无线控制技术在电厂的应用

郑慧莉

(中国电力工程顾问集团公司，北京 100120)

近一段时间以来，无线控制技术已成为自动化领域的热门话题，无线控制技术可以大幅降低控制系统成本，并有效简化控制系统，具有逐步替代传统自动化系统的潜力，是未来自动化产品新的增长点和发展方向之一。传统自动化系统是有线控制系统，具有监控点数量多、布线复杂、集成难度较大，施工、调试、运行、维护工作量大等问题。首先，恶劣的环境给工程布线带来了一定的困难；其次，由于布线数量多和布线路径复杂，一方面需要设置母线槽、电缆桥架、电缆穿管等，另一方面需要根据现场实际环境选择耐高温、防爆、阻燃等要求的电缆，以及桥架隔板，还需考虑防火堵料封堵等；再次，不便于维护，系统的安装、查线、调试需要花费大量时间，维护与更换的复杂度大，费用较高，影响电厂建设工期；最后，电缆易老化腐蚀，控制系统长期运行面临着电缆老化、腐蚀破损等其他自然或人为损坏因素。因此，与有线控制方式相比，无线控制技术的优越性是不言而喻的。在保证信号安全、畅通、可靠的条件下，通过无线技术可以将电厂用于监视、控制、报警、保护等现场仪表传感器与实时控制系统、直到上层管理信息系统相集成，无线技术还可应用于现场无线设备之间互联等。因此，无线控制技术具有良好的应用发展前景。

1 无线技术的标准

为实现无线设备的互换性和互操作性，降低成本，扩大应用，实现规模效益，无线技术必须实现标准化，从而使来自不同生产厂商的无线智能仪表与控制系统产品能够在同一网络平台下协同工作。早在2005年，国际自动化学会ISA100就倡导并致力于通过定义和颁布系列标准、推荐导则以及组成相应技术工作组，以实现自动化和控制环境下的无线网络标准化。迄今为止，无线网络仍难以统一到一个真正意义上的技术标准，仍需要有一个融合发展的过程，其现状是：其中有的无线标准已正式颁布实施，有的还在讨论审批过程中，有的尚处于研发阶段。以下就主要的无线标准做简单介绍。

1.1 无线HART标准

无线HART标准是HART通信协议的扩展，是面向过程测量、过程控制和资产管理全面应用的一种无线协议，是专为过程监视和控制等工业环境应用设计的。2007年6月，经HART通信基金会批准，无线HART标准作为HART 7(Wireless HART)技术规范的一部分，加入了总的HART通信协议家族中，这是无线技术发展的里程碑。IEC 62591(Ed.1.0)是国际电工委员会于2010年4月批准发布的完全国际化的无线HART标准，它是过程自动化领域的第一个无线传感器网络国际标准，符合IEEE 802.15.4标准。该网络运行在2.4GHz频段上，采用直接序列扩频、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址同步、网络上设备间延控通信等技术。迄今为止，全球至少安装了2400万个HART装置，为无线HART的推广应用奠定了基础。

1.2 无线ISA100标准

无线ISA100标准是由国际自动化学会管理并倡导的，处于发展过程中的相对较新的标准，也是无线传感领域中具有竞争力的标准之一，其采用了6LoWPAN技术，主要提供工业自动化与控制应用领域的、重点在现场设备级的无线标准。6LoWPAN是“IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks”(低功率无线个域网上的IPv(6)的缩写，属于IETF(因特尔网工程任务组)中的一个工作组。

ISA100标准的特点是在物理层使用了IEEE802.15.4的射频标准。采用分层的技术，为各层之间提供了独立性，使得任何层内的修改不会干扰到其他层，这种独立性是面向未来的基础，便于现有技术的创新和发展新技术。

1.3 无线ZigBee标准

无线ZigBee标准的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知所发现新食物源的位置、距离和方向等信息。ZigBee无线技术模仿蜜蜂通过跳舞来传递信息方向，并支持海量节点入网，最多可支持65535个设备，该标准由ZigBee联盟所定义，于2004年12月获得批准且基于IEEE 802.15.4标准频率2.4GHz的网络互联通信协议。ZigBee标准化组织主要致力于制订诸如嵌入传感、医疗数据收集、电视遥控类用户装置、家庭自动化等方面应用的IEEE无线标准联网规范，并受到许多大的工业联合体的支持。另外，ZigBee也已制订了如鉴别、加密、关联和应用服务等处于通信上层的附加通信性能方面的相关规定。

