廠外遠程站無線技術的應用探討

王川寧

摘 要：根據現有無線技術的內容，結合錢清電廠補給水泵房無線應用的經驗，對常山補給水泵房的無線通訊可行方案進行探討。

關鍵詞：帶寬；冗余；可靠性 1 引言

隨著電廠自動化程度的不斷提高，對于遠程站通常會采取無人值守的運行方式。對于遠距離的控制站的連接，通常的做法是采用敷設光纜。但由于我方鎧裝光、電纜的埋地未在征地范圍內，所以經常遇到私自開挖的情況，雖然在光纜敷設期間都會做一定的保護，但還是難免會出現光纜會被挖斷的狀況。

2 工業無線通訊現狀

工業無線網絡技術能輕易覆蓋有線網絡無法覆蓋的地方，具有低成本、低能耗、高靈活性、擴展性強的特點，已經成為繼現場總線后一個新的研究熱點。

2.1 近場無線通訊（傳輸范圍一般介于10～100m之間）：主要有ZigBee、無線HART等協議；ZigBee使用免執照頻段， ZigBee的底層技術基于IEEE 802.15.4，工作在20～250kbps的速率；主要特點是低功耗、低成本、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、低復雜度等。無線HART是專門為過程自動化設計的無線協議，向后兼容HART設備和應用，工作在2.4GHz射頻頻段，采用安全穩健的網格拓撲結構；數據速率：250KBPS，發射功率：10dBm。

2.2 遠程通訊（傳輸距離在300米以上）：電信運營商的無線通訊網絡解決方案，現已發展到3G時代（包括聯通WCDMA、移動TD-SCDMA、電信CDMA2000）；同時，4G的LTE系列標準也將大規模應用；電信運營商基站的可靠性也日益提高，一般采用平均無故障時間（MTBF）達20年的UPS供電，基站一般配比較有效的防雷擊措施，由雷擊引起故障的機率比較小。近場無線通訊擴展為遠程通訊方案，ZigBee、無線HART、民用無線通訊（802.11a/b/g/n/ac協議）都可以通過將信號增益后發射，從而拓展了通訊距離。

3 課題探討的內容

常山熱電的補給水泵房設置在常山港邊，離廠區圍墻的直線距離接近2公里，需同時敷設DCS、安防（電子圍欄）、場景監視各系統總共四條鎧裝光纜。考慮到這些光纜在同一的敷設通道內，被同時順壞的可能性比較大，本課題主要根據現階段無線技術的實際情況，定出一個為光纜連通訊提供備用通訊的無線方案。

常山熱電的控制系統為一體化設計，均采用愛默生的OVATION DCS系統，廠外補給水泵房設立一個DCS機柜，通過兩條冗余的100Mbps單模光纖接入BOP DCS網絡柜。愛默生的Ovation系統支持多網絡架構，無線通訊形式可以比較輕松的融入這套系統中。

常山熱電補給水泵房IO清單

統計下來現用的IO點數總共為186點，和錢清電廠補給水泵房控制系統的點數和類型相近，所以常山補給水泵房控制系統的無線通訊可以借鑒錢清電廠補給水泵房無線方案。

由于電子圍欄的報警對帶寬的要求不高，而且很多產品都有現成的各運營商通訊模塊，可直接添加模塊實現狀態、報警信號的傳輸。

補給水泵房的場景監視采用8臺720p的高清攝像機，接入就地的硬盤錄像機，對帶寬要求比較高，需要足夠帶寬的無線網絡做保證。

3.1 控制、安防與場景監視的整體無線設計

3.1.1 借用電信運營商無線網絡的方案

由于場景監視720p高清圖像生成的視頻碼率2Mbps左右，已是3G速率2Mbit/s的極限，所以本方案未將場景監視考慮在內。根據現場試驗，補給水泵房和廠內的電信的3G信號相對較好，所以控制系統以電信的3G信號接入為優先考慮。在補給水泵房DCS和化控室各設置兩臺互為冗余的工業級3G無線路由器，DCS側利用OVATION的備用OPC接口，化控室單獨設一臺雙網卡操作員站與路由器相連。電子圍欄的通訊添加移動或聯通通訊模塊，安保室內的報警主機通過同運營商的3G網卡接受現場的狀態、報警信號。

方案優點：1、對供電要求不高，無需配備單獨UPS電源，可借用場景監視的UPS電源。2、運營商租金費用比較低，整體維護成本比較低。3、VPN網絡加密性不錯，不容易被破解，安全性可以滿足要求。

方案問題：1、通過internet連接場內的控制系統，路由跳躍點較多，在操作員站LCD上的參數更新和操作都會有輕微的延遲（在現場用電信cdma2000無線網卡測試，數據包傳輸的延遲在5ms以上）。2、與民用無線終端設備搶帶寬的情況，會出現瞬時的帶寬不足情況，影響控制網絡的穩定。3、會受到運營商檢修設備的影響。

該方案在錢清熱電廠的補給水泵房有實用先例，該泵房采用PLC控制，租用移動GPRS網絡與廠內水網通訊，由于補給水泵房的IO點數不多，對控制響應速度的要求并不高，基本能滿足控制要求。而本方案由于采用了3G網絡，帶寬相比GPRS（114Kbps）有提高，更能提高控制品質，且為以后增加IO點預留了帶寬。

3.1.2 大功率天線方案

為降低無線傳輸的直線距離，廠區內和補給水泵房的無線收發天線設在圍墻上。控制系統：無線收發天線通過光纜與化控室內交換機連接，操作員站也掛在該交換機上；在補給水泵房內，DCS通過一臺OVATION OPC光電轉換器，使用光纜與室外的收發天線連接。安防系統：依舊按添加運營商模塊的方案執行。場景監視系統：無線收發天線通過光纜與安保室內交換機連接，視頻監控站掛在交換機上，在補給水泵房內，場景監視的硬盤錄像機通過光電轉換器、光纜與室外的收發天線連接。為了降低地形對無線通訊的影響，至少選用可在3km距離上維持5Mbps的穩定帶寬的大功率天線。為保證控制系統與場景監視的無線傳輸互不干擾，控制系統使用2.4G頻率，場景監視使用5G頻率。

方案優點：1、通訊帶寬高，可以傳輸數字視頻信號。通訊延遲小，更有利于提高控制系統的響應。2、不受運營商檢修設備的影響。

方案問題：1、雖然天線布置區域有避雷措施，但還是有雷擊威脅。2、設備數量多，初期投資比較高，同時也增加了維護成本。3、需要為大功率收發天線配置單獨的電源。

3.2 方案選擇

從技術的成熟性和實用性上來考慮，建議選擇借用電信運營商無線網絡的方案，作為原DCS通訊模式的備用方案。此方案簡單易行，建設和使用成本都不高，以后可以隨著運營商技術的發展而不斷升級。

4 結束語

雖然無線技術有不少優點，但由于其帶寬和可靠性的局限性，還無法大規模應用。但隨著無線技術在帶寬和抗干擾性技術上的不斷提高，大規模應用無線技術的控制系統將會越來越多。

參考文獻

[1]鄭慧莉.無線控制技術在電廠的應用[J].電力勘測設計. 2011（05）

[2]劉省賢，李斌.基于GSM和Zigbee技術的無線安防系統研制[J].陜西科技大學學報. 2009（08）