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仪表无线网络在镇江电厂水平衡及废水零排放工程中的应用
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仪表无线网络在镇江电厂水平衡及废水零排放工程中的应用

时间:2019-09-19

    无线技术突破接线和电缆的束缚,可实现更加灵活方便的过程参数采集,与现有有线的分布 式 控 制 系 统 ( DCS) 、可 编 程 序 控 制 器( PLC) 等控制系统进行无缝式数据集成,从而进一步延伸测控的广度和深度。无线技术在电厂适用的场合有: 敷设电缆或接线困难的测点,分布非常分散的区域,隔离和屏蔽的区域,检修难的区域,移动或旋转的设备,电缆易损坏和折断的场所; 电缆桥架、卡件、机柜等备用件用完的场合; 安装工期要求迅速的项目; 现场没有电源供应的场合等。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    1 仪表无线网络方案TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    目前,仪表无线网络方案主要有两种: 一种以 WirelessHART 为代表的仪表 mesh 无线网络,一种以 ISA100 为代表的节点 mesh 无线网络。这两种解决方案都是为达到工业级别的无线应用而集成了 mesh 多路径的通信技术、跳帧扩频通信技术及基于精确时间同步的通信,以及基于数据碰撞的通信技术。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    1. 1 以 WirelessHART 为代表的仪表 meshTUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    无线网络TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    该方案的现场仪表配置路由功能,即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数,还可同时作为其他仪表的通信路由。通常配置一个网关,实现与 DCS 的数据集成。无线变送器由电池供电,跳频扩频通信,采用 2. 4 GHz 公用频段。整个无线网络自组织、自愈合,实施较简单。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    1. 2 以 ISA100 为 代 表 的 节 点 mesh 无 线TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    网络TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    该方案由节点构建通信速度非常快速的无线 mesh 主干网络,该无线主干网络自组织、自愈合,同时支撑多种无线应用和多种通信协议的现场仪表。现场无线仪表可自动选择与任意节点进行无线通信,自组织,自愈合。但现场仪表不配置路由功能。通常,任何一个节点都可以或同时作为网关实现与 DCS 数据集成。无线变送器由电池供电,跳频扩频通信,采用2. 4 GHz 公用频段。这种方案的优点是无线变送器的刷新速度很快,为 1 s 或 0. 25 s。由于无线变送器只需 1 个 “hop”就可把数据传输到一个通信速度非常快的无线主干网上,所以整个网络的通信时间滞后也很短。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    1. 3 WirelessHART 无线网络构架的特点TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    WirelessHART 无线网络构架以 Emerson 企业的现场智能无线网络 ( WFN) 为代表。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    Emerson 现场智能无线网络 ( WFN) 架构分为两层: 第一层是由现场无线设备组成的自组织网络 ( self organizing network ) ,这些设备以自我组织、智能化的方式与网关 ( Gateway)进行无线通信; 第二层是网关和主机系统的无缝集成,主机系统可以是 DCS、无线网关控制器、人机界面 ( HMI) 或类似于设备管理和维护 的 工 作 站 等。 Emerson 智 能 无 线 网 络( WFN) 实现了主机系统和现场仪表间的信息传输和交互。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    1. 3. 1 无线网络第一层———自组织网络TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (1) 安全可靠。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    由 Emerson 现场无线设备组成的通信网络,采用全网格拓扑结构 ( mesh topology) , 集成工业级的安全措施,通过高度可靠的冗余路径进行通信。无线网络可以自我组织、自我适应、自我愈合,可靠性超过 99. 99% 。即使通信路径受到干扰,无线设备也能够自动重新选择其他非常优冗余路径进行通信。SmartWireless现场无线设备包括测量温度、压力、无线控制等过程参数的无线仪表、无线网关等。现场无线设备均配备无线发射装置,设备和微波发射部件无缝集成于一体。所有现场无线设备都配备一体化全向天线,根据现场情况,天线方向可以调整到合适位置。现场无线仪表设备、无线发射天线和供电电池符合本质安全规范: 适应 Class 1、Division1 危险环境应用; 符合 NEMA 4X / IP66 要求,可安装在户内或户外。智能无线仪表由工业级本安认证的锂电池供电。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    无线网络构架如图 1 所示。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

