無線遙控技術(shù)在發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭 琳，魏 靜

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

輸煤程控系統(tǒng)是火力發(fā)電廠輔助車間的主要控制系統(tǒng)之一，目前國(guó)內(nèi)大部分電廠的輸煤控制站和輸煤最前端的斗輪機(jī)PLC之間的信號(hào)傳輸還是通過有線通訊方式實(shí)現(xiàn)的，但斗輪機(jī)需要隨時(shí)改變?nèi)∶何恢?，?jīng)常出現(xiàn)斗輪機(jī)控制信號(hào)線拉斷等故障，嚴(yán)重影響機(jī)組上煤。斗輪機(jī)的控制一直是發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)輸煤程控的難題，用傳統(tǒng)有線連接，由于控制電纜與動(dòng)力電纜平行距離過長(zhǎng)，控制信號(hào)經(jīng)常受到干擾，使設(shè)備不能正常運(yùn)行。近年來，隨著無線通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得斗輪機(jī)的遠(yuǎn)方控制有了新的途徑，通過無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)的遠(yuǎn)方控制。利用無線數(shù)傳電臺(tái)與輸煤控制室中的輸煤程控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)與輸煤皮帶的運(yùn)行聯(lián)鎖，同時(shí)在控制室的上位機(jī)上可對(duì)斗輪機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。

1 無線數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)

1.1 無線數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)背景

無線數(shù)傳電臺(tái)是目前工業(yè)控制領(lǐng)域的主要無線傳輸手段。無線數(shù)傳電臺(tái)是數(shù)字式無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)的簡(jiǎn)稱，其采用數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)，利用現(xiàn)有的超短波無線信道實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。這種來源于軍事無線通訊技術(shù)的產(chǎn)品，抗干擾和保密性均非常強(qiáng)，通過數(shù)傳電臺(tái)構(gòu)建可靠穩(wěn)定的無線鏈路，完全可以滿足電廠PLC控制系統(tǒng)之間通訊實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、穩(wěn)定性的控制要求。

目前無線數(shù)傳電臺(tái)以工作頻率劃分為433 MHz、868 MHz、900 MHz、2.4 GHz 擴(kuò)頻， 其中 868 MHz、900 MHz分別為歐洲和美國(guó)使用的頻段，非我國(guó)合法使用頻段。433 MHz、2.4 GHz擴(kuò)頻在我國(guó)是規(guī)定工業(yè)使用頻段，其中433 MHz需要辦理無線電使用許可證，而2.4 GHz為全球范圍內(nèi)免許可證頻段［1］。但433 MHz頻段的窄帶通訊對(duì)煤場(chǎng)惡劣的電磁環(huán)境不適應(yīng)，對(duì)多種干擾沒有抑制能力；誤碼率高、通訊質(zhì)量差；數(shù)據(jù)傳輸速率很低（最高9 600 bps）。而2.4 GHz頻段的跳頻／擴(kuò)頻通訊對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)得，對(duì)多種干擾有很好的抑制能力；2.4 GHz頻段數(shù)傳電臺(tái)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率256 kbps，較433 MHz頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率快27倍?？紤]到發(fā)電廠輸煤程控系統(tǒng)無線通訊數(shù)據(jù)量并不大，確定采用2.4GHz跳頻擴(kuò)頻技術(shù)作為輸煤系統(tǒng)PLC之間無線通訊的物理層平臺(tái)，滿足無線通訊數(shù)據(jù)吞吐量。

1.2 無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)

目前工業(yè)應(yīng)用中較為成熟的無線數(shù)傳電臺(tái)，按其與上位機(jī)、PLC等數(shù)據(jù)終端的物理連接接口分，主要分兩大類［2］：串口無線數(shù)傳電臺(tái)和無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)。串口無線數(shù)傳電臺(tái)主要用于帶有RS232、RS485標(biāo)準(zhǔn)接口的上位機(jī)、PLC等設(shè)備之間的無線通訊，而無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)主要用于帶有RJ45標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的上位機(jī)、PLC（含交換機(jī)）等數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的無線通訊。無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)可以連接兩段以太網(wǎng)或多個(gè)從PLC以太網(wǎng)通訊節(jié)點(diǎn)到一個(gè)主PLC以太網(wǎng)。通過查閱大量專業(yè)資料和應(yīng)用調(diào)研，表明無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)較串口無線數(shù)傳電臺(tái)的組網(wǎng)更容易，且無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸速率更快。結(jié)合發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)的實(shí)際需要，本文將重點(diǎn)介紹無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用方案。

無線以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可分為802.1a、802.11b、802.11 g等，這幾種無線協(xié)議均由802.11演變而來。無線以太網(wǎng)中802.11a工作在5.4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最高54 MB／s，主要用在遠(yuǎn)距離的民用、商業(yè)無線連接。802.11 b工作在2.4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最高11 MB／s，逐步被淘汰。802.11 g工作在2.4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最高54 MB／s。最新的無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)802.11 n目前還不成熟，數(shù)據(jù)傳輸速率最高速達(dá)到300 MB／s。而火電廠斗輪機(jī)程控一般的I／O點(diǎn)數(shù)最多200點(diǎn)左右，且基本都是開關(guān)量信號(hào)，速率在20 kB／s就足以滿足無線通訊要求，因此無線工業(yè)以太網(wǎng)802.11 g完全能滿足通信速度的要求。

