使用集中供熱，其不僅可以有效的提高能源的利用率而且還可以節(jié)約能源，同時降低粉塵和空氣污染。

在集中供熱中熱源通常由大型燃煤或燃氣熱源廠和熱電廠等熱源提供，從熱源出來的高溫水經(jīng)由一次熱網(wǎng)管道進入熱力站換熱器進行二次換熱后提供給用戶供熱。熱力站內(nèi)的自控系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)站內(nèi)各項運行參數(shù)進行自動或手動來調(diào)節(jié)供熱溫度。站內(nèi)現(xiàn)場設備連接到自控系統(tǒng)中的PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)，然后使用通訊線路或無線信號與中控室計算機連接，同時站內(nèi)的運行參數(shù)傳回中控室進行集中控制，對熱源進行調(diào)配，更加有效的利用能源。

太原市熱力公司東山分公司的供熱區(qū)域為建設路以東，東峰路以西，南至長風街北至北中環(huán)的范圍內(nèi)，覆蓋供熱面積約為1 500萬m2，共建熱力站200余座，熱源主要為東山熱源廠內(nèi)3臺燃煤鍋爐和華能熱電廠所提供的熱源。熱力站自控系統(tǒng)的各項現(xiàn)場儀表參數(shù)和控制信號需要傳回分公司中控室進行分析，并對熱力站進行遠程控制。熱力站最初使用有線連接，自行敷設專線和電話撥號網(wǎng)絡與分公司中控室計算機通訊。在使用過程中，熱力站分布范圍廣，并且與中控室相距較遠，專線線路情況復雜，信號經(jīng)常受到干擾或線路人為損壞斷線等情況，使用電話撥號網(wǎng)絡，中控室與熱力站進行點對點撥號建立數(shù)據(jù)鏈路，并且中控室需要申請和熱力站數(shù)量相同的電話線，擴展繁瑣不易維護，而且容易掉線，因此站內(nèi)自控系統(tǒng)與中控室控制系統(tǒng)連接非常不穩(wěn)定，造成熱力站自控系統(tǒng)離線，無法在遠端查看站內(nèi)運行參數(shù)且無法對其進行調(diào)節(jié)，無法達到供熱網(wǎng)全面平衡調(diào)節(jié)對通訊系統(tǒng)的要求。

熱力站與中控室之間的通訊在城市集中供熱過程中是非常重要的一個環(huán)節(jié)，因此為解決站內(nèi)通訊問題淘汰使用自行敷設專線和撥號上網(wǎng)落后的通訊方式，使用移動通訊網(wǎng)絡作為通訊方式。

1 無線移動通信系統(tǒng)的簡介及其優(yōu)缺點

蜂窩移動通信系統(tǒng)，即移動通信，由于其信號所覆蓋的區(qū)域劃分成一個個小區(qū)，呈六邊形狀分布，也可以是其他形狀如正方形、多邊形等其他形狀。這些小區(qū)中都有對應的基站發(fā)射與接收無線信號。移動通信系統(tǒng)由第一代(1G)只能打電話的模擬系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在可以提供多種數(shù)據(jù)通信的數(shù)字式第四代(4G)移動通訊網(wǎng)絡，而且已經(jīng)開始向更加先進的第五代(5G)通信系統(tǒng)邁進。使用移動通信系統(tǒng)作為通訊手段主要有以下幾個方面原因：

1)網(wǎng)絡覆蓋廣且非常穩(wěn)定。

在中國有三大移動運營商，分別是中國移動、中國聯(lián)通和中國電信。通信公司在中國各大小城市中基本上網(wǎng)絡完全覆蓋，并且非常穩(wěn)定極少出現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡中斷情況。通信公司各自獨立運營其移動通訊網(wǎng)絡，目前已經(jīng)發(fā)展到第四代移動通訊系統(tǒng)(4G)，較之第二代移動通訊系統(tǒng)(2G)所提供的帶寬有了很大的提高，但是由于4G網(wǎng)絡還處于發(fā)展和建設的階段，其覆蓋率和設備支持情況較2G網(wǎng)絡還有一定的差距。

