无线通信系统在宁武选煤厂的应用实践

赵鹏杰

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 长治 046000）

1 概述

山西忻州市宁武县宁武洗煤厂始建于2006年10月，2007年12月投产。位于山西省忻州市宁武县境内，是一个年设计洗选能力为450 Mt/a的大型现代化洗煤厂。为避免生产中产生的噪音和振动，集控中心与洗选设备一般分散放置，故集控系统的通信系统主要依靠有线传感器采集生产信息，汇总的信息通过有线信息电缆和数据交换机，进入选煤厂集中控制系统中心。宁武选煤厂现有的通信方式存在诸多问题：有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，耗费大量的人力和物力；有线通讯的局限性太大，选煤厂设备多且分散，布线困难，对有线网络的布线工程具有极强的制约力；组建好一个通讯网络之后，需要布置新的设备，采用有线通信，需要重新的布线，施工困难，且易破坏原有的通讯线路；当通信出现故障时，有线通讯的检修需沿线路检查，故障点无法及时找到。

由于无线网络与自动化技术的日益革新，国内无线网络技术不断应用于工业自动化生产之中，推动着选煤厂朝着网络智能化，全自动化发展［1］。国内学者在无线通信技术应用上展开了大量的研究，如张传伟，张鹏［2］提出无线通信技术对于选煤厂通信系统的应用思路；陈惠英，李祖欣［3］分析了目前无线网络控制系统的现状及发展；陈震，郭楠等［4］分析了国内选煤厂自动化技术现状，并提出了发展方向，对于选煤厂无线技术的应用提供了理论依据。

为解决宁武洗煤厂存在的有线通信安全问题，采用无线通信技术，在原有集控系统的近距离有线通信的基础上，增加了无线网络通信，实现了远距离信息传输，可以有效地解决有线通信技术存在的弊端，有助于安全高效选煤厂的建设。

2 宁武洗煤厂无线通信系统应用分析

2.1 无线通信系统结构

无线通信系分布式I/O ET200M分站与下位机控制中心S7-300PLC的信息桥介决定采用无线数据模块CP340以及数据传输电台，以此通信方式代替宁武选煤厂有线通讯方式［2］。系统主要为监控上位机、下位机控制和无线通信系统。在此通信系统中，网络、数据和程序服务器以及上位机和下位机控制总站均以工业以太网实现信息相互交流反馈，同时工业以太网将工业计算机（总工及厂长）与上位机监控界面联通，随时监控选煤厂生产环节；以无线局域网达到下位机控制系统的总站和分站数据交流反馈。路由器与交换机共同构成了网络服务器，它可以为选煤厂工业以太网和无线局域网提供安全可靠的操作平台和实时监控，PLC集控无线通信系统框架见图1［5］。

图1 基于无线通信的洗煤厂PLC集中控制系统框架

无线通信系统主要由数据传输电台、通信数据模块CP340两部分组成。西门子S7-300PLC控制中心与上位机运用以太网实现信息交流，通信协议为TCP/IP，无线数据模块CP340与数据传输电台以信息传递方式，实现了无线通信系统分布式ET200M-I/O分站与下位机控制中心S7-300PLC的信息交流，通信协议为Modbus，上述信息传递交流方式共同构建无线通信系统，无线通信系统结构见图2［2］。

图2 无线通信系统结构

2.2 应用分析

2017年，宁武选煤厂决定构建无线局域网络架构，构建形成的无线局域网架构的运行其关键在于以编程技术达到总站（S7-300PLC）与I/O分站（ET200M分布式）信息交流反馈的目的，7字节的储存信息由总站向分站发送，分站反馈信息，向总站反馈6字节储存信息，由总站完成储存，完成信息交流反馈。由总站（S7-300PLC）发出的7字节储存信息中，地址信息为1字节储存信息，控制数据信息由2，3，4字节储存信息及时送达，1字节和2，3，4字节储存信息的异或值构成了5，6字节储存信息，7字储存信息的功能为核对判别信息，可以使I/O分站的中断数据传输程序被激活一次。由I/O分站(ET200M分布式)发出的6字节储存信息中，分站的地址信息为1字节储存信息，I/O分站（ET200M分布式）收集到的生产信息信号状态由2，3，4字节储存信息存储，5，6字节储存信息主要功能为核对信息［7］。

