5G無線儀表技術突破接線和電纜的束縛，可實現(xiàn)更加靈活方便的過程參數(shù)采集，與現(xiàn)有有線的分布 式 控 制 系 統(tǒng) ( DCS) 、可 編 程 序 控 制 器( PLC) 等控制系統(tǒng)進行無縫式數(shù)據(jù)集成，從而進一步延伸測控的廣度和深度。無線技術在電廠適用的場合有: 敷設電纜或接線困難的測點，分布非常分散的區(qū)域，隔離和屏蔽的區(qū)域，檢修難的區(qū)域，移動或旋轉的設備，電纜易損壞和折斷的場所; 電纜橋架、卡件、機柜等備用件用完的場合; 安裝工期要求迅速的項目; 現(xiàn)場沒有電源供應的場合等。
1 5G儀表無線網(wǎng)絡方案
目前，儀表無線網(wǎng)絡方案主要有兩種: 一種以 WirelessHAＲT 為代表的儀表 mesh 無線網(wǎng)絡，一種以 ISA100 為代表的節(jié)點 mesh 無線網(wǎng)絡。這兩種解決方案都是為達到工業(yè)級別的無線應用而集成了 mesh 多路徑的通信技術、跳幀擴頻通信技術及基于精確時間同步的通信，以及基于數(shù)據(jù)碰撞的通信技術。
1． 1 以 WirelessHAＲT 為代表的儀表 mesh
無線網(wǎng)絡
該方案的現(xiàn)場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數(shù)，還可同時作為其他儀表的通信路由。通常配置一個網(wǎng)關，實現(xiàn)與 DCS 的數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通信，采用 2． 4 GHz 公用頻段。整個無線網(wǎng)絡自組織、自愈合，實施較簡單。
1． 2 以 ISA100 為 代 表 的 節(jié) 點 mesh 5G無 線
網(wǎng)絡
該方案由節(jié)點構建通信速度非?？焖俚臒o線 mesh 主干網(wǎng)絡，該無線主干網(wǎng)絡自組織、自愈合，同時支持多種無線應用和多種通信協(xié)議的現(xiàn)場儀表?，F(xiàn)場無線儀表可自動選擇與任意節(jié)點進行無線通信，自組織，自愈合。但現(xiàn)場儀表不配置路由功能。通常，任何一個節(jié)點都可以或同時作為網(wǎng)關實現(xiàn)與 DCS 數(shù)據(jù)集成。無線變送器由電池供電，跳頻擴頻通信，采用2． 4 GHz 公用頻段。這種方案的優(yōu)點是無線變送器的刷新速度很快，為 1 s 或 0． 25 s。由于無線變送器只需 1 個 “hop”就可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€通信速度非常快的無線主干網(wǎng)上，所以整個網(wǎng)絡的通信時間滯后也很短。
1． 3 WirelessHAＲT 無線網(wǎng)絡構架的特點
WirelessHAＲT 無線網(wǎng)絡構架以 Emerson 公司的現(xiàn)場智能無線網(wǎng)絡 ( WFN) 為代表。
Emerson 現(xiàn)場智能無線網(wǎng)絡 ( WFN) 架構分為兩層: 第一層是由現(xiàn)場無線設備組成的自組織網(wǎng)絡 ( self organizing network ) ，這些設備以自我組織、智能化的方式與網(wǎng)關 ( Gateway)進行無線通信; 第二層是網(wǎng)關和主機系統(tǒng)的無縫集成，主機系統(tǒng)可以是 DCS、無線網(wǎng)關控制器、人機界面 ( HMI) 或類似于設備管理和維護 的 工 作 站 等。 Emerson 智 能 無 線 網(wǎng) 絡( WFN) 實現(xiàn)了主機系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表間的信息傳輸和交互。
1． 3． 1 5G無線網(wǎng)絡第一層———自組織網(wǎng)絡
(1) 安全可靠。
