基于網(wǎng)絡技術的鍋爐檢測及控制的研究

滕紹祥

(黑龍江省計量檢定測試院)

1 鍋爐檢測及控制現(xiàn)狀

為了監(jiān)視鍋爐的運行狀況，了解鍋爐運行中一些技術參數(shù)，記錄一些重要的數(shù)據(jù)，改善運行狀況，提高爐膛燃燒效率，需要安裝一些變送器、顯示表和記錄儀等儀表，但是在安裝時會穿越許多管道，還要安裝電纜橋架，從而造成資源的浪費，也影響了測量精度，延長了施工周期。

我國現(xiàn)在能源供應很緊張，很多城市拉閘限電，對于整個國民經(jīng)濟的發(fā)展帶來了不利因素。一些地方用煤短缺，如何節(jié)省能源，加快電廠建設成為人們首先要解決的問題。

2 鍋爐檢測的儀器儀表技術基礎

人們剛開始使用儀表就是為了簡單測量一些工藝參數(shù)，儀器儀表只能顯示出數(shù)據(jù)，不能遠傳。而隨著科學技術的發(fā)展，儀器儀表不僅能顯示出系統(tǒng)中每個參數(shù)值，而且還增加了通訊口RS-232/485，并能支持工業(yè)以太網(wǎng);同時又開發(fā)了能支持現(xiàn)場總線的適配器，并能與Profibusl協(xié)議兼容，進行數(shù)據(jù)高速傳輸;儀器儀表將來還具有網(wǎng)絡開放性，即網(wǎng)絡協(xié)議的標準化與開放化、多種網(wǎng)絡框架、網(wǎng)絡協(xié)議支持等。儀器儀表的數(shù)據(jù)存儲形式為CF卡和優(yōu)盤，CF卡可擴展到1 024 M，優(yōu)盤的技術使儀表存儲容量更大，體積小巧，攜帶方便。儀器儀表的開關電源原先具有穩(wěn)定性差，對電壓波動的范圍大，在具有強磁(電)場環(huán)境下使用，能使開關電源性能產生很大波動的缺點?，F(xiàn)在采用脈寬調制方式技術，使儀表的抗干擾性能大大提高。儀器儀表的顯示裝置采用液晶顯示屏，真正實現(xiàn)了寬溫、寬視覺感受，界面操作則更加人性化。

儀器儀表發(fā)展的主要趨勢為檢測技術智能化、信息處理數(shù)字化、控制系統(tǒng)集成化。儀器儀表具有進行各種復雜計算和數(shù)據(jù)處理的能力，可修正由于測量帶來的誤差，能自檢、自校。目前，我國工業(yè)自動化與儀器儀表產業(yè)的發(fā)展雖然取得了一定的進步，但與國際先進水平相比，在經(jīng)濟實力、技術研發(fā)、制造工藝等方面還存在較大的差距，在經(jīng)營規(guī)模、經(jīng)營效益上仍體現(xiàn)為“扁平大金字塔”的統(tǒng)計分布。對此，從顯示儀表向傳感器、變送器和控制系統(tǒng)擴展，在智能模塊的基礎上開發(fā)帶現(xiàn)場總線型執(zhí)行器、帶現(xiàn)場總線接口的智能儀表及數(shù)據(jù)采集控制卡，將成為儀器儀表的發(fā)展方向。

3 基于Internet技術嵌入的儀表網(wǎng)絡化

實現(xiàn)自動化儀表與Internet連接的想法其實很早以前就有了，主要的困難在于，Internet上的各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而儀器儀表大多使用的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet協(xié)議將占用大量系統(tǒng)的資源，或根本不可能。除了采用高性能的32位處理器及相應硬件平臺外，對于現(xiàn)存8位和16位儀器儀表，嵌入式也提供了網(wǎng)絡化的解決方案。其中比較有代表性的技術是嵌入式微型互聯(lián)網(wǎng)技術EMIT。