1.4 无线WIA—PA标准

无线WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)标准是中国工业无线控制技术联盟针对过程自动化领域的需求而率先制定的WIA子标准，是在中科院沈阳自动化研究所的牵头下，联合浙江大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、上海工业自动化仪表研究所等十余家单位，自主研发成功的无线标准。WIA-PA规范于2008年10月31日经过国际电工委员会(IEC)全体成员国的投票，以96%的得票率获得通过，作为公共可用规范IEC/PAS 62601标准化文件正式发布。目前WIA-PA标准已形成我国国家标准草案，得以使工业无线技术的国际标准形成Wireless HART(HART基金会)、ISA 100.11a(ISA)、WIAPA(中国)三足鼎立的局面。

1.5 无线IEEE 1451标准

无线IEEE 1451标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起的，专为智能传感器接口制订的标准，其主要特点是具有数据处理的智能化，其IEEE 1451.5-2007标准即为智能传感器无线通信协议和传感器电子数据表格式的相关标准。

1.6 其它

无线 IEEE 802.11标准是由IEEE LAN/MAN标准委员会制订的有关无线局域网通信的系列标准。无线EnOcean标准是楼宇自动化领域的一种无线通信系统，至今并未获得相应国际标准化组织的批准认可，但受到西门子等公司的大力支持。此外，还有仅在有限范围内用于传输少量数据的IEEE 802.15.1(蓝牙)无线个域网标准，以及广为所知的GSM/GPRS等无线标准。

2 无线标准的融合

不难看出，目前无线标准的种类繁多，它们在市场中也各占有一席之地，要想实现无线标准的统一非常难，无线标准技术的融合面临很大的挑战。在这些新兴的无线标准中有三个公认的主流标准，它们是无线ISA100.11a、无线HART、无线WIA-PA。由于无线ISA100.11 a和无线HART之间有重合性，ISA100委员会为推进无线标准的融合工作，成立了融合小组—ISA100.12，目前ISA100.12已经开始做无线标准的融合工作，负责无线ISA100和无线HART的技术融合，它独立咨询各个终端用户需求，成立融合用户需求团队来接受用户的需求，并提出无线标准技术融合建议，融合工作建议请求已于2010年9月投票通过，并得到了ISA100委员会的批准。

虽然无线技术标准融合的过程是艰难和漫长的，但随着计算机网络技术的发展和市场需求的推动，相信在不久的将来，无线标准融合工作一定会有突破性进展，以实现无线控制产品价值的最大化。

3 无线控制技术在国外的应用

无线智能仪表与控制系统在国外发电厂、冶金、石化、炼油等行业已有许多成功的应用案例。

法国Carling的Total 石化公司，该公司安装了智能无线温度变送器，用以传输锅炉炉壁的温度变化信息，该锅炉主要向工厂裂解炉提供蒸汽，通过无线温度变送器对炉壁温度进行监视。

英国E.ON发电厂，装机容量为1940 MW，采用了艾默生公司的智能无线技术对水处理流量进行监视和测量。

美国爱达荷州的Nu-West公司磷肥厂，采用了智能无线技术对距离中控室250英尺的反应塔上16个测量点的温度和压力信息进行监视和控制。

美国加利福尼亚州Chevron公司的油田。这个油田安装了2个智能无线网络，用于监视蒸汽输入过程以及测量井下压力。无线设备投入运行后，大大提升操作人员的安全性、减少废水排放、缩短生产时间、优化了生产策略。

美国宾夕法尼亚州PPL发电厂，采用了智能无线技术测量锅炉给水泵系统的压力、温度、油位等相关信号。

美国Nebraska电站采用无线技术用于监视其远方的油罐工况。

美国LCRA下属的SGPP(3×650MW机组)电厂和LPPP(545MW燃气蒸汽联合循环机组)电厂采用无线控制系统实现两厂异地的数据共享和通信管理等。

4 无线控制技术在国内的应用现状

无线控制技术在我国冶金、化工、石化等领域已有了初步的应用业绩。例如：江苏连云港某化工有限公司的2000t2，6—二异丙基苯胺反应系统、精溜装置温度压力监控、进料系统的监控等采用WIA-PA工业无线控制技术取代了目前化工领域应用最为广泛的现场总线技术，该无线控制系统是我国目前无线控制规模最大的系统，自2010年11月正式投运至今，运行效果反应良好。无线WIA-PA网络是无需网络基础设施支持可自组织多跳网络，网络设备启动后，无需人工配置，自主形成网络。无线智能变送器采集到工艺过程变量有温度(14台)、压力(3台)、差压(4台)液位(3台)、流量(4台)等参数，通过WIA-PA网络，传输至网关，分散控制系统(DCS)通过MODBUS协议访问网关，读取到的信息通过PID运算后，形成控制指令，利用MODBUS协议中的写保护寄存器指令发送至网关，网关经过解析利用WIA-PA无线控制网络下发到指定的无线执行器(13台)。WIA-PA无线网络覆盖范围在空旷环境下可以达到1500M，但在实际工程中存在着楼板、钢管、设备等障碍物对无线信号产生遮挡，减弱信号强度，因此有些节点不能直接与网关通信，只能通过其他监测点路由送到网关，通信路径的冗余是保证数据可靠传输的手段。