由 Emerson 現(xiàn)場無線設備組成的通信網(wǎng)絡，采用全網(wǎng)格拓撲結構 ( mesh topology) ， 集成工業(yè)級的安全措施，通過高度可靠的冗余路徑進行通信。無線網(wǎng)絡可以自我組織、自我適應、自我愈合，可靠性超過 99． 99% 。即使通信路徑受到干擾，無線設備也能夠自動重新選擇其他非常優(yōu)冗余路徑進行通信。SmartWireless現(xiàn)場無線設備包括測量溫度、壓力、無線控制等過程參數(shù)的無線儀表、無線網(wǎng)關等。現(xiàn)場無線設備均配備無線發(fā)射裝置，設備和微波發(fā)射部件無縫集成于一體。所有現(xiàn)場無線設備都配備一體化全向天線，根據(jù)現(xiàn)場情況，天線方向可以調整到合適位置?，F(xiàn)場無線儀表設備、無線發(fā)射天線和供電電池符合本質安全規(guī)范: 適應 Class 1、Division1 危險環(huán)境應用; 符合 NEMA 4X / IP66 要求，可安裝在戶內或戶外。智能無線儀表由工業(yè)級本安認證的鋰電池供電。
5G無線網(wǎng)絡構架如圖 1 所示。
現(xiàn)場設備之間通信安全可靠，數(shù)據(jù)包采用AES － 128 位的行業(yè)標準加密技術。設備加入某一個網(wǎng)絡需要通過端對端的通信認證，以及全面的密碼確認。安全性管理、設備認證等功能內嵌于智能無線網(wǎng)關中，無須專用上位機軟件就可以對現(xiàn)場無線設備的通信路徑進行管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡自動愈合、自適應管理，避免了由于上位機的故障而導致現(xiàn)場設備的掉線和無法切換路徑等問題。為了保障更高的安全性，無線網(wǎng)絡支持密鑰自動輪換管理功能。
(2) 符合無線國際標準和中國國標。
Emerson 現(xiàn)場設備的無線技術符合當前流程行業(yè)中非常好的無線通信國際標準: WirelessHAＲT ( IEC 62591) ，物理層采用 2． 4 GHz的世 界 公 用 頻 段 ( ISM，2 400 ～ 2 482． 4MHz) ，采用直接序列擴頻技術 ( DSSS) 和跳頻技術 ( FHSS) ，無須重新組態(tài)或人工介入，設備可以自動跳頻。無線通信的鏈路層 ( LinkLayer) 符合 IEEE 802． 15． 4 工業(yè)無線通信標準。2014 年 5 月，WirelessHart 被批準為推薦性中國國家標準 GB /T 29910—2013，為當前流程行業(yè)中非常好符合國際標準和中國國家標準的無線通信標準。
同時，Emerson 無線儀表系統(tǒng)及相關設備符合中華人民共和國無線電管理規(guī)定和技術標準，擁有無線電發(fā)射設備型號核準證，即符合工信部無 〔2005〕423 號文件 《微功率 ( 短距離) 無線電設備的技術要求》的規(guī)定。
(3) 無線 HAＲT 儀表易于使用。
Emerson 智能無線網(wǎng)絡的結構保證了數(shù)據(jù)通信的高可靠性和現(xiàn)場快速安裝及使用?，F(xiàn)場無線設備同有線 HAＲT 智能設備的安裝方式相同，無須對現(xiàn)場技術人員進行額外培訓。智能無線設備為 HAＲT 設備 ( 見圖 2) ，可以通過標準的 HAＲT 手操器完成無線儀表初始設置網(wǎng)絡標識 ( Network ID) 和握手密碼 ( Join Key)的 安 全 設 置，確 保 網(wǎng) 絡 安 全?；?于 標 準 的HAＲT 協(xié)議，無線儀表提供包括 PV、SV、TV、QV 四個過程參數(shù)及參數(shù)狀態(tài)信息，并可實時監(jiān)測供電電池電量參數(shù)。選擇 LCD 表頭，可以實時觀察無線設備在線狀態(tài)及過程參數(shù)。
1． 3． 2 與主機系統(tǒng)通信的第二層無線網(wǎng)絡
(1) 通用標準接口可以與主流控制系統(tǒng)無縫連接。
現(xiàn)場無線儀表的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關集成到主機系統(tǒng) ( 如 DCS、PLC、HMI 工作站) 中。采用遠程天線至室外的方法，網(wǎng)關可安裝在戶外，也可以安裝在室內?？商峁┒喾N通信接口與不同主機系統(tǒng)連接，多種標準接口見圖 3。通信接口支持以太網(wǎng)通信標準 ( Ethernet10baseT) ，以實現(xiàn)與主機系統(tǒng)的 OPC、ModbusTCP 通 信?？蛇x支持光纜 連接的通信接口( Fiber Optic communication port) ，以實現(xiàn)更遠距離的通信連接。