总站（S7-300PLC）运用程控输出入方式（一种CPU决策如何提供周边设备服务的方式）达到与I/O分站（ET200M分布式）信息交流反馈的目的，主厂房I/O分站在第一秒内接收信息，主厂房I/O分站信息快速反馈，I/O分站（ET200M分布式）在接收到反馈信息后，总站（S7-300PLC）及时接收来自分站的信息；原煤仓I/O分站在第二秒内接收信息，原煤仓I/O分站信息快速反馈；装车站I/O分站在第三秒内接收信息，然后接收装车站I/O分站反馈的信息；按顺序循环通信，实现实时信息交流反馈的目的。

总站（S7-300PLC）和I/O分站（ET200M分布式）构成了下位机控制系统，总站（S7-300PLC）采用CP340通信模块，实现下传数据传输电台信息交流；I/O分站（ET200M分布式）同样采用CP340通信模块，并且使用RS485/232转换器与上传数据传输电台连接，上位机控制系统主要依靠MPI总线与S7-300 PLC实现信息传输，达到监控分站的目的。数据传输电台采用无线高速速传电台FC222-CH，采用Step7编辑操纵程序，调节数传信息，以达到及时维持洗选设备正常工作运行参数，监控管道内压力和及煤仓仓位的目的，及时反馈得信息，有利于中控制中心实时监测处理生产工艺流程，宁武选煤厂通信系统改造见下图［8］。

3 应用效果

因为缺乏相应的评定标准，因此优化改造后的通信系统应从系统通信可靠性以及与原有通信方式对比进行综合评定。

3.1 通信系统可靠性

评判无线通信系统的可靠性关键在于无线通信距离范围是否满足需求，通信距离主要受天线型号、天线架设高度以及场强电平影响。考虑到选煤厂通信范围为近距离通信，采用设计手册与之配套的吸盘天线（50 Ω）以及电缆线1（50～9），在集中控制室顶部布置中心站天线，并且天线应指向生产车间，天线架设高度H确定为20 m，为避免噪声和振动信号干扰和保证数传稳定性，天线延长到室外逐层布置远端站，远端站架设高度h为5～20 m，取5 m，通信距离可根据无线电波空中传输距离公式计算［2］，公式为：式中：D为无线通信距离，H为中心站天线的架设高度；h为远端站天线的架设高度。

代入数据H=20 m，h=5 m，计算得无线通信距离D=29.94 m＞20 m，满足选煤厂无线通信距离要求。

不同的场强产生的解调输出信号的SNR不同，SNR的数值差异会影响数据的传输，产生乱码或者错码现象。根据公式计算远端站接受场强电平Pr，公式为：

式中：Pr为接收场强电平，dB·m；Pt为信号发射功率，dB·m；Gt和Gr为发射天线和接收天线的增益值，dB·m；Lt和Lz为发射电缆线和接收电缆线损耗，dB·m；LO为介质损耗，dB·m。

衰落储备Fd决定接收设备的抗干扰能力，衰落储备越大，SNR越大，越有利于信息传递。衰落储备Fd可根据公式计算，公式为：

式中：Fd为衰落储备，dB·m；Pr为接收场强电平，dB·m；Ps为接收设备场强电平，dB·m；数据传输电台FC222-CH接收设备的场强电平为-115dB·m，经计算得Fd=30 dB＞20 dB，满足理论要求，具有较强的抗干扰能力。

从天线型号、天线架设高度以及场强电平三方面分析，宁武选煤厂具有可靠的无线通信系统，可以实现选煤厂中控系统信息的无线传输。

3.2 通信方式对比

从成本、适应性、扩展性和设备检修四个方面对宁武选煤厂通信方式改造前后进行对比［6］，通信方式对边如表1所示。

综上，通过对无线通信系统的应用的效果分析，确定了无线通信系统信息传递的可靠性，无线通信方式能够解决有线通信方式存在的安全隐患，且成本低廉，有极高的应用价值。

表1 宁武选煤厂通信方式对比

4 结语

通过对宁武选煤厂无线通信系统的应用研究，无线通信技术的应用对于提高选煤厂信息传递效率和解决有线通信方式安全问题有重要的意义，对于类似情况选煤厂通信系统值得推广应用。在宁武选煤厂无线通信技术的应用中，由于复杂的编程，需要专业的程序维护人员，如何降低应用难度，有待研究人员进一步探索。