目前国内电厂还没有实质性大范围应用无线控制技术的实例，据了解，河北张家口电厂、上海石洞口电厂、广东茂名电厂分别在水源地、除灰、叶轮给煤机等系统采用了无线控制技术，简单介绍如下：

张家口发电厂全厂共有8×300MW机组，其水源地共有26口深井，原采用长距离架空电缆远方控制，最长控制电缆大约为5.05公里。电厂经技术改造后，在水源地每个井位布置1台远方遥控箱，通过现场的数据采集单元，信号经移动公网，通过GPRS APN业务传输至泵房监控中心，实现无线远方控制，该无线控制系统自2007年投运以来，运行状况一直稳定，能满足电厂运行管理要求。

华能上海石洞口第一发电厂除灰系统原采用常规PLC控制，仓泵和灰库的部分模拟量信号没有纳入可编程控制器(PLC)控制系统，由于自动化水平较低，给电厂运行管理带来不便。2008年电厂对除灰系统进行了技术改造，控制范围包括四台锅炉的气力输灰、灰库、灰浆系统，考虑到在灰库上敷设电缆较困难，灰库顶风机差压、灰库底流花风机压力、斜槽流化风机压力等的测量选用了无线智能变送器。无线硬件由无线变送器和无线网关1420组成，单个无线设备之间的距离可以达到228m，无线网关与上位控制系统采用有线连接，通信方式可以有Modbus485、ModbusTCP/IP、OPC 3种可选。电厂技改后的控制系统采用罗克韦尔AB系列的PLC，由于AB系列的PLC没有空余的485接口，电厂无线控制采用OPC连接。现场智能无线变送器完全由电池供电，连续工作3～5年无需更换。1420网关需要接24VDC电源，整个无线网络通电后自动上线调整，无需人工干预，自动化水平较高，现场调试人员只需通过无线手操器HART 375进行变送器参数设定，也可在随机配备的无线软件中进行设置。该无线控制系统集成简单，便于实施，自投运至今运行稳定，电厂反映良好。

广东茂名电厂200MW机组的叶轮给煤机，采用进口无线遥控系统，常规输煤系统都是采用PLC进行控制，由于叶轮给煤机属于移动设备，采用拖车或电缆卷筒供电方式较多，控制电缆使用行走电缆，至少采用一条数字量控制电缆和一条模拟量屏蔽计算机电缆，行走电缆需要布置电缆挂和滑轮支架等，预埋件难定位，其安装、使用和维护都非常不方便，采用无线控制技术后，不仅省去了行走电缆，连从叶轮给煤机就地控制箱至输煤程控柜的电缆也取消了，日常维护更加方便，该无线控制系统自2003年投运至今，运行状况良好。

5 应用无线控制技术经济分析

以下分别对江苏连云港化工厂的反应系统、精溜装置采用无线控制技术和广东茂名电厂叶轮给煤机采用无线控制技术为例进行技术经济分析。

5.1 江苏连云港化工厂无线控制系统技术经济分析

江苏连云港化工厂2000t2，6—二异丙基苯胺反应系统、精溜装置采用WIA-PA无线控制系统后，降低了工程前期投资，减少了运行维护成本，经济效益明显，根据相关资料介绍，具体分析如下：

若采用常规有线控制，需要将就地检测元件及仪表引至集中控制室的电子机柜内，需要敷设电源电缆、桥架、通信线、阻燃屏蔽电缆，整个装置所需布线长度约为400M，此项费用(包括安装费)按常规计算为6万元；DCS需要增加I/O板卡，每个模拟量卡件为4通道或8通道。国产卡件0.2万元/个，进口卡件为0.5万元/个，每增加一个I/O点，费用最低需要400元，41个模拟量输入点，13个模拟量输出点，DCS部分要增加7个卡件，此项费用3.6万；41台有线仪表调试费共计0.4万元，因此总的仪表安装调试费用为10万元。

