無線通信系統(tǒng)在寧武選煤廠的應(yīng)用實踐

趙鵬杰

（潞安集團潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000）

1 概述

山西忻州市寧武縣寧武洗煤廠始建于2006年10月，2007年12月投產(chǎn)。位于山西省忻州市寧武縣境內(nèi)，是一個年設(shè)計洗選能力為450 Mt/a的大型現(xiàn)代化洗煤廠。為避免生產(chǎn)中產(chǎn)生的噪音和振動，集控中心與洗選設(shè)備一般分散放置，故集控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)主要依靠有線傳感器采集生產(chǎn)信息，匯總的信息通過有線信息電纜和數(shù)據(jù)交換機，進入選煤廠集中控制系統(tǒng)中心。寧武選煤廠現(xiàn)有的通信方式存在諸多問題：有線通信方式的建立必須架設(shè)電纜，或挖掘電纜溝，耗費大量的人力和物力；有線通訊的局限性太大，選煤廠設(shè)備多且分散，布線困難，對有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程具有極強的制約力；組建好一個通訊網(wǎng)絡(luò)之后，需要布置新的設(shè)備，采用有線通信，需要重新的布線，施工困難，且易破壞原有的通訊線路；當通信出現(xiàn)故障時，有線通訊的檢修需沿線路檢查，故障點無法及時找到。

由于無線網(wǎng)絡(luò)與自動化技術(shù)的日益革新，國內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)之中，推動著選煤廠朝著網(wǎng)絡(luò)智能化，全自動化發(fā)展［1］。國內(nèi)學(xué)者在無線通信技術(shù)應(yīng)用上展開了大量的研究，如張傳偉，張鵬［2］提出無線通信技術(shù)對于選煤廠通信系統(tǒng)的應(yīng)用思路；陳惠英，李祖欣［3］分析了目前無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展；陳震，郭楠等［4］分析了國內(nèi)選煤廠自動化技術(shù)現(xiàn)狀，并提出了發(fā)展方向，對于選煤廠無線技術(shù)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

為解決寧武洗煤廠存在的有線通信安全問題，采用無線通信技術(shù)，在原有集控系統(tǒng)的近距離有線通信的基礎(chǔ)上，增加了無線網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)了遠距離信息傳輸，可以有效地解決有線通信技術(shù)存在的弊端，有助于安全高效選煤廠的建設(shè)。

2 寧武洗煤廠無線通信系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線通信系分布式I/O ET200M分站與下位機控制中心S7-300PLC的信息橋介決定采用無線數(shù)據(jù)模塊CP340以及數(shù)據(jù)傳輸電臺，以此通信方式代替寧武選煤廠有線通訊方式［2］。系統(tǒng)主要為監(jiān)控上位機、下位機控制和無線通信系統(tǒng)。在此通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和程序服務(wù)器以及上位機和下位機控制總站均以工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)信息相互交流反饋，同時工業(yè)以太網(wǎng)將工業(yè)計算機（總工及廠長）與上位機監(jiān)控界面聯(lián)通，隨時監(jiān)控選煤廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)；以無線局域網(wǎng)達到下位機控制系統(tǒng)的總站和分站數(shù)據(jù)交流反饋。路由器與交換機共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，它可以為選煤廠工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)提供安全可靠的操作平臺和實時監(jiān)控，PLC集控?zé)o線通信系統(tǒng)框架見圖1［5］。

圖1 基于無線通信的洗煤廠PLC集中控制系統(tǒng)框架

無線通信系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)傳輸電臺、通信數(shù)據(jù)模塊CP340兩部分組成。西門子S7-300PLC控制中心與上位機運用以太網(wǎng)實現(xiàn)信息交流，通信協(xié)議為TCP/IP，無線數(shù)據(jù)模塊CP340與數(shù)據(jù)傳輸電臺以信息傳遞方式，實現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)分布式ET200M-I/O分站與下位機控制中心S7-300PLC的信息交流，通信協(xié)議為Modbus，上述信息傳遞交流方式共同構(gòu)建無線通信系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2［2］。

圖2 無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 應(yīng)用分析

2017年，寧武選煤廠決定構(gòu)建無線局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，構(gòu)建形成的無線局域網(wǎng)架構(gòu)的運行其關(guān)鍵在于以編程技術(shù)達到總站（S7-300PLC）與I/O分站（ET200M分布式）信息交流反饋的目的，7字節(jié)的儲存信息由總站向分站發(fā)送，分站反饋信息，向總站反饋6字節(jié)儲存信息，由總站完成儲存，完成信息交流反饋。由總站（S7-300PLC）發(fā)出的7字節(jié)儲存信息中，地址信息為1字節(jié)儲存信息，控制數(shù)據(jù)信息由2，3，4字節(jié)儲存信息及時送達，1字節(jié)和2，3，4字節(jié)儲存信息的異或值構(gòu)成了5，6字節(jié)儲存信息，7字儲存信息的功能為核對判別信息，可以使I/O分站的中斷數(shù)據(jù)傳輸程序被激活一次。由I/O分站(ET200M分布式)發(fā)出的6字節(jié)儲存信息中，分站的地址信息為1字節(jié)儲存信息，I/O分站（ET200M分布式）收集到的生產(chǎn)信息信號狀態(tài)由2，3，4字節(jié)儲存信息存儲，5，6字節(jié)儲存信息主要功能為核對信息［7］。

