5G無線儀表技術突破接線和電纜的束縛，可實現更加靈活方便的過程參數采集，與現有有線的分布 式 控 制 系 統(tǒng) ( DCS) 、可 編 程 序 控 制 器( PLC) 等控制系統(tǒng)進行無縫式數據集成，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; 現場沒有電源供應的場合等。
1 5G儀表無線網絡方案
目前，儀表無線網絡方案主要有兩種: 一種以 WirelessHAＲT 為代表的儀表 mesh 無線網絡，一種以 ISA100 為代表的節(jié)點 mesh 無線網絡。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，以及基于數據碰撞的通信技術。
1． 1 以 WirelessHAＲT 為代表的儀表 mesh
無線網絡
該方案的現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，還可同時作為其他儀表的通信路由。通常配置一個網關，實現與 DCS 的數據集成。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
網絡
該方案由節(jié)點構建通信速度非?？焖俚臒o線 mesh 主干網絡，該無線主干網絡自組織、自愈合，同時支持多種無線應用和多種通信協(xié)議的現場儀表。現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關實現與 DCS 數據集成。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”就可把數據傳輸到一個通信速度非常快的無線主干網上，所以整個網絡的通信時間滯后也很短。
1． 3 WirelessHAＲT 無線網絡構架的特點
WirelessHAＲT 無線網絡構架以 Emerson 公司的現場智能無線網絡 ( WFN) 為代表。
Emerson 現場智能無線網絡 ( WFN) 架構分為兩層: 第一層是由現場無線設備組成的自組織網絡 ( self organizing network ) ，這些設備以自我組織、智能化的方式與網關 ( Gateway)進行無線通信; 第二層是網關和主機系統(tǒng)的無縫集成，主機系統(tǒng)可以是 DCS、無線網關控制器、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 絡( WFN) 實現了主機系統(tǒng)和現場儀表間的信息傳輸和交互。
1． 3． 1 5G無線網絡第一層———自組織網絡
(1) 安全可靠。
由 Emerson 現場無線設備組成的通信網絡，采用全網格拓撲結構 ( 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現場無線設備包括測量溫度、壓力、無線控制等過程參數的無線儀表、無線網關等?，F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。所有現場無線設備都配備一體化全向天線，根據現場情況，天線方向可以調整到合適位置。現場無線儀表設備、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無線網絡構架如圖 1 所示。
現場設備之間通信安全可靠，數據包采用AES － 128 位的行業(yè)標準加密技術。設備加入某一個網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關中，無須專用上位機軟件就可以對現場無線設備的通信路徑進行管理，實現網絡自動愈合、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 智能無線網絡的結構保證了數據通信的高可靠性和現場快速安裝及使用?，F場無線設備同有線 HAＲT 智能設備的安裝方式相同，無須對現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絡標識 ( Network ID) 和握手密碼 ( Join Key)的 安 全 設 置，確 保 網 絡 安 全?；?于 標 準 的HAＲT 協(xié)議，無線儀表提供包括 PV、SV、TV、QV 四個過程參數及參數狀態(tài)信息，并可實時監(jiān)測供電電池電量參數。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。
1． 3． 2 與主機系統(tǒng)通信的第二層無線網絡
(1) 通用標準接口可以與主流控制系統(tǒng)無縫連接。
現場無線儀表的數據通過無線網關集成到主機系統(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通信標準 ( Ethernet10baseT) ，以實現與主機系統(tǒng)的 OPC、ModbusTCP 通 信?？蛇x支持光纜 連接的通信接口( Fiber Optic communication port) ，以實現更遠距離的通信連接。
網關預置了 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) 方便有效的無線網絡設計和管理平臺。
現場可以同時安裝多個無線網絡，分別由各自的網關管理。每個網關管理的無線網絡連接非常多 99 臺設備，網關支持冗余配置。網絡管理平臺如圖 4 所示。
Emerson 無線儀表系統(tǒng)的實現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絡實現設備組態(tài)、網絡配置、無線網絡通信診斷、多變量過程參數顯示、與上位控制系統(tǒng)連接等功能。為了實現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)一的智能設備數據庫。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 提供無線網絡設計工具，以便用戶驗證和優(yōu)化無線網絡的布置。該工具支持圖形化拖拉方式實現儀表和網關的三維布置，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絡狀態(tài)，包括: 無線儀表的通信健康性、過程參數、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 是專門為已經在現場安裝使用的有線 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)建一個數據網絡，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。這些信息由無線網絡傳輸至網關，網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、數據采集及運算。
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，將采集數據通過無線方式傳送至安裝在現場的無線網關，通過以太網 Modbus TCP / IP 將網關數據接入就近水處理系統(tǒng)的控制柜的網絡通信交換機，再送至上位機。WirelessHAＲT 無線網絡技術應用到我廠優(yōu)勢非常明顯。
無線網絡結構如圖 6 所示。
現場5G無線網絡布局如圖7 所示。
我廠現場使用的變送器大 部 分 采 用Emerson3051系列產品，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無線通信。
WirelessHAＲT無線網絡可以非常大程度地實現現場設備的統(tǒng)一性和兼容性，減少產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，在現場顯示流量，流量信號通過無線 HAＲT 方式發(fā)送給 1552WU 無線網關?，F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) 。根據現場實際情況，暫時配置 4 臺 1552WU 無線網關，以保證現場流量數據的穩(wěn)定傳輸。也可以采用中繼器減少網關數量。后續(xù)增加測點無須再增加網關數量，就近接入相應網關即可。各 無 線 網 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 網關中的 1 個網關作為上位機接入端口，其余 3 個網關分散在較遠區(qū)域以接入較近的流量計信號。網關之間通過 wifi 信號進行橋接通信。主網關集中了所有現場流量數據，并通過以太網 Modbus TCP / IP 送到上位機計量中心。
1552WU 智能網關支持多種通信協(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。
中控室設置數據處理工控機，采用成熟組態(tài)畫面，方便人員操作、記錄并自動生成數據報表。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。
(2) 數據報表自動生成功能，實時顯示瞬時流量值。
(3) 故障自診斷與數據記錄: 運行過程中出現的異常情況 ( 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; 對運行數據 ( 運行時間、過程參數累計統(tǒng)計、故障報警等) 實現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)，能夠對現場儀表進行遠程監(jiān)視和管理，包括量程，報警參數的設定，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，對儀表進行遠程校驗，顯示儀表的各種運行狀態(tài)數據資料。