網(wǎng)關預置了 Modbus ＲTU 兩線制 ＲS485 串口通信口，支持多點連接 ( multidrop connections) ，傳 輸 速 率 為 9 600 ～ 57 600 bit / s，ＲS485 通信電纜非常遠距離不超過 1 500 m。
(2) 方便有效的無線網(wǎng)絡設計和管理平臺。
現(xiàn)場可以同時安裝多個無線網(wǎng)絡，分別由各自的網(wǎng)關管理。每個網(wǎng)關管理的無線網(wǎng)絡連接非常多 99 臺設備，網(wǎng)關支持冗余配置。網(wǎng)絡管理平臺如圖 4 所示。
Emerson 無線儀表系統(tǒng)的實現(xiàn)不需要廠商專用的軟件工具，采用標準的 IE 瀏覽器即可對無線網(wǎng)絡實現(xiàn)設備組態(tài)、網(wǎng)絡配置、無線網(wǎng)絡通信診斷、多變量過程參數(shù)顯示、與上位控制系統(tǒng)連接等功能。為了實現(xiàn)全場智能設備一體化管理的理念，該無線系統(tǒng)和設備無縫集成到有線 HAＲT 儀表管理平臺中，建立統(tǒng)一的智能設備數(shù)據(jù)庫。無線設備發(fā)生故障時，會在DCS 操作員及 AMS 終端站上報警，提醒維護人員。
為了保障通信可靠、設計方便及有效性，Emerson 提供無線網(wǎng)絡設計工具，以便用戶驗證和優(yōu)化無線網(wǎng)絡的布置。該工具支持圖形化拖拉方式實現(xiàn)儀表和網(wǎng)關的三維布置，能自動分析無線通信的冗余狀態(tài)，并能實時顯示實際運行的無線網(wǎng)絡狀態(tài)，包括: 無線儀表的通信健康性、過程參數(shù)、電池電量等。
1． 3． 3 智能5G無線適配器 THUM775
許多工廠有成百上千臺 HAＲT 儀表，這些儀表包含了豐富的診斷和過程信息。然而，利用傳統(tǒng)有線方式獲取這些信息非常困難且成本很高，因此往往被擱置不用。Emerson 開發(fā)的智能無線適配器 THUM775 是專門為已經(jīng)在現(xiàn)場安裝使用的有線 HAＲT 設備的適配器。使用無線適配器 THUM775，可簡單經(jīng)濟地獲取智能信息。有了這些預測性診斷信息，工廠可消除大量的監(jiān)測盲點，可以在設備發(fā)生故障之前解決很多問題，生產(chǎn)率也能提高。THUM775擁有本安認證，可以與任何設備匹配。它的工作原理是使用無線 HAＲT 技術創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，包括無線發(fā)射器、無線接收器、微處理器和天線。THUM775 接入設備上的標準電氣接口獲得回路供電，獲取 HAＲT 信息而不影響設備原先的模擬信號。這些信息由無線網(wǎng)絡傳輸至網(wǎng)關，網(wǎng)關如同一個有線多路轉換器將設備信息傳至控制室。3051變送器和 THUM 無線適配器如圖 5 所示。
2 現(xiàn)場應用
為完善水平衡管理，完成減排目標，鎮(zhèn)江電廠啟動廢水零排放工程。根據(jù)鎮(zhèn)江電廠的實際情況，新建 20 m3 / h 的精處理低鹽廢水處理系統(tǒng)、40 m3 / h 含煤廢水處理系統(tǒng)、5 m3 / h 的 含油廢水處理系統(tǒng)、26 m3 / h 末端廢水處理系統(tǒng)各一套。還對原生活污水處理系統(tǒng)、化學再生廢水回用、精處理再生廢水高低鹽分離、渣水零溢流、脫硫廢水處理系統(tǒng)、全廠污泥處理系統(tǒng) ( 不含末端廢水處理系統(tǒng)污泥) 、全廠雨水收集回用、排水系統(tǒng)流程等進行改造。在各廢水處理點、關口用水管路、排水系統(tǒng)增加相關的關口計量儀表，并對各測點的流量等信號進行在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集及運算。
