摘要：结合发电厂输煤控制系统信号传输方案的实际问题，采用先进的无线通讯技术，构建无线PLC控制网络，完美解决有线通讯遇到的难题。
关键词：PLC；无线通讯；数传电台；无线以太网
引言
输煤程控系统是火力发电厂辅助车间的主要控制系统之一，目前国内大部分电厂的输煤控制站和输煤最前端的斗轮机PLC之间的信号传输还是通过有线通讯方式实现的，但斗轮机需要随时改变取煤位置，经常出现斗轮机控制信号线拉断等故障，严重影响机组上煤。斗轮机的控制一直是发电厂实现输煤程控的难题，用传统有线连接，由于控制电缆与动力电缆平行距离过长，控制信号经常受到干扰，使设备不能正常运行。近年来，随着无线通讯技术的迅猛发展，使得斗轮机的远方控制有了新的途径，通过无线通讯技术实现斗轮机的远方控制，利用无线数传电台与输煤控制室中的输煤程控系统进行数据交换，实现斗轮机与输煤皮带的运行联锁，同时在控制室的上位机上可对斗轮机进行远方监控。
1 无线数传电台技术特点
1.1 无线数传电台技术背景
无线数传电台（无需基站的小功率设备称为数传模块）是目前工业控制领域的主要无线传输手段，无线数传电台是数字式无线数据传输电台的简称，其采用数字信号处理、数字调制解调，具有前向纠错、均衡软判决等功能，利用现有的超短波无线信道实现远程数据传输。数传电台是集无线通讯技术、无线调制解调技术、计算机控制技术为一体的通讯设备。这种来源于军事无线通讯技术的产品，抗干扰和保密性均非常强，通过数传电台构建可靠稳定的无线链路，完全可以满足电厂PLC控制系统之间通讯实时性、连续性、稳定性的控制要求。
目前无线数传电台以工作频率划分为433MHz、868MHz、900MH、2.4G扩频，其中868MHz、900MHz分别为欧洲和美国使用的频段，非我国合法使用频段，433MHz、2.4G扩频在我国是规定工业使用频段，其中433MHz需要办理无线电使用许可证，而2.4GHz为全球范围内免许可证频段。但433MHz频段的窄带通讯对煤场恶劣的电磁环境不适应，对多种干扰没有抑制能力；误码率高、通讯质量差；数据传输速率很低（最高9600bps）。而2.4GHZ频段的跳频／扩频通讯对环境适应能力强得，对多种干扰有很好的抑制能力；误码率低、通讯质量好；2.4GHZ频段数传电台的最高数据传输速率256Kbps，较433MHz频段的数据传输速率快27倍。
考虑到发电厂输煤程控系统无线通讯数据量并不大，确定采用2.4G跳频扩频技术作为输煤系统PLC之间无线通讯的物理层平台，满足无线通讯数据吞吐量，并减少与煤场附近PLC控制系统及其它通讯设备的互相干扰。
1.2 无线以太网数传电台技术特点
目前工业应用中较为成熟的无线数传电台，按其与上位机、PLC等数据终端的物理连接接口分类，主要分两大类：串口无线数传电台和无线以太网数传电台。串口无线数传电台主要用于带有RS232、RS485标准接口的上位机、PLC等设备之间的无线通讯，而无线以太网数传电台主要用于带有RJ45标准以太网接口的上位机、PLC（含交换机）等数据终端设备之间的无线通讯。无线以太网数传电台可以连接两段以太网或多个从PLC以太网通讯节点到一个主PLC以太网。通过查阅大量专业资料和应用调研，表明无线以太网数传电台较串口无线数传电台的组网更容易，且无线以太网数传电台数据传输速率更快，结合发电厂输煤系统的实际需要，本文将重点介绍无线以太网数传电台技术特点及应用方案。