1.jpgTUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    现场设备之间通信安全可靠,数据包采用AES - 128 位的行业标准加密技术。设备加入某一个网络需要通过端对端的通信认证,以及全面的密码确认。安全性管理、设备认证等功能内嵌于智能无线网关中,无须专用上位机App就可以对现场无线设备的通信路径进行管理,实现网络自动愈合、自适应管理,避免了由于上位机的故障而导致现场设备的掉线和无法切换路径等问题。为了保障更高的安全性,无线网络支撑密钥自动轮换管理功能。 TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (2) 符合无线国际标准和中国国标。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    Emerson 现场设备的无线技术符合当前流程行业中非常好的无线通信国际标准: WirelessHART ( IEC 62591) ,物理层采用 2. 4 GHz的世 界 公 用 频 段 ( ISM,2 400 ~ 2 482. 4MHz) ,采用直接序列扩频技术 ( DSSS) 和跳频技术 ( FHSS) ,无须重新组态或人工介入,设备可以自动跳频。无线通信的链路层 ( LinkLayer) 符合 IEEE 802. 15. 4 工业无线通信标准。2014 年 5 月,WirelessHart 被批准为推荐性中国国家标准 GB /T 29910—2013,为当前流程行业中非常好符合国际标准和中国国家标准的无线通信标准。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    同时,Emerson 无线仪表系统及相关设备符合中华人民共和国无线电管理规定和技术标准,拥有无线电发射设备型号核准证,即符合工信部无 〔2005〕423 号文件 《微功率 ( 短距离) 无线电设备的技术要求》的规定。 TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
   (3) 无线 HART 仪表易于使用。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    Emerson 智能无线网络的结构保证了数据通信的高可靠性和现场快速安装及使用。现场无线设备同有线 HART 智能设备的安装方式相同,无须对现场技术人员进行额外培训。智能无线设备为 HART 设备 ( 见图 2) ,可以通过标准的 HART 手操器完成无线仪表初始设置网络标识 ( Network ID) 和握手密码 ( Join Key)的 安 全 设 置,确 保 网 络 安 全。基 于 标 准 的HART 协议,无线仪表提供包括 PV、SV、TV、QV 四个过程参数及参数状态信息,并可实时监测供电电池电量参数。选择 LCD 表头,可以实时观察无线设备在线状态及过程参数。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