EMIT采用桌面計算機或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關，網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)主要放在該網(wǎng)關上。網(wǎng)關通過RS-232，RS-485、CAN、紅外、射頻等輕量級總線與多個嵌入式設備聯(lián)系起來，每個嵌入式設備將自身的工作參數(shù)反饋到網(wǎng)關中;同時網(wǎng)關可以發(fā)送命令，修改設備中的變量，或進行某種控制。這樣，僅通過增加一個網(wǎng)關，就解決了嵌入式設備上Internet的問題;網(wǎng)關可以同時管理多個嵌入式設備，從而提高嵌入式網(wǎng)絡的結構化、智能化、瀏覽信息資源的歸一化，并具有迄今為止與其他解決方案無可比擬的性能價格比優(yōu)勢。

通過嵌入式Internet接入技術，新型的儀器儀表與計算機一樣，成為網(wǎng)絡中的獨立節(jié)點，可實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、遠程控制、自動報警、上傳/下載數(shù)據(jù)文件等功能;用戶通過瀏覽或符合規(guī)范的應用程序也可以瀏覽到所需要的信息。

4 無線局域網(wǎng)技術的發(fā)展

在這個“網(wǎng)絡就是計算機”的時代，伴隨著有線網(wǎng)絡的廣泛應用，以快捷高效，組網(wǎng)靈活為優(yōu)勢的無線網(wǎng)絡技術也在飛速發(fā)展。無線局域網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡與無線通信技術相結合的產物。從專業(yè)角度講，無線局域網(wǎng)利用了無線多址信道的一種有效方法來支持計算機之間的通信，并為通信的移動化、個性化和多媒體應用提供了可能。通俗地說，無線局域網(wǎng)(Wireless local-area network，WLAN)就是在不采用傳統(tǒng)纜線的同時，提供以太網(wǎng)或者令牌網(wǎng)絡的功能。通常計算機組網(wǎng)的傳輸媒介主要依賴銅纜或光纜，構成有線局域網(wǎng)。但有線網(wǎng)絡在某些場合要受到布線的限制:布線、改線工程量大;線路容易損壞;網(wǎng)中的各節(jié)點不可移動。特別是當要把相離較遠的節(jié)點連接起來時，敷設專用通信線路的布線施工難度大、費用高、耗時長，對正在迅速擴大的聯(lián)網(wǎng)需求形成了嚴重的瓶頸阻塞。無線局域網(wǎng)就是解決有線網(wǎng)絡以上問題而出現(xiàn)的。

無線局域網(wǎng)的技術特點。

無線局域網(wǎng)利用電磁波在空氣中發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，而無需線纜介質。無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率現(xiàn)在已經(jīng)能夠達到11 Mbps，傳輸距離可遠至20 km以上。它是對有線聯(lián)網(wǎng)方式的一種補充和擴展，使網(wǎng)上的計算機具有可移動性，能快速方便地解決使用有線方式不易實現(xiàn)的網(wǎng)絡聯(lián)通問題。

與有線網(wǎng)絡相比，無線局域網(wǎng)具有安裝便捷、使用靈活、經(jīng)濟節(jié)約、易于擴展等優(yōu)點。

IEEE802.11是IEEE802標準委員會在1997年通過的第一個無線局域網(wǎng)的國際標準。1999年9月，該委員會又頒布了IEEE802.11b標準，包含了ISO/OSI模型的物理層和媒體訪問控制層(MAC)。該標準工作在2.4GHz頻段。傳輸速率可達11Mbps。IEEE802.11b標準將節(jié)點設備分為基站和客戶站，各客戶站相互間可直接通信，基站與一組客戶站的連接稱為基本服務集BSS(Basic Service Set)，也可兩個或多個BSS構成擴展服務集。IEEE802.11b標準規(guī)定了物理層的三種實現(xiàn)方法，即跳頻擴頻 FHSS、直接序列擴頻DSSS和紅外技術IR。