无线以太网的网络协议可分为802.1a、802.11b、802.11g等，这几种无线协议均由802.11演变而来的。无线以太网中802.11a工作在5.4GHz频段，数据传输速率最高54M，主要用在远距离的民用、商业无线连接。802.11b工作在2.4GHz频段，数据传输速率最高11M，逐步被淘汰。802.11g工作在2.4GHz频段，数据传输速率最高54M。最新的无线以太网标准802.11n目前还不成熟，数据传输速率最高速达到300M。而火电厂斗轮机程控一般的I／O点数最多200点左右，且基本都是开关量信号，速率在20k／s就足以满足无线通讯要求，因此无线工业以太网802.11g完全能满足通信速度的要求。
2 无线数传电台的应用方案
对于某发电厂输煤系统斗轮机无线控制方案中，无线以太网数传电台通讯采用点对多点的通讯模式，通讯系统由1台无线通讯主站与3台从站组成，即分别在输煤转运站PLC和3台斗轮机PLC从站上配置无线通讯装置，无线通讯装置分别通过双绞线连接到各个PLC 上的以太网通讯模块，这样，输煤转运站PLC和斗轮机上PLC通过1对3的主从无线网络直接连接起来，无线控制系统配置方案图如图2所示。
图2 斗轮机无线控制系统配置方案图
斗轮机无线通讯应用的方案中，首先输煤PLC主站侧的数传电台设置为主站，各斗轮机PLC侧的数传电台为从站，对主站和从站设置为唯一地址，各个地址就代表每个PLC站的身份。主站采用带地址码的数据帧发送数据，从站需要全部都接收，之后将接收到的地址码与本地地址码进行比较，如果比较结果相同，则证明数据是给本地的，从站根据传过来的数据，进行不同的响应，并将响应的数据发送回去。如果比较结果不同，则将数据全部去掉，不做任何响应。这就实现了输煤PLC主站和各斗轮机PLC之间的准确通信。
无线控制斗轮机启停的工作流程为：输煤程控系统发启停指令送到输煤PLC主站→输煤PLC主站将数据打包为TCP/IP数据帧→数据经以太网通讯接口送至数传电台主机→数传电台主机通过无线链路将数据送至斗轮机PLC站侧的数传电台从机→数传电台从机接收数据→将数据写入到斗轮机PLC站指定的寄存器→将写入的数据经斗轮机PLC从站输出通道送到斗轮机控制回路→斗轮机实现启动或停机。
斗轮机就地状态信号反馈工作流程：斗轮机启动/停机状态信号送到通讯控制斗轮机PLC从站的输入通道→当输煤PLC主站发来的数据请求指令，通讯控制斗轮机PLC从站将数据打包为TCP/IP数据帧→数据经以太网通讯接口送至斗轮机PLC站侧的数传电台从机→数传电台从机通过无线链路将数据送至数传电台主机→数传电台主机经以太网通讯接口将数据传送给输煤PLC主站→输煤PLC主站接收数据到指定的寄存器→输煤PLC主站从指定的寄存器读出状态，将状态信号经输煤PLC主站的输出通道送到输煤程控系统→输煤程控系统对状态信号进行显示、报警。
3 实时性及可靠性的解决办法
3.1 实时性的解决办法
为了满足无线数据通讯的实时性要求，根据现场控制要求，斗轮机无线控制系统通讯周期采用380ms。当有斗轮机PLC开关量信号发生跳变时，斗轮机PLC把采集的数据打包后立即通过数传电台从站发送到数传电台主站。为了确保数据的可靠性，在打包时，采用检错能力较强的CRC校验。在输煤主站PLC收到数据包之后，即刻对其进行解包，把相应的数据信号输出到PLC开关量控制卡，使相关的位强置为1或复位为0，最终控制继电器输出动作去控制现场设备。发送方收到接收方的应答包时，才认为发送成功。一次通讯时间为：发送方采集数据时间40ms+电台数据循环时间10ms+接受方数据处理时间40ms+接受方发送数据应答包时间40ms+发送方接受应答包时间40ms=170ms，再加上计算延时10ms和发送方超时等待时间200ms，总的通讯时间为380ms，由于斗轮机与输煤皮带之间的联锁信号对时间的要求并不是很苛刻，数传电台可以满足控制信号传输的实时性要求。