2)GPRS(General Packet Radio Service)，通用分組無線服務技術的簡稱，是GSM移動電話的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務；CDMA(Code Division Multiple Acces)碼分多址，另一種移動通信所使用的技術方式，具有信號好和安全性高的特點。無線移動通信提供端到端的、廣域網(wǎng)的無線連接，以封包的方式來傳輸。移動運營商收取費用是按照具體傳輸內(nèi)容的多少計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜?？筛鶕?jù)實際情況選擇使用GPRS或CDMA其中一種作為通信方式。

3)使用第二代無線通信作為通訊方式完全滿足站內(nèi)通訊需要。

在國內(nèi)，移動通訊網(wǎng)絡主要指的是移動、聯(lián)通、電信所提三個公司所運營的GPRS,CDMA,TD-SCDMA,CDMA2000,WCDMA,TD-LTE,FDD-LTE等網(wǎng)絡，其中GPRS,CDMA屬于2G網(wǎng)絡；TD-SCDMA,CDMA2000,WCDMA屬于3G網(wǎng)絡；TD-LTE,FDD-LTE為4G網(wǎng)絡，其中數(shù)據(jù)傳輸速度2G<3G<4G，由于4G網(wǎng)絡還在發(fā)展建設當中，其網(wǎng)絡覆蓋范圍沒有2G網(wǎng)絡覆蓋廣。在實際使用中，熱力站與中控室通訊所發(fā)送數(shù)據(jù)容量很小，并不需要很大的帶寬，綜合考慮各方面故使用網(wǎng)絡覆蓋最廣和最成熟的第二代移動通訊系統(tǒng)GPRS,CDMA網(wǎng)絡即可滿足站內(nèi)通訊需求。

4)提供多數(shù)設備同時在線，由于移動通信網(wǎng)絡是面對公眾所使用的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，其可提供數(shù)量龐大的設備同時在線，完全滿足熱力站未來的發(fā)展需求。

如表1所示為各通信公司所運行的網(wǎng)絡能提供的理論和實際帶寬。

2 無線通信在熱力站控制中的實現(xiàn)過程

DTU(Data Transfer Unit)數(shù)據(jù)傳輸單元是構成遠程無線數(shù)據(jù)通訊控制系統(tǒng)的重要設備，其主要作用就是為自動化控制系統(tǒng)的串口設備與遠程中控室控制電腦之間建立數(shù)據(jù)通道。DTU提供串行數(shù)據(jù)接口，站內(nèi)的設備如溫度變送器，壓力變送器，電動控制閥等換熱站內(nèi)的設備連接到自控設備PLC，然后PLC通過DTU的串口與運營商的移動網(wǎng)絡接入Internet(國際互聯(lián)網(wǎng))。中控室控制主機需要架設一條專線連接至Internet。因為中控室需要接收所有熱力站發(fā)出的數(shù)據(jù)并下達指令，為保證傳輸過程中數(shù)據(jù)不至于擁堵，所以無法繼續(xù)使用無線數(shù)據(jù)傳輸。由于中控室的控制主機和站內(nèi)自控系統(tǒng)同時接入網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，從而可以實現(xiàn)熱力站的遠程控制。

表1 各通信公司所運行的網(wǎng)絡能提供的理論和實際帶寬

DTU的內(nèi)部封裝了TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，又名網(wǎng)絡通訊協(xié)議)協(xié)議，并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，從硬件上，它可看作是一臺嵌入式計算機系統(tǒng)與無線GPRS或CDMA Modem(調(diào)制解調(diào)器)的結合，它同時具有撥號上網(wǎng)以及通過TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)通信的功能。DTU提供了串行通信接口RS232等常用的串行通信方式，并且DTU使用“透明轉(zhuǎn)換”的方式傳輸串口數(shù)據(jù)，通俗的講，通過DTU可以將串口上接收到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)打包進行傳送，不需要改變原有的數(shù)據(jù)內(nèi)容，中間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收過程就像透明不存在一樣。因此，DTU可以和多種使用串口RS232的通信設備進行連接，而且不需要對站內(nèi)原有設備進行改動，只需添加通訊設備DTU即可完成熱力站改造，方便快捷節(jié)省費用。