按有线控制计算：DCS的价格为21万，现场仪表费用为30万元，现场施工安装调试费用为10万元，共计61万元。施工时间为2个月。

采用无线控制技术后，现场无需布线，DCS只需增加1个带有MODBUS RTU协议的板卡，费用为0.2万元，增加无线网络的接入网关，费用为0.4万元。

由此可以看出，采用无线控制技术后减少仪表和卡件等费用共计9万元，节省仪表控制系统投资15%，施工安装费用降低80%，调试安装时间从原来的2个月缩减到半个月，大大节省了人力和时间，缩短建设项目投资，有效降低工程成本。

5.2 广东茂名电厂无线控制系统技术经济分析

广东茂名电厂200MW机组的叶轮给煤机采用无线控制技术后，不仅省去了行走电缆，连从叶轮给煤机就地控制箱至输煤程控柜的电缆也取消了，日常维护更加方便，同时还取消了叶轮给煤机专用的I/O模块，每台机可节省约30个I/O点。

若采用常规电缆控制，1台叶轮给煤机需要的开关量和模拟量模块约要2万元，1根ZR-KVV22P2-24×1.5电缆及1根ZR-DJYPVP-2×2×1.0电缆各200m，共计费用8000元，加上就地控制箱、电缆挂、钢管以及施工安装费用等，总费用超过了1套无线遥控装置的费用。

由此可见，无线控制技术非常适合恶劣环境下长距离的监控。叶轮给煤机采用无线控制后，不但节省了投资，减轻了电厂运行、维护工作量，还提高了系统的安全、可靠性，值得在电厂中推广应用。

6 无线技术在电厂应用展望

如前所述，无线控制技术已经在电厂水源地、灰库、叶轮给煤机等地得到成功应用，因此，在电厂无人值守的泵房、油灌区等辅助车间或辅助系统采用无线控制技术是可行的。

随着无线控制协议融合的发展以及智能无线仪表、执行器的应用发展，在保证信号安全、畅通的条件下，无线技术原则上可以用于电厂的数据采集与监视、排放监视、旋转机械状态监视、视频安防、火焰遥测、厂内通信、常规控制和保护等。

当巡检人员配置具有全功能PC环境的无线移动工具，可实现与运行人员及现场设备的无线通信，完成现场设备及过程的就地数据收集、检查、故障诊断、调校等，需要时也可与实时监控系统、计算机状态检修系统、计算机文档系统等实现信息共享。配置无线定位跟踪系统后，可实施现场人员的动态管理。

7 电厂应用无线控制技术的建议

无线技术是过程控制领域最前沿的技术，采用无线控制技术使发电厂的设计、施工、调试和运行更加智能化和简单化。目前，美国艾默生公司、美国霍尼韦尔公司和日本横河电机公司等已研发出一系列智能无线仪表设备，而且在国内外都有成功的应用业绩，因此，可以在电厂的某些区域或系统逐步用无线控制系统替代有线控制系统。在电厂应用无线控制技术的建议如下：

(1)基于目前国内的应用经验，建议先在水源地、叶轮给煤机、除灰系统、城市供热网站、输煤码头卸料系统等采用无线控制系统，逐步扩展到其它辅助车间系统。

(2)在电厂中应用无线技术应选择合适的无线技术标准和有一定技术实力以及工程应用能力的供应厂商，从而使所选定的无线控制系统满足电厂安全性、扩展性、开放性、可靠性、良好电源管理性和多协议支持等要求。

(3)选择无线技术标准时，建议重点考虑：一是较低频率的无线技术有着较长的通信距离；二是在传输距离和空间数据传输速率之间要掌握好平衡点，传输速率越低其传输距离则越远；三是选用合理的传输方法，如：固定频率、FHSS、DSSS、OFDM等，采取一定的安全措施，如：信息加密、鉴定/确认、密匙管理等。

(4)做好无线技术应用工程的评估工作。如采用射频频谱分析仪预先测定电厂区域的已有频谱，确定具体的安全要求及组态，确定无线网络拓朴结构和网络集成要求，提前做好与地方无线电管理委员会的沟通协商等。

[1]ISA 100和无线标准的融合，Harry Forbes 2010.10.1 ( ISA WCI中国路演 2011年资料).

[2]工业无线技术在电厂的应用场合探讨 霍尼韦尔中国公司(仪表网).

[3]艾默生智能无线技术电厂工程应用案例，2011-6-21(仪表网).

[4]张琼，王红艳，白冰颖.工业无线网络在化工领域的应用实例[J].仪器仪表标准化与计量，2011，(2) .

[5]田拥军，赵光强.基于ZigBee的智能用电管理系统设计[J].中国仪器仪表，2011，(4) .