3.2 可靠性的解决办法
设计断电报错程序与上电告知程序，共同实现各斗轮机数传电台从站与输煤主站数传电台主站之间通信状态的协调。当本站断电后，由UPS电源维持系统继续工作半小时，在这段时间内，系统执行断电报错程序。断电使PLC某一输入点复位，此时本站PLC判断系统断电并向对方站发送断电信号。对方站在收到本站发来的断电信号后，向本站发送响应信号，进入故障状态。在收到对方站发回的响应信号之前，本站连续发送数据信号直至超时结束。
如果发送方没有收到应答包，系统将会自动重复发送。如果一直没有收到应答包，说明系统已经无法运作，如数传电台电源丧失或或对方数据处理控制单元没有开启等不可恢复的错误时，系统会自动报警，提示人工解决问题。在没有数据传输的情况下，输煤数传电台主站每隔一定时间向斗轮机电台从站发送检测信号，检测系统运行状况。
设计定时检测通讯故障程序，本系统每半分钟自动检查通讯是否正常。为避免冲突，由输煤数传电台主站计时并发出定时发送信号，当斗轮机数传电台从站收到此信号后立即回复响应信号，同时进入正常工作状态，否则则向对方站发送响应信号，并等待对方站的响应信号。当进入通讯故障状态后，系统自动运行故障处理程序，将显示PLC某输出点置位，并将其他开关量输出点复位。在故障状态被复位之前，禁止所有开关量输出点改变其状态。为了防止故障复位操作按钮失灵，程序上设定两次复位操作的时间间隔大于5s。
无线通讯控制应用的最大难题就是干扰问题，具体包括： 1）外部电磁环境的干扰：变频器、对讲机、移动电话基站的干扰。2）无线设备本身的相互干扰，多套无线设备间的相互干扰；为避免无线通讯信号受到干扰，一般可采取以下措施：1）屏蔽干扰源。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。控制电缆屏蔽层必须可靠接地。2）干扰信号的隔离。从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。在PLC系统中，输入模块和现场信号之间，设计隔离继电器，干扰信号被隔离于PLC系统之外。
4 结束语
目前，输煤系统的斗轮机控制系统大都是有线控制方式，而串口无线数传电台和无线以太网数传电台无线通讯方案，目前在斗轮机远方控制系统中均已经有成功的应用案例。采用无线通讯控制装置不仅节约了大量用于连接斗轮机、输煤控制站之间的通讯电缆及控制电缆，而且提高了工程作业效率，降低了施工难度；尤其是代替了频繁伸缩容易断芯的滑动控制电缆，彻底解决了有线控制电缆与动力电缆不能完全分开的难题，极大提高了输煤控制系统的联锁稳定性。
斗轮机以无线通讯方式纳入输煤程控系统，完全满足生产要求，提高了输煤程控系统的自动化水平，具有良好的推广价值。对电厂其它敷设电缆难度较大的辅助车间，常规有线通讯系统代替为无线通讯控制具有参考借鉴意义。
参考文献：
[1] 吉涛，荆学东．PLC网络的无线通信方式研究 [J]．计算机测量与控制，2009年 第7期．
[2] 王彩琴，陈铁军，曲波．无线传输技术在综合原料场的应用[J]．冶金动力，2008年 第3期．
作者简介：
薛广伟 （1983-），男，工程师，主要从事电厂自动化系统的设计工作。
论文作者:薛广伟1,魏静2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/21
标签：轮机论文; 电台论文; 以太网论文; 信号论文; 数据论文; 通讯论文; 无线通讯论文; 《电力设备》2017年第29期论文;