京能锡林发电工业无线技术方案探讨

京能锡林发电工业无线技术方案探讨

赵森张海龙

(北京国际电气工程有限责任公司)

一、工业无线技术概述

1、工业无线概念

工业无线技术是一种新兴的，面向现场应用的，短程、低速率信息交互的无线通信技术。工业用无线传感器网络，是指一类为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线通信连接的嵌入式通信网络。按现今工业自动化业界的共同认识，在工业自动化和控制环境中的无线应用划分为监控、控制和安全应用三大类。

2、工业无线技术优势

基于工业无线技术的测控系统，与传统的有线测控系统相比，具有低成本、高可靠、易维护、高灵活、易使用的优势，具体如下：

2.1非接触传输，特别适用于恶劣环境或对振动、高速旋转对象的监控；

2.2能降低安装成本（电缆、桥架、保护管套、人工布线）和运行维护成本（线缆、蛇皮管、桥架、标定、诊断）；

2.3更换方便，便于升级；

2.4减少接插件故障，移动自由且不受限制；

2.5工厂测试模式的变革；

2.6在危险区域可以实现本质安全；

2.7可以实现基建同步工序和先行调试，有效的压缩了工期；

2.8针对已建成的网络，可以便捷增加监测点。

3、工业无线技术的发展现状

工业无线技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。在工业控制系统中引入无线通信技术，可设计全新的无线工业控制网络通信体系或无线与有线混合的工业控制网络通信体系，从而促进传统控制网络升级换代。

工业无线正处于一个高速发展的阶段，突出的优势创造了巨大的市场，不过它在应用上依旧受到限制。据美国网络技术市场分析ONWorld公司对工业无线技术市场进行调研的结果显示，阻碍用户接受无线技术的关键问题在于工业无线技术缺乏统一的国际标准。针对这一问题，一些国际大公司和区域组织开始了相关的工作，并且取得了重要的突破。

目前在工业控制和消费电子领域使用的无线网络技术有ZigBee、无线局域网（WiFi）、蓝牙（Bluetooth）、ISA100、WIA-PA等，未来还会有3G、超宽频（UWB）、无线USB、WiMax等。当然还有大量的私有和专用无线网络在工业控制和消费电子装置中使用，其中无线HART（ZigBee）、ISA100、WIA-PA是目前在国内工业控制中讨论和使用较多的3种，它们被广泛应用于工业检测等领域。3种标准的特点对比见表1。

4、工业无线技术应用实例

目前工业无线技术在石化、核电等领域应用较多，国内火电厂无整套应用，工业无线技术主要针对设备的在线监测，目前还不能应用于设备控制系统和设备保护系统中，火电厂系统中主要有以下实施案例（国内）：上海石洞口电厂除灰系统、华电电科院电厂性能分析系统、武汉钢电股份有限公司自备电厂凉水塔以及多个泵房水池水位监视、贵州盘县电厂等；核电厂具体实施案例参照下表。

表1核电站无线技术应用现状

5、电力系统工业无线技术品牌

Emerson公司：无线技术与HART总线技术有效集成的SmartWireless

Honeywell公司：OneWireless的工业无线（HART）

Siemens公司：WirelessHART

ABB公司：WirelessHART

E+H公司：WirelessHART

横河公司：Wireless（ISA100）

二、工业无线技术实施方案

1、项目概述

京能五间房煤电一体化项目位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗吉林高勒镇境内，由北京京能电力股份有限公司和华润电力控股有限公司共同投资开发建设。电厂项目紧邻华润电力控股有限公司的五间房矿区西一矿，属于坑口电厂。工程采用“煤电一体化”建设模式，本期工程建设2×660MW超超临界间接空冷抽凝机组，同步配套建设脱硫和脱硝设施，本工程应用现场总线技术实现数字化电厂控制方案。