2 無線數(shù)傳電臺(tái)的應(yīng)用方案

對(duì)于某發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)斗輪機(jī)無線控制方案中，無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)通訊采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊模式，通訊系統(tǒng)由1臺(tái)無線通訊主站與3臺(tái)從站組成，即分別在輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)站PLC和3臺(tái)斗輪機(jī)PLC從站上配置無線通訊裝置。無線通訊裝置分別通過雙絞線連接到各個(gè)PLC上的以太網(wǎng)通訊模塊，這樣，輸煤轉(zhuǎn)運(yùn)站PLC和斗輪機(jī)上PLC通過1對(duì)3的主從無線網(wǎng)絡(luò)直接連接起來，無線控制系統(tǒng)配置方案圖如圖1所示。

圖1 斗輪機(jī)無線控制系統(tǒng)配置方案圖

斗輪機(jī)無線通訊應(yīng)用的方案中，首先輸煤PLC主站側(cè)的數(shù)傳電臺(tái)設(shè)置為主站，各斗輪機(jī)PLC側(cè)的數(shù)傳電臺(tái)為從站，對(duì)主站和從站設(shè)置為唯一地址，各個(gè)地址就代表每個(gè)PLC站的身份。主站采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)，從站需要全部接收，之后將接收到的地址碼與本地地址碼進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果相同，則證明數(shù)據(jù)是給本地的。從站根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同的響應(yīng)，并將響應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送回去。如果比較結(jié)果不同，則將數(shù)據(jù)全部去掉，不做任何響應(yīng)。這就實(shí)現(xiàn)了輸煤PLC主站和各斗輪機(jī)PLC之間的準(zhǔn)確通信。

無線控制斗輪機(jī)啟停的工作流程：輸煤程控系統(tǒng)發(fā)啟停指令送到輸煤PLC主站，輸煤PLC主站將數(shù)據(jù)打包為TCP／IP數(shù)據(jù)幀經(jīng)以太網(wǎng)通訊接口送至數(shù)傳電臺(tái)主機(jī)，數(shù)傳電臺(tái)主機(jī)再通過無線鏈路將數(shù)據(jù)送至斗輪機(jī)PLC站側(cè)的數(shù)傳電臺(tái)從機(jī)。數(shù)傳電臺(tái)接收數(shù)據(jù)后，將其寫入到斗輪機(jī)PLC站指定的寄存器，寫入的數(shù)據(jù)再經(jīng)斗輪機(jī)PLC從站輸出通道送到斗輪機(jī)控制回路，斗輪機(jī)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)或停機(jī)。

斗輪機(jī)就地狀態(tài)信號(hào)反饋工作流程：斗輪機(jī)啟動(dòng)／停機(jī)狀態(tài)信號(hào)送到通訊控制斗輪機(jī)PLC從站的輸入通道。當(dāng)輸煤PLC主站發(fā)來數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，通訊控制斗輪機(jī)PLC從站將數(shù)據(jù)打包為TCP／IP數(shù)據(jù)幀經(jīng)以太網(wǎng)通訊接口送至斗輪機(jī)PLC站側(cè)的數(shù)傳電臺(tái)從機(jī)，數(shù)傳電臺(tái)從機(jī)通過無線鏈路將數(shù)據(jù)送至數(shù)傳電臺(tái)主機(jī)。數(shù)傳電臺(tái)主機(jī)經(jīng)以太網(wǎng)通訊接口將數(shù)據(jù)傳送給輸煤PLC主站，輸煤PLC主站接收數(shù)據(jù)到指定的寄存器，再?gòu)闹付ǖ募拇嫫髯x出狀態(tài)，將狀態(tài)信號(hào)經(jīng)輸煤PLC主站的輸出通道送到輸煤程控系統(tǒng)，輸煤程控系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警、聯(lián)鎖。

