基于网络技术的锅炉检测及控制的研究

滕绍祥

(黑龙江省计量检定测试院)

1 锅炉检测及控制现状

为了监视锅炉的运行状况，了解锅炉运行中一些技术参数，记录一些重要的数据，改善运行状况，提高炉膛燃烧效率，需要安装一些变送器、显示表和记录仪等仪表，但是在安装时会穿越许多管道，还要安装电缆桥架，从而造成资源的浪费，也影响了测量精度，延长了施工周期。

我国现在能源供应很紧张，很多城市拉闸限电，对于整个国民经济的发展带来了不利因素。一些地方用煤短缺，如何节省能源，加快电厂建设成为人们首先要解决的问题。

2 锅炉检测的仪器仪表技术基础

人们刚开始使用仪表就是为了简单测量一些工艺参数，仪器仪表只能显示出数据，不能远传。而随着科学技术的发展，仪器仪表不仅能显示出系统中每个参数值，而且还增加了通讯口RS-232/485，并能支持工业以太网;同时又开发了能支持现场总线的适配器，并能与Profibusl协议兼容，进行数据高速传输;仪器仪表将来还具有网络开放性，即网络协议的标准化与开放化、多种网络框架、网络协议支持等。仪器仪表的数据存储形式为CF卡和优盘，CF卡可扩展到1 024 M，优盘的技术使仪表存储容量更大，体积小巧，携带方便。仪器仪表的开关电源原先具有稳定性差，对电压波动的范围大，在具有强磁(电)场环境下使用，能使开关电源性能产生很大波动的缺点。现在采用脉宽调制方式技术，使仪表的抗干扰性能大大提高。仪器仪表的显示装置采用液晶显示屏，真正实现了宽温、宽视觉感受，界面操作则更加人性化。

仪器仪表发展的主要趋势为检测技术智能化、信息处理数字化、控制系统集成化。仪器仪表具有进行各种复杂计算和数据处理的能力，可修正由于测量带来的误差，能自检、自校。目前，我国工业自动化与仪器仪表产业的发展虽然取得了一定的进步，但与国际先进水平相比，在经济实力、技术研发、制造工艺等方面还存在较大的差距，在经营规模、经营效益上仍体现为“扁平大金字塔”的统计分布。对此，从显示仪表向传感器、变送器和控制系统扩展，在智能模块的基础上开发带现场总线型执行器、带现场总线接口的智能仪表及数据采集控制卡，将成为仪器仪表的发展方向。

3 基于Internet技术嵌入的仪表网络化

实现自动化仪表与Internet连接的想法其实很早以前就有了，主要的困难在于，Internet上的各种通信协议对于计算机存储器、运算速度等的要求比较高，而仪器仪表大多使用的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet协议将占用大量系统的资源，或根本不可能。除了采用高性能的32位处理器及相应硬件平台外，对于现存8位和16位仪器仪表，嵌入式也提供了网络化的解决方案。其中比较有代表性的技术是嵌入式微型互联网技术EMIT。

EMIT采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，网络协议的实现主要放在该网关上。网关通过RS-232，RS-485、CAN、红外、射频等轻量级总线与多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备将自身的工作参数反馈到网关中;同时网关可以发送命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。这样，仅通过增加一个网关，就解决了嵌入式设备上Internet的问题;网关可以同时管理多个嵌入式设备，从而提高嵌入式网络的结构化、智能化、浏览信息资源的归一化，并具有迄今为止与其他解决方案无可比拟的性能价格比优势。

通过嵌入式Internet接入技术，新型的仪器仪表与计算机一样，成为网络中的独立节点，可实现基于Internet的远程数据采集、远程控制、自动报警、上传/下载数据文件等功能;用户通过浏览或符合规范的应用程序也可以浏览到所需要的信息。

4 无线局域网技术的发展

在这个“网络就是计算机”的时代，伴随着有线网络的广泛应用，以快捷高效，组网灵活为优势的无线网络技术也在飞速发展。无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。通俗地说，无线局域网(Wireless local-area network，WLAN)就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能。通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网络在某些场合要受到布线的限制:布线、改线工程量大;线路容易损坏;网中的各节点不可移动。特别是当要把相离较远的节点连接起来时，敷设专用通信线路的布线施工难度大、费用高、耗时长，对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。无线局域网就是解决有线网络以上问题而出现的。