2、工业无线技术应用范围

锅炉补给水处理系统、工业废水处理系统、综合污水处理系统以及水工补给水系统内所有温度、压力、差压、液位流量和分析仪表。

3、工业无线技术实施规范

IEEE802系列标准；

工业级无线传感器网络国际标准ISA100.11a；

WirelessHART通讯标准；

公共可用的规范IEC/PAS62591Ed.1；

火力发电建设工程启动试运及验收规程DL/T5437-2009；

电力建设施工技术规范第4部分:热工仪表及控制装置DL5190.4-2012；

火电工程达标投产验收规程DL/T5277-2012；

大中型火力发电厂设计规范GB50660-2011；

火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程DL/T657-2015；

防止电力生产重大事故的二十五项重点要求；

火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程DL/T774-2015；

火电工程达标投产验收规程DL/T5277-2012；

火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则DL/T261-2012；

火力发电厂热工自动化术语DL/T701-2012；

火力发电厂热工保护系统设计技术规定DL/T5428-2009；

发电厂热工仪表及控制系统技术监督导则DL/T1056-2007；

火力发电厂辅助系统(车间)热工自动化设计技术规定DL/T5227-2005；

火电厂排水水质分析方法DL/T938-2005；

火电厂环境监测技术规范DL/T414-2012；

火电厂水质分析仪器质量验收导则DL/T913-2005；

工业自动化系统和集成产品数据表示和交换ISO/TS10303-2014；

工业通信网络现场总线规范IEC61158-2014；

测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3:PROFIBUS规范GB/T20540-2006；

测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3:PROFIBUS规范(上下册)JB/T10308.3-2005；

基于PROFIBUSDP和PROFINETIO的功能安全通信行规-PROFIsafeGB/Z20830-2007；

pH(酸度)计量器具检定系统表JJG2060-2014；

电导率计量器具检定系统表JJG2059-2014；

工业铂、铜热电阻检定规程JJG229-2010；

压力变送器检定规程JJG882-2004；

4、可靠性分析

火电站是复杂的工程系统，其运行和管理要求所布置的无线系统能满足多种需求。因此，设备检测要求保证通信的实时性，与DCS系统具有高度兼容性，与检测设备有无缝的连接性。此外,随着技术进步和应用经验的积累,可能需要将已安装的无线系统应用于新的领域,故而,要求系统有良好的可扩展性和可升级性。根据火电站多种应用需求选择适用的无线技术标准是一个综合评估的过程。根据相关研究和工业应用经验,在评估过程中应重点考虑技术成熟性、网络安全性、可靠性、扩展性、兼容性和实时性等因素。

4.1、技术层次的成熟性

技术层次问题指无线技术本身,包括电磁场理论、天线技术、信道编码/扩频和多址接入以及拓扑控制等多方面的问题。目前,无线技术已经渗透到日常生活的各个方面,在石油化工及核电等重要工业以及城市供热等重要民生领域也到了广泛应用,故其在技术层次上是基本成熟的。

4.2网络组织结构的稳定性

网络组织结构对网络时延、可靠性和稳定性等性能有重要影响。主要的网络拓扑结构有星形、环状、总线以及mesh结构等。星形和环状拓扑结构较简单,网

络延时较容易确定,但稳定性和可靠性差;mesh网络是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中所提到的“自组织网络”中的一种。mesh技术通过数据链路内在的冗余性实现高网络可靠性,是当前工业应用中先进的网络组织结构。Honeywell和Emerson工业无线产品均采用了先进的mesh网络技术,基于此技术,现场仪控设备能以自组织的方式形成冗余网络。因此,我公司无线技术应用宜采用mesh组织结构,以提高可靠性和容错性。

在网络结构设计时,还应考虑不同应用之间的隔离,如现场无线工艺设备与无线监控设备的隔离。此外,还应考虑无线网络和有线网络之间的隔离。在无线系统中,隔离主要通过采用不同的通信频率或扩频技术等手段实现。需要指出的是,无线射频通信通常是同高速有线网络联合应用的。利用光纤主干网能提高无线网络的数据吞吐量并能将数据传输到更远距离。将无线射频通信系统接入光纤主干网的另一个优点是在不允许无线通信的区域仍然可以通过有线网络与无线网络交换信息。综合考虑上述因素，我公司无线技术架构应通过技术手段实现不同应用通信网络的物理隔离,利用mesh网络实现现场设备的灵活布置并提高通信的可靠性。将无线系统接入已有的光纤主干网,一方面可提高无线系统的吞吐量和实时性,另一方面可利用无线系统获系统的全面信息。通过防火墙、隔离网关等技术手段确保无线网络不会影响有线网络。

