滕紹祥

(黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院)

1 鍋爐檢測(cè)及控制現(xiàn)狀

為了監(jiān)視鍋爐的運(yùn)行狀況，了解鍋爐運(yùn)行中一些技術(shù)參數(shù)，記錄一些重要的數(shù)據(jù)，改善運(yùn)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(shí)會(huì)穿越許多管道，還要安裝電纜橋架，從而造成資源的浪費(fèi)，也影響了測(cè)量精度，延長(zhǎng)了施工周期。

我國(guó)現(xiàn)在能源供應(yīng)很緊張，很多城市拉閘限電，對(duì)于整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shè)成為人們首先要解決的問題。

2 鍋爐檢測(cè)的儀器儀表技術(shù)基礎(chǔ)

人們剛開始使用儀表就是為了簡(jiǎn)單測(cè)量一些工藝參數(shù)，儀器儀表只能顯示出數(shù)據(jù)，不能遠(yuǎn)傳。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表不僅能顯示出系統(tǒng)中每個(gè)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(shí)又開發(fā)了能支持現(xiàn)場(chǎng)總線的適配器，并能與Profibusl協(xié)議兼容，進(jìn)行數(shù)據(jù)高速傳輸;儀器儀表將來還具有網(wǎng)絡(luò)開放性，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化與開放化、多種網(wǎng)絡(luò)框架、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持等。儀器儀表的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式為CF卡和優(yōu)盤，CF卡可擴(kuò)展到1 024 M，優(yōu)盤的技術(shù)使儀表存儲(chǔ)容量更大，體積小巧，攜帶方便。儀器儀表的開關(guān)電源原先具有穩(wěn)定性差，對(duì)電壓波動(dòng)的范圍大，在具有強(qiáng)磁(電)場(chǎng)環(huán)境下使用，能使開關(guān)電源性能產(chǎn)生很大波動(dòng)的缺點(diǎn)?，F(xiàn)在采用脈寬調(diào)制方式技術(shù)，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(shí)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(shì)為檢測(cè)技術(shù)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(jìn)行各種復(fù)雜計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的能力，可修正由于測(cè)量帶來的誤差，能自檢、自校。目前，我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化與儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展雖然取得了一定的進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，在經(jīng)濟(jì)實(shí)力、技術(shù)研發(fā)、制造工藝等方面還存在較大的差距，在經(jīng)營(yíng)規(guī)模、經(jīng)營(yíng)效益上仍體現(xiàn)為“扁平大金字塔”的統(tǒng)計(jì)分布。對(duì)此，從顯示儀表向傳感器、變送器和控制系統(tǒng)擴(kuò)展，在智能模塊的基礎(chǔ)上開發(fā)帶現(xiàn)場(chǎng)總線型執(zhí)行器、帶現(xiàn)場(chǎng)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(shù)嵌入的儀表網(wǎng)絡(luò)化

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化儀表與Internet連接的想法其實(shí)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(duì)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、運(yùn)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(yīng)硬件平臺(tái)外，對(duì)于現(xiàn)存8位和16位儀器儀表，嵌入式也提供了網(wǎng)絡(luò)化的解決方案。其中比較有代表性的技術(shù)是嵌入式微型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)EMIT。

EMIT采用桌面計(jì)算機(jī)或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要放在該網(wǎng)關(guān)上。網(wǎng)關(guān)通過RS-232，RS-485、CAN、紅外、射頻等輕量級(jí)總線與多個(gè)嵌入式設(shè)備聯(lián)系起來，每個(gè)嵌入式設(shè)備將自身的工作參數(shù)反饋到網(wǎng)關(guān)中;同時(shí)網(wǎng)關(guān)可以發(fā)送命令，修改設(shè)備中的變量，或進(jìn)行某種控制。這樣，僅通過增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)，就解決了嵌入式設(shè)備上Internet的問題;網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)管理多個(gè)嵌入式設(shè)備，從而提高嵌入式網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)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(jià)格比優(yōu)勢(shì)。

通過嵌入式Internet接入技術(shù)，新型的儀器儀表與計(jì)算機(jī)一樣，成為網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)報(bào)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(yīng)用程序也可以瀏覽到所需要的信息。

4 無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

在這個(gè)“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”的時(shí)代，伴隨著有線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，以快捷高效，組網(wǎng)靈活為優(yōu)勢(shì)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在飛速發(fā)展。無線局域網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)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(jì)算機(jī)之間的通信，并為通信的移動(dòng)化、個(gè)性化和多媒體應(yīng)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(shí)，提供以太網(wǎng)或者令牌網(wǎng)絡(luò)的功能。通常計(jì)算機(jī)組網(wǎng)的傳輸媒介主要依賴銅纜或光纜，構(gòu)成有線局域網(wǎng)。但有線網(wǎng)絡(luò)在某些場(chǎng)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(diǎn)不可移動(dòng)。特別是當(dāng)要把相離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)連接起來時(shí)，敷設(shè)專用通信線路的布線施工難度大、費(fèi)用高、耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)正在迅速擴(kuò)大的聯(lián)網(wǎng)需求形成了嚴(yán)重的瓶頸阻塞。無線局域網(wǎng)就是解決有線網(wǎng)絡(luò)以上問題而出現(xiàn)的。

