一则无线电技术在电气控制系统中的应用

张静波

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州，450001）

0 引言

当前，在工业行业自动化控制系统中，往往需要用到大量传感器或者变送器对现场温度、压力、差压、液位、流量等工况进行监测，中央控制总台与这些传感器或变送器之间大多采用有线通讯方式，然而，经常性会遇到需要监测的现场区域位置复杂，设备安装困难或距离中央控制室很远,信号产生衰减等问题。

随着无线电技术的发展，应用无线电技术已经可以用来传递数据、声音、图像等，其通讯功能得到了越来越多的应用，例如在一些危险性比较高的场所，应用无线技术可以让工程人员在安全区域内监视或者控制系统的运行情况；在一些不便于进行布线的场所，也可以应用无线电技术来解决信号传输问题。

在西方工业国家中，无线电技术早就被用来解决在实际过程中遇到的问题，典型的应用集中在供水网、供热网、采油井等远距离组网的工业领域内。它们通常是通过无线电台在两地之间起数据、信号传输的作用，属于点对点或一点对多点无线电应用技术。

笔者曾经在某国际供水工程项目上接触过该类型无线电技术的应用，结合这个工程对无线电技术的应用特点，在此做一些简单介绍。

1 系统概述

该供水工程项目电气控制系统由两大部分组成：

（1）中央控制室主站电气控制部分：安装有电源进线柜、PLC柜、数传电台、天线等，其中PLC柜是整个系统的控制核心，它通过无线电的方式与各个水井泵站构成通讯，使各个水井泵站根据水塔水位由PLC控制自动向水塔内供水。

它具有三种操作方式：①就地控制操作方式；②集中控制操作方式；③自动控制操作方式；

（2）各水井泵站电气控制部分：安装有电源进线柜、水泵电气控制柜、PLC柜、数传电台、天线等。每个分泵站通过电台与主控制室PLC柜进行通讯，将现场水泵的运行状态向控制主站进行发送，然后接收控制主站发出的各种指令，实现整个系统的无线控制功能。它具有两种操作方式：①就地控制操作方式，②远方控制操作方式。

2 系统构成

■2.1 系统组成

整个系统分为三层，分别是：控制室主站、控制层和设备层，如图1所示。

图1 系统组成图

（1）控制室主站

控制室主站是整个系统的控制核心，用来接收六个水井泵站的工作状态，并向各个泵站发出各种操作指令。它由可编程控制器（PLC）、数传电台和定向天线构成。信号从数传电台到达天线，然后天线将信号作为一系列电磁波信号发射到空中。信号通过空中传播。在各水井泵站，另一个天线接收信号，通过一个接收器将它转换回适合PLC处理的信号，如图2所示。

图2 控制室主站

（2）控制层

控制层是由各个水井泵站分站构成，可根据控制室主站发来的各种指令来运行设备，并向控制室主站发送设备当前的运行状态。它也是由可编程控制器（PLC）、数传电台、和定向天线构成，与控制室主站的组成方式一样。其中数传电台用于数据的发送和接收。

（3）设备层

设备层由现场设备、各种仪表、传感器、变送器执行器、继电器、控制器（例如交流接触器）等构成。其中传感器、变送器用来收集数据。

■2.2 通讯原理

在控制方式处于自动控制状态时，控制室主站PLC接收来自水塔水位传感器传来的通过A/D转换器传来的水位信号。根据水塔水位的高低，PLC依据事先编好的程序，据此判断需要启动水泵的数量或者需要停止运行水泵的数量、以及计划启动哪些水泵或者停止运行哪些水泵，确保系统能安全可靠运行。PLC的数据接口为RS485，数传电台的数据接口也为RS485，这样，在PLC做出判断后，把相应的指令信号传输到数传电台，然后，由数传电台把该指令信号转换为无线电信号，通过天线传送到相应的水井泵站（如图3）。

图3 通讯原理

相应的水井泵站天线在接收到来自控制室主站传来的信号后，由数传电台转换该无线电信号后传送到PLC，PLC发出执行指令，通过继电器、交流接触器等执行元件后，启动或者停止运行水泵；与上述原理相同，通过数传电台、天线对无线电信号的传输，还可以在控制室主站上显示如下信号：

（1）各个水井泵站的运行状态显示：各水井泵站处于运行状态或者停止状态；

（2）各个水井泵房的操作状态指示：能够对各个水井泵房的操作状态进行显示，判断水泵是处于就地操作还是在远方操作状态，以便操作人员根据水井泵房的当前状态来进行操作。

（3）各个水井泵站故障状态显示：如过流、过载、电机超温、水泵干转等，可及时地在控制室PLC柜上进行显示。

（4）对各水井泵房实施集中控制：实现在控制室主站PLC柜上对各个水井泵站的集中控制。

3 系统网络通讯数据设置

无线通信是利用电波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，简单讲，无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式，故此，在满足上述设备配置之后，控制层与主控制室之间可以采用无线电通讯方式进行数据交换：

在该供水项目，根据实际情况，我们选择了日精230MHz ND250A专业数传电台、及OMRON SYSMAC CP1H可编程控制器（PLC），一些通讯数据如下：

①通讯频率：227.225MHz；②波特率：1200bps；③数据位：8；④停止位：1；⑤奇偶位：Even ；⑥通讯接口：RS485；⑦模拟量信号均采用国际标准的4～20mA制式；⑧数字量输入信号通过隔离后送入可编程序控制器；⑨可编程的数字量输出信号通过继电器转换与现场设备连接.

4 该类型无线电应用方式的优缺点

大体上而言，与传统的有线网络相比，无线传输具有许多优点。或许最重要的是它比较灵活、易于扩展、安装方便、节约成本。正是由于无线信号是随电磁波通过空气传输的，无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。

然而，正是由于此种传播方式，它也存在一些缺点：首先是安全性问题。由于数据信号是通过电磁波传播，所以很容易被截获而不像有线网络是通过专门的线路传播，不易随便的获得数据；其次，因为无线电波是在一定的频段上传播的，所以如果有两个设备的发射信号频段相同，那么这两个信号就会相互干扰，造成数据传输的错误；再则，这种做法功能单一（只能实现点到点或者一点对多点的连接）、安全性低、且必须专门编程实现通讯。

5 结束语

综上所述，随着科学技术的发展，随着无线电技术的日新月异，其弊端逐渐被克服，无线电技术为电气自动控制领域提供了更多新的选择方案。其技术方案越来越大大节约劳动成本，数据收集、传输、分析的能力越来越快越强，运行越来越稳定可靠，相信其应用将会越来越广泛。