一則無線電技術(shù)在電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張靜波

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州，450001）

0 引言

當(dāng)前，在工業(yè)行業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，往往需要用到大量傳感器或者變送器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、差壓、液位、流量等工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，中央控制總臺(tái)與這些傳感器或變送器之間大多采用有線通訊方式，然而，經(jīng)常性會(huì)遇到需要監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域位置復(fù)雜，設(shè)備安裝困難或距離中央控制室很遠(yuǎn),信號(hào)產(chǎn)生衰減等問題。

隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用無線電技術(shù)已經(jīng)可以用來傳遞數(shù)據(jù)、聲音、圖像等，其通訊功能得到了越來越多的應(yīng)用，例如在一些危險(xiǎn)性比較高的場(chǎng)所，應(yīng)用無線技術(shù)可以讓工程人員在安全區(qū)域內(nèi)監(jiān)視或者控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況；在一些不便于進(jìn)行布線的場(chǎng)所，也可以應(yīng)用無線電技術(shù)來解決信號(hào)傳輸問題。

在西方工業(yè)國家中，無線電技術(shù)早就被用來解決在實(shí)際過程中遇到的問題，典型的應(yīng)用集中在供水網(wǎng)、供熱網(wǎng)、采油井等遠(yuǎn)距離組網(wǎng)的工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。它們通常是通過無線電臺(tái)在兩地之間起數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸?shù)淖饔?，屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線電應(yīng)用技術(shù)。

筆者曾經(jīng)在某國際供水工程項(xiàng)目上接觸過該類型無線電技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合這個(gè)工程對(duì)無線電技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，在此做一些簡單介紹。

1 系統(tǒng)概述

該供水工程項(xiàng)目電氣控制系統(tǒng)由兩大部分組成：

（1）中央控制室主站電氣控制部分：安裝有電源進(jìn)線柜、PLC柜、數(shù)傳電臺(tái)、天線等，其中PLC柜是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它通過無線電的方式與各個(gè)水井泵站構(gòu)成通訊，使各個(gè)水井泵站根據(jù)水塔水位由PLC控制自動(dòng)向水塔內(nèi)供水。

它具有三種操作方式：①就地控制操作方式；②集中控制操作方式；③自動(dòng)控制操作方式；

（2）各水井泵站電氣控制部分：安裝有電源進(jìn)線柜、水泵電氣控制柜、PLC柜、數(shù)傳電臺(tái)、天線等。每個(gè)分泵站通過電臺(tái)與主控制室PLC柜進(jìn)行通訊，將現(xiàn)場(chǎng)水泵的運(yùn)行狀態(tài)向控制主站進(jìn)行發(fā)送，然后接收控制主站發(fā)出的各種指令，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的無線控制功能。它具有兩種操作方式：①就地控制操作方式，②遠(yuǎn)方控制操作方式。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

■2.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)分為三層，分別是：控制室主站、控制層和設(shè)備層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

（1）控制室主站

控制室主站是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，用來接收六個(gè)水井泵站的工作狀態(tài)，并向各個(gè)泵站發(fā)出各種操作指令。它由可編程控制器（PLC）、數(shù)傳電臺(tái)和定向天線構(gòu)成。信號(hào)從數(shù)傳電臺(tái)到達(dá)天線，然后天線將信號(hào)作為一系列電磁波信號(hào)發(fā)射到空中。信號(hào)通過空中傳播。在各水井泵站，另一個(gè)天線接收信號(hào)，通過一個(gè)接收器將它轉(zhuǎn)換回適合PLC處理的信號(hào)，如圖2所示。

圖2 控制室主站

（2）控制層

控制層是由各個(gè)水井泵站分站構(gòu)成，可根據(jù)控制室主站發(fā)來的各種指令來運(yùn)行設(shè)備，并向控制室主站發(fā)送設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。它也是由可編程控制器（PLC）、數(shù)傳電臺(tái)、和定向天線構(gòu)成，與控制室主站的組成方式一樣。其中數(shù)傳電臺(tái)用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

（3）設(shè)備層

設(shè)備層由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、各種儀表、傳感器、變送器執(zhí)行器、繼電器、控制器（例如交流接觸器）等構(gòu)成。其中傳感器、變送器用來收集數(shù)據(jù)。