3 實(shí)時(shí)性及可靠性的解決辦法

3.1 實(shí)時(shí)性的解決辦法

為了滿足無線數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制要求，斗輪機(jī)無線控制系統(tǒng)通訊周期采用380 ms。當(dāng)有斗輪機(jī)PLC開關(guān)量信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，斗輪機(jī)PLC把采集的數(shù)據(jù)打包后立即通過數(shù)傳電臺(tái)從站發(fā)送到數(shù)傳電臺(tái)主站。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，在打包時(shí)，采用檢錯(cuò)能力較強(qiáng)的CRC校驗(yàn)［2］。在輸煤主站PLC收到數(shù)據(jù)包之后，即刻對(duì)其進(jìn)行解包，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到PLC開關(guān)量控制卡，使相關(guān)的位強(qiáng)置為1或復(fù)位為0，最終控制繼電器輸出動(dòng)作去控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。發(fā)送方收到接收方的應(yīng)答包時(shí)，才認(rèn)為發(fā)送成功。一次通訊時(shí)間為發(fā)送方采集數(shù)據(jù)時(shí)間+電臺(tái)數(shù)據(jù)循環(huán)時(shí)間+接受方數(shù)據(jù)處理時(shí)間+接受方發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)答包時(shí)間+發(fā)送方接受應(yīng)答包時(shí)間，即40 ms+10 ms+40 ms+40 ms+40 ms=170 ms。再加上計(jì)算延時(shí)10 ms和發(fā)送方超時(shí)等待時(shí)間200 ms，總的通訊時(shí)間為380 ms。由于斗輪機(jī)與輸煤皮帶之間的聯(lián)鎖信號(hào)對(duì)時(shí)間的要求并不是很苛刻，數(shù)傳電臺(tái)可以滿足控制信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

3.2 可靠性的解決辦法

設(shè)計(jì)斷電報(bào)錯(cuò)程序與上電告知程序，共同實(shí)現(xiàn)各斗輪機(jī)數(shù)傳電臺(tái)從站與輸煤主站數(shù)傳電臺(tái)主站之間通信狀態(tài)的協(xié)調(diào)。當(dāng)本站斷電后，由UPS電源維持系統(tǒng)繼續(xù)工作半小時(shí)，在這段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)執(zhí)行斷電報(bào)錯(cuò)程序。斷電使PLC某一輸入點(diǎn)復(fù)位，此時(shí)本站PLC判斷系統(tǒng)斷電并向?qū)Ψ秸景l(fā)送斷電信號(hào)。對(duì)方站在收到本站發(fā)來的斷電信號(hào)后，向本站發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)入故障狀態(tài)。在收到對(duì)方站發(fā)回的響應(yīng)信號(hào)之前，本站連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)直至超時(shí)結(jié)束。

如果發(fā)送方?jīng)]有收到應(yīng)答包，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)重復(fù)發(fā)送。如果一直沒有收到應(yīng)答包，說明系統(tǒng)已經(jīng)無法運(yùn)作，如數(shù)傳電臺(tái)電源喪失或?qū)Ψ綌?shù)據(jù)處理控制單元沒有開啟等不可恢復(fù)的錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提示人工解決問題。在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，輸煤數(shù)傳電臺(tái)主站每隔一定時(shí)間向斗輪機(jī)電臺(tái)從站發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

設(shè)計(jì)定時(shí)檢測(cè)通訊故障程序，本系統(tǒng)每半分鐘自動(dòng)檢查通訊是否正常。為避免沖突，由輸煤數(shù)傳電臺(tái)主站計(jì)時(shí)并發(fā)出定時(shí)發(fā)送信號(hào)，當(dāng)斗輪機(jī)數(shù)傳電臺(tái)從站收到此信號(hào)后立即回復(fù)響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。否則，向?qū)Ψ秸景l(fā)送響應(yīng)信號(hào)，并等待對(duì)方站的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng)進(jìn)入通訊故障狀態(tài)后，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行故障處理程序，將顯示PLC某輸出點(diǎn)置位，并將其他開關(guān)量輸出點(diǎn)復(fù)位。在故障狀態(tài)被復(fù)位之前，禁止所有開關(guān)量輸出點(diǎn)改變其狀態(tài)。為了防止故障復(fù)位操作按鈕失靈，程序上設(shè)定兩次復(fù)位操作的時(shí)間間隔大于5 s。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，輸煤系統(tǒng)的斗輪機(jī)控制系統(tǒng)大都是有線控制方式，而串口無線數(shù)傳電臺(tái)和無線以太網(wǎng)數(shù)傳電臺(tái)無線通訊方案，目前在斗輪機(jī)遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)中均已經(jīng)有成功的應(yīng)用案例。采用無線通訊控制裝置不僅節(jié)約了大量用于連接斗輪機(jī)、輸煤控制站之間的通訊電纜及控制電纜，而且提高了工程作業(yè)效率，降低了施工難度。尤其是代替了頻繁伸縮容易斷芯的滑動(dòng)控制電纜，徹底解決了有線控制電纜與動(dòng)力電纜不能完全分開的難題，極大提高了輸煤控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖穩(wěn)定性。

斗輪機(jī)以無線通訊方式納入輸煤程控系統(tǒng)，完全滿足生產(chǎn)要求，提高了輸煤程控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，具有良好的推廣價(jià)值。對(duì)電廠其他敷設(shè)電纜難度較大的輔助車間，常規(guī)有線通訊系統(tǒng)代替為無線通訊控制具有參考借鑒意義。

［1］ 滿寶剛．無線控制技術(shù)在斗輪堆取料機(jī)聯(lián)鎖中的應(yīng)用［J］．科技資訊，2015（19）：47-48．

［2］ 王彩琴，陳鐵軍，曲波．無線傳輸技術(shù)在綜合原料場(chǎng)的應(yīng)用［J］．冶金動(dòng)力，2008，127（3）：76-78．