2.jpgTUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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    1. 3. 2 与主机系统通信的第二层无线网络TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (1) 通用标准接口可以与主流控制系统无缝连接。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    现场无线仪表的数据通过无线网关集成到主机系统 ( 如 DCS、PLC、HMI 工作站) 中。采用远程天线至室外的方法,网关可安装在户外,也可以安装在室内。可提供多种通信接口与不同主机系统连接,多种标准接口见图 3。通信接口支撑以太网通信标准 ( Ethernet10baseT) ,以实现与主机系统的 OPC、ModbusTCP 通 信。可选支撑光缆 连接的通信接口( Fiber Optic communication port) ,以实现更远距离的通信连接。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    网关预置了 Modbus RTU 两线制 RS485 串口通信口,支撑多点连接 ( multidrop connections) ,传 输 速 率 为 9 600 ~ 57 600 bit / s,RS485 通信电缆非常远距离不超过 1 500 m。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    (2) 方便有效的无线网络设计和管理平台。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    现场可以同时安装多个无线网络,分别由各自的网关管理。每个网关管理的无线网络连接非常多 99 台设备,网关支撑冗余配置。网络管理平台如图 4 所示。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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4.jpgTUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    Emerson 无线仪表系统的实现不需要厂商专用的App工具,采用标准的 IE 浏览器即可对无线网络实现设备组态、网络配置、无线网络通信诊断、多变量过程参数显示、与上位控制系统连接等功能。为了实现全场智能设备一体化管理的理念,该无线系统和设备无缝集成到有线 HART 仪表管理平台中,建立统一的智能设备数据库。无线设备发生故障时,会在DCS 操作员及 AMS 终端站上报警,提醒维护人员。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    为了保障通信可靠、设计方便及有效性,Emerson 提供无线网络设计工具,以便用户验证和优化无线网络的布置。该工具支撑图形化拖拉方式实现仪表和网关的三维布置,能自动分析无线通信的冗余状态,并能实时显示实际运行的无线网络状态,包括: 无线仪表的通信健康性、过程参数、电池电量等。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    1. 3. 3 智能无线适配器 THUM775TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    许多工厂有成百上千台 HART 仪表,这些仪表包含了丰富的诊断和过程信息。然而,利用传统有线方式获取这些信息非常困难且成本很高,因此往往被搁置不用。Emerson 开发的智能无线适配器 THUM775 是专门为已经在现场安装使用的有线 HART 设备的适配器。使用无线适配器 THUM775,可简单经济地获取智能信息。有了这些预测性诊断信息,工厂可消除大量的监测盲点,可以在设备发生故障之前解决很多问题,生产率也能提高。THUM775拥有本安认证,可以与任何设备匹配。它的工作原理是使用无线 HART 技术创建一个数据网络,包括无线发射器、无线接收器、微处理器和天线。THUM775 接入设备上的标准电气接口获得回路供电,获取 HART 信息而不影响设备原先的模拟信号。这些信息由无线网络传输至网关,网关如同一个有线多路转换器将设备信息传至控制室。3051变送器和 THUM 无线适配器如图 5 所示。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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5.jpgTUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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    2 现场应用TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    为完善水平衡管理,完成减排目标,镇江电厂启动废水零排放工程。根据镇江电厂的实际情况,新建 20 m3 / h 的精处理低盐废水处理系统、40 m3 / h 含煤废水处理系统、5 m3 / h 的 含油废水处理系统、26 m3 / h 末端废水处理系统各一套。还对原生活污水处理系统、化学再生废水回用、精处理再生废水高低盐分离、渣水零溢流、脱硫废水处理系统、全厂污泥处理系统 ( 不含末端废水处理系统污泥) 、全厂雨水收集回用、排水系统流程等进行改造。在各废水处理点、关口用水管路、排水系统增加相关的关口计量仪表,并对各测点的流量等信号进行在线监控、数据采集及运算。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    镇江电厂煤水废水处理装置与脱硫废水处理系统距离上千米,与循环水、雨水等出水口距离更远。这些远程测量点非常分散,而且面广。如采用有线方式,需敷设大量电缆,搭建大量桥架。许多桥架须穿越道路,必须搭设过顶天桥,并在各个废水处理点新建电子间放置新增测点机柜。工程量非常巨大,工程周期较长。采用无线技术进行网络构架,在新增的测点上采用无线流量计等测量仪表,将采集数据通过无线方式传送至安装在现场的无线网关,通过以太网 Modbus TCP / IP 将网关数据接入就近水处理系统的控制柜的网络通信交换机,再送至上位机。WirelessHART 无线网络技术应用到我厂优势非常明显。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    无线网络结构如图 6 所示。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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    现场无线网络布局如图7 所示。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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    我厂现场使用的变送器大 部 分 采 用Emerson3051系列产品,可以通过 THUM775 无 线 适 配器进行无线化升级,以非常小的代价实现无线通信。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    WirelessHART无线网络可以非常大程度地实现现场设备的统一性和兼容性,减少产品升级带来的额外费用。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    在需要增加的测点安装一体化 3051SFA或 3051SFC ( 多孔孔板) 无线流量计,在现场显示流量,流量信号通过无线 HART 方式发送给 1552WU 无线网关。现场共分 4 块区域: 工业水 系 统 ( 共 10 台) 、脱 硫 水 系 统 ( 共 4 台) 、除灰渣系统及输煤水系统 ( 共 9 台) 、生消水系统 ( 共 9 台) 。根据现场实际情况,暂时配置 4 台 1552WU 无线网关,以保证现场流量数据的稳定传输。也可以采用中继器减少网关数量。后续增加测点无须再增加网关数量,就近接入相应网关即可。各 无 线 网 关用水系统的无线流量计安装位置清单如表 1所示。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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8.jpgTUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    4 个 1552WU 网关中的 1 个网关作为上位机接入端口,其余 3 个网关分散在较远区域以接入较近的流量计信号。网关之间通过 wifi 信号进行桥接通信。主网关集中了所有现场流量数据,并通过以太网 Modbus TCP / IP 送到上位机计量中心。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    1552WU 智能网关支撑多种通信协议的接口与上 层 主 机 连 接,主 要 有 Modbus RS485,Modbus TCP / IP 或 OPC。热网人机接口为第三方成熟 HMI App,允许采用 OPC 通信方式进行信息传输。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    中控室设置数据处理工控机,采用成熟组态画面,方便人员操作、记录并自动生成数据报表。上位机具备如下功能:TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

    (1) 整体水流量全场概览图,每个计量点能清晰体现。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (2) 数据报表自动生成功能,实时显示瞬时流量值。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (3) 故障自诊断与数据记录: 运行过程中出现的异常情况 ( 4 ~ 20 mA 断线,无线信号强度减弱,无线装置电池能量状态) 可自行诊断; 对运行数据 ( 运行时间、过程参数累计统计、故障报警等) 实现故障报警实时显示功能。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (4) 测量点具备相应扩展增加的功能。 TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (5) 水平衡管理系统安装有相应的仪表管理App系统,能够对现场仪表进行远程监视和管理,包括量程,报警参数的设定,仪表远程校验等。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器
    (6) 具 备 人 机 界 面 ( HMI) 交 互 功 能,在中心控制室,能设定人机界面 ( HMI) 仪表的量程、报警参数,对仪表进行远程校验,显示仪表的各种运行状态信息。TUZ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

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