在MAC層采用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問-碰撞避免)技術進行通信介質訪問。為了盡量減少沖突，IEEE802.11b設計了獨特的MAC子層。在下面的一層叫做分布協(xié)調功能DCF子層，該子層使各個節(jié)點采用競爭的方式使用信道，向上提供爭用服務。這種信道接入方式可能會導致沖突的發(fā)生，但是對信道的利用率較高。上面的一層叫做點協(xié)調功能PCF子層，該子層使用集中控制的接入算法，從而避免了沖突的發(fā)生。但是基站需要周期性的輪詢所有客戶站，要占用大量的時間，因此用于中、小型網(wǎng)絡。

5 在鍋爐檢測及控制中應用無線局域網(wǎng)的研究

工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化為無線技術在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用提供了基礎和可能。近幾年很多研究人員也展開了這方面的研究工作。中國科學院沈陽自動化所的曾鵬等人以FF(現(xiàn)場總線基金會)頒布的FF HSE(高速以太網(wǎng))為藍本，結合無線以太網(wǎng)標準IEEE802.11b，構造了現(xiàn)場級無線通信協(xié)議棧。該協(xié)議棧保持了基金會現(xiàn)場總線的通信模型，能夠完成無線設備間的時間同步和實時通信。韓國斧山國立大學的Kyung Chang Lee等人設計了協(xié)議轉換模型，實現(xiàn)了Profibus-DP網(wǎng)絡和 IEEE802.11無線局域網(wǎng)的連接。Mario Alves等人對基于廣播方式的現(xiàn)場總線/無線網(wǎng)絡的混合網(wǎng)絡報文傳送延遲時間進行了估算。C.Koulamas等人研究了Profibus現(xiàn)場總線與基于IEEE802.11b的DSSS物理層結合的性能。除了在理論上的研究工作外，在一些工業(yè)控制網(wǎng)絡中，無線通信技術已獲得了應用。如美國羅克威爾公司在基于DeviceNet、Control-net Ethernet/IP的三層控制網(wǎng)絡體系中，加入了無線以太網(wǎng)部分，可以實現(xiàn)無線通訊。德國西門子公司在基于Profibus-DP，Profinet的控制網(wǎng)絡中結合無線以太網(wǎng)技術，使控制網(wǎng)絡具有了無線通信功能。目前，在我國由于變送器采用兩線制，儀器儀表很容易通過電源線受到外界干擾，不能實現(xiàn)從一次表到二次表無線數(shù)據(jù)傳輸及控制。隨著科學技術的發(fā)展，變送器將實現(xiàn)無源，這樣就能減少外界干擾，實現(xiàn)從一次表到二次表的無線數(shù)據(jù)傳輸及控制。從目前情況看，我國只能從顯示表到管理網(wǎng)實現(xiàn)無線通訊，而且還可以通過手機來查詢系統(tǒng)參數(shù)。例如能源計量網(wǎng)采用網(wǎng)絡儀表，實現(xiàn)了從顯示表到管理網(wǎng)的無線通訊。領導可以通過手機來查詢生產情況，為生產調度提供依據(jù)。由于無線網(wǎng)絡無可比擬的優(yōu)越性，它可以免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構建費用和維護成本，還可以滿足一些特殊場合的需要，大大增強了系統(tǒng)構成的靈活性，加之無線通信技術自身的不斷改進，因此，無線通信技術在工業(yè)控制領域中具有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。

總之以信息化帶動工業(yè)化是保持國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長的有力保證，也是改造傳統(tǒng)工業(yè)體系結構的重要手段。網(wǎng)絡技術作為信息技術的代表，與其工業(yè)控制系統(tǒng)的結合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平，改變現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)相對封閉的企業(yè)信息管理結構，適應現(xiàn)代企業(yè)綜合自動化管理的要求。將現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、多種工業(yè)控制網(wǎng)絡互聯(lián)、嵌入式技術和無線通信技術融合到工業(yè)控制網(wǎng)絡中，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實時性等要求的同時，又增加了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對不同環(huán)境的適應性。

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