常州電廠煤水廢水處理裝置與脫硫廢水處理系統(tǒng)距離上千米，與循環(huán)水、雨水等出水口距離更遠。這些遠程測量點非常分散，而且面廣。如采用有線方式，需敷設大量電纜，搭建大量橋架。許多橋架須穿越道路，必須搭設過頂天橋，并在各個廢水處理點新建電子間放置新增測點機柜。工程量非常巨大，工程周期較長。采用無線技術進行網(wǎng)絡構架，在新增的測點上采用無線流量計等測量儀表，將采集數(shù)據(jù)通過無線方式傳送至安裝在現(xiàn)場的無線網(wǎng)關，通過以太網(wǎng) Modbus TCP / IP 將網(wǎng)關數(shù)據(jù)接入就近水處理系統(tǒng)的控制柜的網(wǎng)絡通信交換機，再送至上位機。WirelessHAＲT 無線網(wǎng)絡技術應用到我廠優(yōu)勢非常明顯。
無線網(wǎng)絡結構如圖 6 所示。
現(xiàn)場5G無線網(wǎng)絡布局如圖7 所示。
我廠現(xiàn)場使用的變送器大 部 分 采 用Emerson3051系列產(chǎn)品，可以通過 THUM775 無 線 適 配器進行無線化升級，以非常小的代價實現(xiàn)無線通信。
WirelessHAＲT無線網(wǎng)絡可以非常大程度地實現(xiàn)現(xiàn)場設備的統(tǒng)一性和兼容性，減少產(chǎn)品升級帶來的額外費用。
在需要增加的測點安裝一體化 3051SFA或 3051SFC ( 多孔孔板) 無線流量計，在現(xiàn)場顯示流量，流量信號通過無線 HAＲT 方式發(fā)送給 1552WU 無線網(wǎng)關?，F(xiàn)場共分 4 塊區(qū)域: 工業(yè)水 系 統(tǒng) ( 共 10 臺) 、脫 硫 水 系 統(tǒng) ( 共 4 臺) 、除灰渣系統(tǒng)及輸煤水系統(tǒng) ( 共 9 臺) 、生消水系統(tǒng) ( 共 9 臺) 。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，暫時配置 4 臺 1552WU 無線網(wǎng)關，以保證現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。也可以采用中繼器減少網(wǎng)關數(shù)量。后續(xù)增加測點無須再增加網(wǎng)關數(shù)量，就近接入相應網(wǎng)關即可。各 無 線 網(wǎng) 關用水系統(tǒng)的無線流量計安裝位置清單如表 1所示。
4 個 1552WU 網(wǎng)關中的 1 個網(wǎng)關作為上位機接入端口，其余 3 個網(wǎng)關分散在較遠區(qū)域以接入較近的流量計信號。網(wǎng)關之間通過 wifi 信號進行橋接通信。主網(wǎng)關集中了所有現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng) Modbus TCP / IP 送到上位機計量中心。
1552WU 智能網(wǎng)關支持多種通信協(xié)議的接口與上 層 主 機 連 接，主 要 有 Modbus ＲS485，Modbus TCP / IP 或 OPC。熱網(wǎng)人機接口為第三方成熟 HMI 軟件，允許采用 OPC 通信方式進行信息傳輸。
中控室設置數(shù)據(jù)處理工控機，采用成熟組態(tài)畫面，方便人員操作、記錄并自動生成數(shù)據(jù)報表。上位機具備如下功能:
(1) 整體水流量全場概覽圖，每個計量點能清晰體現(xiàn)。
(2) 數(shù)據(jù)報表自動生成功能，實時顯示瞬時流量值。
(3) 故障自診斷與數(shù)據(jù)記錄: 運行過程中出現(xiàn)的異常情況 ( 4 ～ 20 mA 斷線，無線信號強度減弱，無線裝置電池能量狀態(tài)) 可自行診斷; 對運行數(shù)據(jù) ( 運行時間、過程參數(shù)累計統(tǒng)計、故障報警等) 實現(xiàn)故障報警實時顯示功能。
(4) 測量點具備相應擴展增加的功能。
(5) 水平衡管理系統(tǒng)安裝有相應的儀表管理軟件系統(tǒng)，能夠對現(xiàn)場儀表進行遠程監(jiān)視和管理，包括量程，報警參數(shù)的設定，儀表遠程校驗等。
(6) 具 備 人 機 界 面 ( HMI) 交 互 功 能，在中心控制室，能設定人機界面 ( HMI) 儀表的量程、報警參數(shù)，對儀表進行遠程校驗，顯示儀表的各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)資料。