4.3安全优先等级划分（QOS控制）

电磁波空间传播的特性决定了在一定时空范围内的多台无线设备不能同时占用特定频段的信道,故无线网络不可避免地存在时延和抖动问题。时延是指无线传输过程中数据接收端和发送端之间的时间延迟,而抖动则指相同的数据接收端和发送端在不同时刻时延的差异。在有线网络中同样存在时延和抖动,只是无线网络的时延和抖动更明显。网络时延和抖动与网络带宽或数据传输速率密切相关,一般来说,数据传输速率越高,时延越小,抖动越不明显。在给定网络传输速率的情况下,时延和抖动也是可以控制的。有效防止这两个现象发生的方法是采用QOS(qualityofservice)控制策略。QOS是一种基于优先级的网络时延控制策略,它根据通信任务重要性及其网络时延要求设定任务优先级,适用于无线和有线网络。无线信道的接入控制确保了高优先级任务的数据先于低优先级任务传输。电厂水处理系统数据通信和物料跟踪对网络延时和抖动要求并不苛刻,运用当前的成熟技术是完全可以满足要求的。石油化工厂和部分火电厂初步应用的经验都已表明无线技术在此类应用中是完全可行的。若将无线系统用作非1E级（非安全设备）有线系统的多样化后备,目前的成熟技术(如IEEE802.11g)还不能完全胜任。从某种意义上来看,ISA100标准的制定就是为了解决此问题。在ISA100技术标准中考虑了无线技术在仪控系统应用中严格的实时性要求,其QOS将通信任务划分为六个优先等级。第0级优先级最高,用以保证安全有关的任务,如安全互锁、紧急停机和火灾响应等;第1级用于电动机、流量和压力控制等。由此可知,最新工业无线技术标准已能满足安全有关等应用的实时性要求,因此,将无线系统用作我公司水处理系统（非1E级）中的有线系统的多样化后备在技术上是可行的。

4.4现场电磁兼容性

相比有线技术,火电厂无线技术应用需重点解决的关键问题是电磁干扰和电磁兼容性。火电厂机电设备较多,存在大量电磁干扰源,可能影响基于无线通信的设备工况参数的传输。更重要的是,无线设备发射的电磁波有可能对火电厂关键的机电设备造成干扰,也有可能影响仪表的精度。为了规避可能出现的风险,火电厂一般都划定了无线设备禁用区,在此区域内禁止使用任何无线设备。根据国内外在电厂和石油化工系统应用无线技术的经验来看,这种做法略显保守。根据各工业系统无线技术应用的经验反馈,经济可行的方法是实测火电厂的电磁环境,选择适当的位置布置无线接入点和无线网关,以确保无线设备和电厂机电设备互不干扰，因此选择大型电机少、系统单一的水处理系统是可行的。

4.5网络安全性

由于无线信道传输空间的开放性,无线系统容易受到外部恶意攻击。无线技术在电厂的1E级系统和非1E级控制系统尚未得到应用,这在主要程度上是出于对网络安全的考虑。从实际应用经验来看,这种考虑略为保守。国内外的研究和工业应用经验表明,采用最新安全防范技术的无线网络,其安全性不逊于有线网络。目前主要通过以下先进技术保证无线网络的安全性。

（1）数据加密:为保护敏感数据免受侦听,实施端到端的加密。研究表明,目前广泛应用的128位AES加密对无线网络是可行的。

（2）授权机制:在建立连接之前必须进行身份认证,防止未授权的设备接入网络,同时,动态变化密钥,以保证授权机制在加密方面足够安全。最新技术是采用带宽外机制(如红外传输),实现一次性密钥分配。

（3）信道容错性:火电厂复杂的电磁环境有可能干扰正常无线通信,因此,信道都是有损的。通信协议必须能探测并适应丢包现象,并具备通信再同步能力。

（4）移动安全性:在移动环境下保持无线系统的安全性,可采用主动密钥缓存机制保证移动环境下的网络安全,此机制是IEEE802.11i协议的扩展,也是

IEEE802.11r协议的基础。

4.6兼容性

WirelessHART可以兼容所有支持HART协议的仪表，而且可以支持所有主流DCS品牌，而且目前Emerson公司、Honeywell公司、Siemens公司、ABB公司、E+H公司以及横河公司均有产品丰富的无线HART设备，因此针对我公司水处理系统的压力、差压、流量、液位以及化学分析仪表的实施是可行的。

5、实施工业无线技术注意事项

部署无线方案之前,须考虑采用何种技术最适合现阶段及未来的发展需求。以下是选择工业无线解决方案的注意事项。

5.1单一功能网络还是多功能网络。单一功能网络初期成本效益非常显著。但从长期来看,多功能网络支持多种通信协议和多种应用是更具成效的解决方案。

5.2网络兼容性。所有系统都应该支持WiFi和有线以太网,并能够顺利升级至符合ISA100HART等国际标准，还应预留无线技术后续升级的接口。

5.3可靠性和可扩展性。不同场合有不同的应用要求,为确保未来升级方便与扩展应用的灵活性,应采用能够提供高可靠数据的系统。由于无线网络以无线方式传输数据,容易被窃听,所以必须对数据采取适当的加密保护。