無線局域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)。

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(zhì)。無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率現(xiàn)在已經(jīng)能夠達(dá)到11 Mbps，傳輸距離可遠(yuǎn)至20 km以上。它是對(duì)有線聯(lián)網(wǎng)方式的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展，使網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)具有可移動(dòng)性，能快速方便地解決使用有線方式不易實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通問題。

與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線局域網(wǎng)具有安裝便捷、使用靈活、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

IEEE802.11是IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在1997年通過的第一個(gè)無線局域網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。1999年9月，該委員會(huì)又頒布了IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)，包含了ISO/OSI模型的物理層和媒體訪問控制層(MAC)。該標(biāo)準(zhǔn)工作在2.4GHz頻段。傳輸速率可達(dá)11Mbps。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)將節(jié)點(diǎn)設(shè)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(wù)集BSS(Basic Service Set)，也可兩個(gè)或多個(gè)BSS構(gòu)成擴(kuò)展服務(wù)集。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了物理層的三種實(shí)現(xiàn)方法，即跳頻擴(kuò)頻 FHSS、直接序列擴(kuò)頻DSSS和紅外技術(shù)IR。

在MAC層采用CSMA/CA(載波偵聽多路訪問-碰撞避免)技術(shù)進(jìn)行通信介質(zhì)訪問。為了盡量減少?zèng)_突，IEEE802.11b設(shè)計(jì)了獨(dú)特的MAC子層。在下面的一層叫做分布協(xié)調(diào)功能DCF子層，該子層使各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用競(jìng)爭(zhēng)的方式使用信道，向上提供爭(zhēng)用服務(wù)。這種信道接入方式可能會(huì)導(dǎo)致沖突的發(fā)生，但是對(duì)信道的利用率較高。上面的一層叫做點(diǎn)協(xié)調(diào)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(shí)間，因此用于中、小型網(wǎng)絡(luò)。

5 在鍋爐檢測(cè)及控制中應(yīng)用無線局域網(wǎng)的研究

工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化為無線技術(shù)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)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(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所的曾鵬等人以FF(現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì))頒布的FF HSE(高速以太網(wǎng))為藍(lán)本，結(jié)合無線以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11b，構(gòu)造了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無線通信協(xié)議棧。該協(xié)議棧保持了基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的通信模型，能夠完成無線設(shè)備間的時(shí)間同步和實(shí)時(shí)通信。韓國(guó)斧山國(guó)立大學(xué)的Kyung Chang Lee等人設(shè)計(jì)了協(xié)議轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)了Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)和 IEEE802.11無線局域網(wǎng)的連接。Mario Alves等人對(duì)基于廣播方式的現(xiàn)場(chǎng)總線/無線網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳送延遲時(shí)間進(jìn)行了估算。C.Koulamas等人研究了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線與基于IEEE802.11b的DSSS物理層結(jié)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(luò)中，無線通信技術(shù)已獲得了應(yīng)用。如美國(guó)羅克威爾公司在基于DeviceNet、Control-net Ethernet/IP的三層控制網(wǎng)絡(luò)體系中，加入了無線以太網(wǎng)部分，可以實(shí)現(xiàn)無線通訊。德國(guó)西門子公司在基于Profibus-DP，Profinet的控制網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合無線以太網(wǎng)技術(shù)，使控制網(wǎng)絡(luò)具有了無線通信功能。目前，在我國(guó)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(shí)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，變送器將實(shí)現(xiàn)無源，這樣就能減少外界干擾，實(shí)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(guó)只能從顯示表到管理網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無線通訊，而且還可以通過手機(jī)來查詢系統(tǒng)參數(shù)。例如能源計(jì)量網(wǎng)采用網(wǎng)絡(luò)儀表，實(shí)現(xiàn)了從顯示表到管理網(wǎng)的無線通訊。領(lǐng)導(dǎo)可以通過手機(jī)來查詢生產(chǎn)情況，為生產(chǎn)調(diào)度提供依據(jù)。由于無線網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建費(fèi)用和維護(hù)成本，還可以滿足一些特殊場(chǎng)合的需要，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性，加之無線通信技術(shù)自身的不斷改進(jìn)，因此，無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

總之以信息化帶動(dòng)工業(yè)化是保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的有力保證，也是改造傳統(tǒng)工業(yè)體系結(jié)構(gòu)的重要手段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，與其工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)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(duì)封閉的企業(yè)信息管理結(jié)構(gòu)，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)綜合自動(dòng)化管理的要求。將現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)、多種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)融合到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等要求的同時(shí)，又增加了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性。

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