厂外远程站无线技术的应用探讨

王川宁

摘 要：根据现有无线技术的内容，结合钱清电厂补给水泵房无线应用的经验，对常山补给水泵房的无线通讯可行方案进行探讨。

关键词：带宽；冗余；可靠性 1 引言

随着电厂自动化程度的不断提高，对于远程站通常会采取无人值守的运行方式。对于远距离的控制站的连接，通常的做法是采用敷设光缆。但由于我方铠装光、电缆的埋地未在征地范围内，所以经常遇到私自开挖的情况，虽然在光缆敷设期间都会做一定的保护，但还是难免会出现光缆会被挖断的状况。

2 工业无线通讯现状

工业无线网络技术能轻易覆盖有线网络无法覆盖的地方，具有低成本、低能耗、高灵活性、扩展性强的特点，已经成为继现场总线后一个新的研究热点。

2.1 近场无线通讯（传输范围一般介于10～100m之间）：主要有ZigBee、无线HART等协议；ZigBee使用免执照频段， ZigBee的底层技术基于IEEE 802.15.4，工作在20～250kbps的速率；主要特点是低功耗、低成本、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度等。无线HART是专门为过程自动化设计的无线协议，向后兼容HART设备和应用，工作在2.4GHz射频频段，采用安全稳健的网格拓扑结构；数据速率：250KBPS，发射功率：10dBm。

2.2 遠程通讯（传输距离在300米以上）：电信运营商的无线通讯网络解决方案，现已发展到3G时代（包括联通WCDMA、移动TD-SCDMA、电信CDMA2000）；同时，4G的LTE系列标准也将大规模应用；电信运营商基站的可靠性也日益提高，一般采用平均无故障时间（MTBF）达20年的UPS供电，基站一般配比较有效的防雷击措施，由雷击引起故障的机率比较小。近场无线通讯扩展为远程通讯方案，ZigBee、无线HART、民用无线通讯（802.11a/b/g/n/ac协议）都可以通过将信号增益后发射，从而拓展了通讯距离。

3 课题探讨的内容

常山热电的补给水泵房设置在常山港边，离厂区围墙的直线距离接近2公里，需同时敷设DCS、安防（电子围栏）、场景监视各系统总共四条铠装光缆。考虑到这些光缆在同一的敷设通道内，被同时顺坏的可能性比较大，本课题主要根据现阶段无线技术的实际情况，定出一个为光缆连通讯提供备用通讯的无线方案。

常山热电的控制系统为一体化设计，均采用爱默生的OVATION DCS系统，厂外补给水泵房设立一个DCS机柜，通过两条冗余的100Mbps单模光纤接入BOP DCS网络柜。爱默生的Ovation系统支持多网络架构，无线通讯形式可以比较轻松的融入这套系统中。

常山热电补给水泵房IO清单

统计下来现用的IO点数总共为186点，和钱清电厂补给水泵房控制系统的点数和类型相近，所以常山补给水泵房控制系统的无线通讯可以借鉴钱清电厂补给水泵房无线方案。

由于电子围栏的报警对带宽的要求不高，而且很多产品都有现成的各运营商通讯模块，可直接添加模块实现状态、报警信号的传输。

补给水泵房的场景监视采用8台720p的高清摄像机，接入就地的硬盘录像机，对带宽要求比较高，需要足够带宽的无线网络做保证。

3.1 控制、安防与场景监视的整体无线设计

3.1.1 借用电信运营商无线网络的方案

由于场景监视720p高清图像生成的视频码率2Mbps左右，已是3G速率2Mbit/s的极限，所以本方案未将场景监视考虑在内。根据现场试验，补给水泵房和厂内的电信的3G信号相对较好，所以控制系统以电信的3G信号接入为优先考虑。在补给水泵房DCS和化控室各设置两台互为冗余的工业级3G无线路由器，DCS侧利用OVATION的备用OPC接口，化控室单独设一台双网卡操作员站与路由器相连。电子围栏的通讯添加移动或联通通讯模块，安保室内的报警主机通过同运营商的3G网卡接受现场的状态、报警信号。

方案优点：1、对供电要求不高，无需配备单独UPS电源，可借用场景监视的UPS电源。2、运营商租金费用比较低，整体维护成本比较低。3、VPN网络加密性不错，不容易被破解，安全性可以满足要求。

方案问题：1、通过internet连接场内的控制系统，路由跳跃点较多，在操作员站LCD上的参数更新和操作都会有轻微的延迟（在现场用电信cdma2000无线网卡测试，数据包传输的延迟在5ms以上）。2、与民用无线终端设备抢带宽的情况，会出现瞬时的带宽不足情况，影响控制网络的稳定。3、会受到运营商检修设备的影响。

该方案在钱清热电厂的补给水泵房有实用先例，该泵房采用PLC控制，租用移动GPRS网络与厂内水网通讯，由于补给水泵房的IO点数不多，对控制响应速度的要求并不高，基本能满足控制要求。而本方案由于采用了3G网络，带宽相比GPRS（114Kbps）有提高，更能提高控制品质，且为以后增加IO点预留了带宽。

3.1.2 大功率天线方案

为降低无线传输的直线距离，厂区内和补给水泵房的无线收发天线设在围墙上。控制系统：无线收发天线通过光缆与化控室内交换机连接，操作员站也挂在该交换机上；在补给水泵房内，DCS通过一台OVATION OPC光电转换器，使用光缆与室外的收发天线连接。安防系统：依旧按添加运营商模块的方案执行。场景监视系统：无线收发天线通过光缆与安保室内交换机连接，视频监控站挂在交换机上，在补给水泵房内，场景监视的硬盘录像机通过光电转换器、光缆与室外的收发天线连接。为了降低地形对无线通讯的影响，至少选用可在3km距离上维持5Mbps的稳定带宽的大功率天线。为保证控制系统与场景监视的无线传输互不干扰，控制系统使用2.4G频率，场景监视使用5G频率。

方案优点：1、通讯带宽高，可以传输数字视频信号。通讯延迟小，更有利于提高控制系统的响应。2、不受运营商检修设备的影响。

方案问题：1、虽然天线布置区域有避雷措施，但还是有雷击威胁。2、设备数量多，初期投资比较高，同时也增加了维护成本。3、需要为大功率收发天线配置单独的电源。

3.2 方案选择

从技术的成熟性和实用性上来考虑，建议选择借用电信运营商无线网络的方案，作为原DCS通讯模式的备用方案。此方案简单易行，建设和使用成本都不高，以后可以随着运营商技术的发展而不断升级。

4 结束语

虽然无线技术有不少优点，但由于其带宽和可靠性的局限性，还无法大规模应用。但随着无线技术在带宽和抗干扰性技术上的不断提高，大规模应用无线技术的控制系统将会越来越多。

参考文献

[1]郑慧莉.无线控制技术在电厂的应用[J].电力勘测设计. 2011（05）

[2]刘省贤，李斌.基于GSM和Zigbee技术的无线安防系统研制[J].陕西科技大学学报. 2009（08）