5.4信息传输速度。某些应用要求高速传输,另外一些场合则可以容忍较低一些的传输速率从而保护电池寿命。同一网络应同时包容多种速率,可满足特定的速率需求。

5.5通知和报警频率。许多传感器网络会定期报告信息,多数应用场合需要在超出限定值后快速进行通知或报警。系统应支持用户选择定期更新和按需更新。

5.6电源管理。如果选择电池供电的无线产品,请先确定需要的报告率,然后确定在此报告率下的电池寿命。大多数工厂以4s更新率为合理基准。

5.7控制应用要求。尽可能使用控制方式成熟的系统进行监控,而不是在未来进行升级增加一个单独的监控系统。

5.8维护的可预测性。更换电池的费用,会抵消一些因节省布线而带来的成本节约。需要考虑系统是否将以固定速率或不固定速率运行,来判定电池消耗。

5.9可扩展性。随着入网设备的增多,部分设备信号会衰减,因此应选择能够提供可扩展性的网络。

5.10多种应用接口。无线网络应能够轻松地与旧应用接口对接,保证对整个运营业务的支持,而非只针对单个系统。

5.11尽量选用和DCS可以无缝结合的工业无线技术方案，即DCS与现场无线设备为同一厂家。

5.12所有无线仪表均支持HART协议，否则无法实现无线功能。

6、工业无线网络构成和实施原理

整个网络由支持HART协议的流量计（安装无线通讯器）、在线分析仪表（安装无线通讯器）、无线压力/差压/液位变送器、阀位反馈（安装无线通讯器）、网关设备、移动工作站以及DCS系统构成。

现场无线设备按照相关无线通讯协议，可以通过网关设备将现场信号送至DCS系统内，移动工作站可以通过网关设备接入至DCS系统，并可移动的、实时的观看系统各项参数（无操作权限），从而构成整个无线工业监测生态系统。

7、工业无线网络缺点和应对方案

全部测量系统的无线化也具有明显的缺点，主要有以下几点：

7.1压力\差压\液位信号处理的扫描周期较慢，为1-10s，而常规设备扫描周期为1/5s，为保证电池的使用寿命，常规设置为4s（1s扫描周期的电池寿命为1年左右，4s扫描周期的电池寿命为4-5年，单个电池价格在400元左右）；而流量和在线分析仪表则不存在电池供电，其为仪表电源供电，故而扫描周期可降为最低；阀位反馈设备的扫描周期虽然为4s，但当阀位反馈变化时，其为顺发信号；由于水处理系统为非安全系统（加药系统除外），其绝大部分控制为开关量顺控，模拟量仪表只作为监视信号，因此在逻辑控制图中只需将部分控制时间稍放长些即可实现整体控制，从而也不会影响系统整体的稳定性。

7.2测量系统的无线化的抗干扰能力较常规方案差，部分电科院已在其性能试验系统中实施了无线技术，因此其精准度不存在问题，其他干扰性问题已在可靠性分析中论述，在此不再赘述。

7.3无线设备单体价格较高，无线压力/差压/液位变送器为常规设备的价格3倍左右，无线温度变送器为常规热电阻的5-10倍，其他无线设备加装无线通讯器（价格在4000-5000元/台），其供电可由24VDC支持（设备本体或另外安装），无线网关传输距离为200m以内，常规布置为120m，限于水处理系统面积的限制，此设备用量不多（大概10台左右），常规设备电缆用量为30000-40000m左右，以7*1.0芯非耐高温电缆计算（单价15元/m左右），为50万元左右，此外电缆桥架（30元/米，10000元/吨）、穿线管、蛇皮管、施工费（电缆施工8000元/km，桥架施工2000元/吨）以及工期造价等综合因素，如此计算无线方案总体更具备优势，总体造价大概可节约25%左右（仅工程阶段），为防范后续维护费用增加的风险，因此需要求质保5年以上的设备即可解决。

三、结论

综合以上各因素分析，我公司在水处理系统实施工业无线技术测量是可行的，但实施过程中需要联系相关专业人员开展好技术可行性论证、确定好逻辑绘制方案、做好安全性测试和评估、问题收集整理、调试方案以及验收方案等工作，才能将此项技术用好，从而实现先行示范的良好效果，为后续其他火力发电企业提供经验和参照。