■2.2 通訊原理

在控制方式處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，控制室主站PLC接收來自水塔水位傳感器傳來的通過A/D轉(zhuǎn)換器傳來的水位信號(hào)。根據(jù)水塔水位的高低，PLC依據(jù)事先編好的程序，據(jù)此判斷需要啟動(dòng)水泵的數(shù)量或者需要停止運(yùn)行水泵的數(shù)量、以及計(jì)劃啟動(dòng)哪些水泵或者停止運(yùn)行哪些水泵，確保系統(tǒng)能安全可靠運(yùn)行。PLC的數(shù)據(jù)接口為RS485，數(shù)傳電臺(tái)的數(shù)據(jù)接口也為RS485，這樣，在PLC做出判斷后，把相應(yīng)的指令信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)傳電臺(tái)，然后，由數(shù)傳電臺(tái)把該指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線電信號(hào)，通過天線傳送到相應(yīng)的水井泵站（如圖3）。

圖3 通訊原理

相應(yīng)的水井泵站天線在接收到來自控制室主站傳來的信號(hào)后，由數(shù)傳電臺(tái)轉(zhuǎn)換該無線電信號(hào)后傳送到PLC，PLC發(fā)出執(zhí)行指令，通過繼電器、交流接觸器等執(zhí)行元件后，啟動(dòng)或者停止運(yùn)行水泵；與上述原理相同，通過數(shù)傳電臺(tái)、天線對(duì)無線電信號(hào)的傳輸，還可以在控制室主站上顯示如下信號(hào)：

（1）各個(gè)水井泵站的運(yùn)行狀態(tài)顯示：各水井泵站處于運(yùn)行狀態(tài)或者停止?fàn)顟B(tài)；

（2）各個(gè)水井泵房的操作狀態(tài)指示：能夠?qū)Ω鱾€(gè)水井泵房的操作狀態(tài)進(jìn)行顯示，判斷水泵是處于就地操作還是在遠(yuǎn)方操作狀態(tài)，以便操作人員根據(jù)水井泵房的當(dāng)前狀態(tài)來進(jìn)行操作。

（3）各個(gè)水井泵站故障狀態(tài)顯示：如過流、過載、電機(jī)超溫、水泵干轉(zhuǎn)等，可及時(shí)地在控制室PLC柜上進(jìn)行顯示。

（4）對(duì)各水井泵房實(shí)施集中控制：實(shí)現(xiàn)在控制室主站PLC柜上對(duì)各個(gè)水井泵站的集中控制。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)設(shè)置

無線通信是利用電波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，簡單講，無線通信是僅利用電磁波而不通過線纜進(jìn)行的通信方式，故此，在滿足上述設(shè)備配置之后，控制層與主控制室之間可以采用無線電通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：

在該供水項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際情況，我們選擇了日精230MHz ND250A專業(yè)數(shù)傳電臺(tái)、及OMRON SYSMAC CP1H可編程控制器（PLC），一些通訊數(shù)據(jù)如下：

①通訊頻率：227.225MHz；②波特率：1200bps；③數(shù)據(jù)位：8；④停止位：1；⑤奇偶位：Even ；⑥通訊接口：RS485；⑦模擬量信號(hào)均采用國際標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA制式；⑧數(shù)字量輸入信號(hào)通過隔離后送入可編程序控制器；⑨可編程的數(shù)字量輸出信號(hào)通過繼電器轉(zhuǎn)換與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接.

4 該類型無線電應(yīng)用方式的優(yōu)缺點(diǎn)

大體上而言，與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳輸具有許多優(yōu)點(diǎn)?；蛟S最重要的是它比較靈活、易于擴(kuò)展、安裝方便、節(jié)約成本。正是由于無線信號(hào)是隨電磁波通過空氣傳輸?shù)?，無線信號(hào)可以從一個(gè)發(fā)射器發(fā)出到許多接收器而不需要電纜。

然而，正是由于此種傳播方式，它也存在一些缺點(diǎn)：首先是安全性問題。由于數(shù)據(jù)信號(hào)是通過電磁波傳播，所以很容易被截獲而不像有線網(wǎng)絡(luò)是通過專門的線路傳播，不易隨便的獲得數(shù)據(jù)；其次，因?yàn)闊o線電波是在一定的頻段上傳播的，所以如果有兩個(gè)設(shè)備的發(fā)射信號(hào)頻段相同，那么這兩個(gè)信號(hào)就會(huì)相互干擾，造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤；再則，這種做法功能單一（只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)或者一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接）、安全性低、且必須專門編程實(shí)現(xiàn)通訊。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著無線電技術(shù)的日新月異，其弊端逐漸被克服，無線電技術(shù)為電氣自動(dòng)控制領(lǐng)域提供了更多新的選擇方案。其技術(shù)方案越來越大大節(jié)約勞動(dòng)成本，數(shù)據(jù)收集、傳輸、分析的能力越來越快越強(qiáng)，運(yùn)行越來越穩(wěn)定可靠，相信其應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。