總站（S7-300PLC）運用程控輸出入方式（一種CPU決策如何提供周邊設(shè)備服務(wù)的方式）達到與I/O分站（ET200M分布式）信息交流反饋的目的，主廠房I/O分站在第一秒內(nèi)接收信息，主廠房I/O分站信息快速反饋，I/O分站（ET200M分布式）在接收到反饋信息后，總站（S7-300PLC）及時接收來自分站的信息；原煤倉I/O分站在第二秒內(nèi)接收信息，原煤倉I/O分站信息快速反饋；裝車站I/O分站在第三秒內(nèi)接收信息，然后接收裝車站I/O分站反饋的信息；按順序循環(huán)通信，實現(xiàn)實時信息交流反饋的目的。

總站（S7-300PLC）和I/O分站（ET200M分布式）構(gòu)成了下位機控制系統(tǒng)，總站（S7-300PLC）采用CP340通信模塊，實現(xiàn)下傳數(shù)據(jù)傳輸電臺信息交流；I/O分站（ET200M分布式）同樣采用CP340通信模塊，并且使用RS485/232轉(zhuǎn)換器與上傳數(shù)據(jù)傳輸電臺連接，上位機控制系統(tǒng)主要依靠MPI總線與S7-300 PLC實現(xiàn)信息傳輸，達到監(jiān)控分站的目的。數(shù)據(jù)傳輸電臺采用無線高速速傳電臺FC222-CH，采用Step7編輯操縱程序，調(diào)節(jié)數(shù)傳信息，以達到及時維持洗選設(shè)備正常工作運行參數(shù)，監(jiān)控管道內(nèi)壓力和及煤倉倉位的目的，及時反饋得信息，有利于中控制中心實時監(jiān)測處理生產(chǎn)工藝流程，寧武選煤廠通信系統(tǒng)改造見下圖［8］。

3 應(yīng)用效果

因為缺乏相應(yīng)的評定標準，因此優(yōu)化改造后的通信系統(tǒng)應(yīng)從系統(tǒng)通信可靠性以及與原有通信方式對比進行綜合評定。

3.1 通信系統(tǒng)可靠性

評判無線通信系統(tǒng)的可靠性關(guān)鍵在于無線通信距離范圍是否滿足需求，通信距離主要受天線型號、天線架設(shè)高度以及場強電平影響?？紤]到選煤廠通信范圍為近距離通信，采用設(shè)計手冊與之配套的吸盤天線（50 Ω）以及電纜線1（50～9），在集中控制室頂部布置中心站天線，并且天線應(yīng)指向生產(chǎn)車間，天線架設(shè)高度H確定為20 m，為避免噪聲和振動信號干擾和保證數(shù)傳穩(wěn)定性，天線延長到室外逐層布置遠端站，遠端站架設(shè)高度h為5～20 m，取5 m，通信距離可根據(jù)無線電波空中傳輸距離公式計算［2］，公式為：式中：D為無線通信距離，H為中心站天線的架設(shè)高度；h為遠端站天線的架設(shè)高度。

代入數(shù)據(jù)H=20 m，h=5 m，計算得無線通信距離D=29.94 m＞20 m，滿足選煤廠無線通信距離要求。

不同的場強產(chǎn)生的解調(diào)輸出信號的SNR不同，SNR的數(shù)值差異會影響數(shù)據(jù)的傳輸，產(chǎn)生亂碼或者錯碼現(xiàn)象。根據(jù)公式計算遠端站接受場強電平Pr，公式為：

式中：Pr為接收場強電平，dB·m；Pt為信號發(fā)射功率，dB·m；Gt和Gr為發(fā)射天線和接收天線的增益值，dB·m；Lt和Lz為發(fā)射電纜線和接收電纜線損耗，dB·m；LO為介質(zhì)損耗，dB·m。

衰落儲備Fd決定接收設(shè)備的抗干擾能力，衰落儲備越大，SNR越大，越有利于信息傳遞。衰落儲備Fd可根據(jù)公式計算，公式為：

式中：Fd為衰落儲備，dB·m；Pr為接收場強電平，dB·m；Ps為接收設(shè)備場強電平，dB·m；數(shù)據(jù)傳輸電臺FC222-CH接收設(shè)備的場強電平為-115dB·m，經(jīng)計算得Fd=30 dB＞20 dB，滿足理論要求，具有較強的抗干擾能力。

從天線型號、天線架設(shè)高度以及場強電平三方面分析，寧武選煤廠具有可靠的無線通信系統(tǒng)，可以實現(xiàn)選煤廠中控系統(tǒng)信息的無線傳輸。

3.2 通信方式對比

從成本、適應(yīng)性、擴展性和設(shè)備檢修四個方面對寧武選煤廠通信方式改造前后進行對比［6］，通信方式對邊如表1所示。

綜上，通過對無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用的效果分析，確定了無線通信系統(tǒng)信息傳遞的可靠性，無線通信方式能夠解決有線通信方式存在的安全隱患，且成本低廉，有極高的應(yīng)用價值。

表1 寧武選煤廠通信方式對比

4 結(jié)語

通過對寧武選煤廠無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用研究，無線通信技術(shù)的應(yīng)用對于提高選煤廠信息傳遞效率和解決有線通信方式安全問題有重要的意義，對于類似情況選煤廠通信系統(tǒng)值得推廣應(yīng)用。在寧武選煤廠無線通信技術(shù)的應(yīng)用中，由于復(fù)雜的編程，需要專業(yè)的程序維護人員，如何降低應(yīng)用難度，有待研究人員進一步探索。