无线局域网的技术特点。

无线局域网利用电磁波在空气中发送和接受数据，而无需线缆介质。无线局域网的数据传输速率现在已经能够达到11 Mbps，传输距离可远至20 km以上。它是对有线联网方式的一种补充和扩展，使网上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络联通问题。

与有线网络相比，无线局域网具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。

IEEE802.11是IEEE802标准委员会在1997年通过的第一个无线局域网的国际标准。1999年9月，该委员会又颁布了IEEE802.11b标准，包含了ISO/OSI模型的物理层和媒体访问控制层(MAC)。该标准工作在2.4GHz频段。传输速率可达11Mbps。IEEE802.11b标准将节点设备分为基站和客户站，各客户站相互间可直接通信，基站与一组客户站的连接称为基本服务集BSS(Basic Service Set)，也可两个或多个BSS构成扩展服务集。IEEE802.11b标准规定了物理层的三种实现方法，即跳频扩频 FHSS、直接序列扩频DSSS和红外技术IR。

在MAC层采用CSMA/CA(载波侦听多路访问-碰撞避免)技术进行通信介质访问。为了尽量减少冲突，IEEE802.11b设计了独特的MAC子层。在下面的一层叫做分布协调功能DCF子层，该子层使各个节点采用竞争的方式使用信道，向上提供争用服务。这种信道接入方式可能会导致冲突的发生，但是对信道的利用率较高。上面的一层叫做点协调功能PCF子层，该子层使用集中控制的接入算法，从而避免了冲突的发生。但是基站需要周期性的轮询所有客户站，要占用大量的时间，因此用于中、小型网络。

5 在锅炉检测及控制中应用无线局域网的研究

工业控制系统的网络化为无线技术在工业控制系统中的应用提供了基础和可能。近几年很多研究人员也展开了这方面的研究工作。中国科学院沈阳自动化所的曾鹏等人以FF(现场总线基金会)颁布的FF HSE(高速以太网)为蓝本，结合无线以太网标准IEEE802.11b，构造了现场级无线通信协议栈。该协议栈保持了基金会现场总线的通信模型，能够完成无线设备间的时间同步和实时通信。韩国斧山国立大学的Kyung Chang Lee等人设计了协议转换模型，实现了Profibus-DP网络和 IEEE802.11无线局域网的连接。Mario Alves等人对基于广播方式的现场总线/无线网络的混合网络报文传送延迟时间进行了估算。C.Koulamas等人研究了Profibus现场总线与基于IEEE802.11b的DSSS物理层结合的性能。除了在理论上的研究工作外，在一些工业控制网络中，无线通信技术已获得了应用。如美国罗克威尔公司在基于DeviceNet、Control-net Ethernet/IP的三层控制网络体系中，加入了无线以太网部分，可以实现无线通讯。德国西门子公司在基于Profibus-DP，Profinet的控制网络中结合无线以太网技术，使控制网络具有了无线通信功能。目前，在我国由于变送器采用两线制，仪器仪表很容易通过电源线受到外界干扰，不能实现从一次表到二次表无线数据传输及控制。随着科学技术的发展，变送器将实现无源，这样就能减少外界干扰，实现从一次表到二次表的无线数据传输及控制。从目前情况看，我国只能从显示表到管理网实现无线通讯，而且还可以通过手机来查询系统参数。例如能源计量网采用网络仪表，实现了从显示表到管理网的无线通讯。领导可以通过手机来查询生产情况，为生产调度提供依据。由于无线网络无可比拟的优越性，它可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成本，还可以满足一些特殊场合的需要，大大增强了系统构成的灵活性，加之无线通信技术自身的不断改进，因此，无线通信技术在工业控制领域中具有广阔的发展空间和应用前景。

总之以信息化带动工业化是保持国民经济持续快速增长的有力保证，也是改造传统工业体系结构的重要手段。网络技术作为信息技术的代表，与其工业控制系统的结合将极大地提高控制系统的水平，改变现有工业控制系统相对封闭的企业信息管理结构，适应现代企业综合自动化管理的要求。将现场总线、以太网、多种工业控制网络互联、嵌入式技术和无线通信技术融合到工业控制网络中，在保证控制系统原有的稳定性、实时性等要求的同时，又增加了系统的开放性和互操作性，提高了系统对不同环境的适应性。

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