GPRS,CDMA第二代通信網(wǎng)絡的優(yōu)點之一就是支持終端設備永久在線。DTU上電自動開始撥號上網(wǎng)，其采用心跳包的方式保持永久在線。當長時間沒有數(shù)據(jù)通信時，移動通信網(wǎng)絡將斷開與DTU的連接，心跳包就是DTU與中控室數(shù)據(jù)中心在連接被斷開前按照一設定好的間隔發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開，并且當數(shù)據(jù)鏈路斷開時可以自動重連、自動重撥號，確保設備永久在線。

圖1為DTU的工作流程。

在中控室的改造當中，原來的控制計算機需要連接到Internet網(wǎng)絡，通常情況下，凡具有網(wǎng)絡接入的且可以上互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境，都可以成為中控室架設服務器。在這里可以向移動通信運營商申請一條具有固定IP(Internet Protocol Address，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址)地址的數(shù)據(jù)專線，建立物理連接。監(jiān)控組態(tài)軟件的通訊模塊可以根據(jù)情況使用TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)或UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)網(wǎng)絡協(xié)議進行通訊，也可以是讀取串口的軟件，都可以與DTU連接，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

3 無線移動通信在熱力站遠程控制中的實際意義及優(yōu)點

1)信號穩(wěn)定，通過使用DTU替代過去使用有線的通訊方式，有效的解決站內(nèi)通訊不穩(wěn)定和斷網(wǎng)的問題；

2)無線移動通信網(wǎng)絡覆蓋廣，省去布線等環(huán)節(jié)，可以有效的減少資金投入，降低站內(nèi)運營成本；

3)數(shù)據(jù)傳輸帶寬高，現(xiàn)階段無線移動通信提供的網(wǎng)絡帶寬可以很好的滿足熱力站通訊所需，同時無線移動通信發(fā)展迅速，更快的4G無線移動通信網(wǎng)絡在逐漸的普及當中，不僅網(wǎng)絡速度會更快，而且使用費用會越來越低；

4)良好的實時響應與處理能力，由于無線移動通信實時在線，滿足熱力站進行實時通訊；

5)站內(nèi)改造方便，通過使用GPRS DTU通訊設備，不需要對原有自控系統(tǒng)進行改動，只需添加通訊設備DTU與PLC進行連接即可完成站內(nèi)改造，省去改造自控系統(tǒng)和線路的環(huán)節(jié)，有效的節(jié)省改造費用；

6)網(wǎng)絡支持的設備總體數(shù)量多，即無線移動通信所提供很多設備同時在線，可以滿足站內(nèi)大規(guī)模通訊需要。

4 無線移動通訊的不足之處

由無線電波的特性可知，電磁波容易受干擾，某些情況下電磁波無法穿透一些物體，如金屬，鋼筋混凝土的墻壁等，因此移動通信網(wǎng)絡也有網(wǎng)絡無法覆蓋到的情況，可以向通信服務商申請安裝信號放大器進行解決，同時淘汰落后的電話撥號網(wǎng)絡，升級為光纖固定寬帶，無線和有線通信相結合，使站內(nèi)的通訊更加暢通。

On application of wireless network communication in thermal power station control

Meng Lei

(DongshanBranch,TaiyuanThermalPowerCompany,Taiyuan030013,China)

Taking the heat-supply regions by Dongshan Branch in Taiyuan Thermal Power Company as the example, the paper introduces the definition of the wireless mobile communication system, illustrates the realization of the control in the thermal power station, and analyzes the significance in the remote control, advantages and disadvantages, so as to realize the energy-saving and consumption reduction.

thermal power station, wireless communication, central heat-supply, DTU

1009-6825(2017)17-0117-02

2017-03-21

孟 磊(1983- )，男，助理工程師

TU995

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