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伊敏发电厂输煤系统5／3皮带与斗轮机联锁改造 |
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| 伊敏发电厂输煤系统5／3皮带与斗轮机联锁改造 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 16:55:40  |
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摘要：伊敏发电厂的输煤系统是一套庞大的系统，其在全国都很罕见。就其5／3皮带与斗轮机之间的联锁问题就非常难以解决，当5／3皮带启动时，发出允许斗轮机启动信号，反之则允许5／3皮带启动。但由于伊敏地区地处寒冷地带，任何电缆在－45℃的低温下可靠性都大打折扣了，因此必须对其进行改造，使其适合伊敏地区的气候。我采用了美国生产的7052数传电台（或称无线数传机）和迷你型PLC对其进行了改造，取得了非常满意的效果，在试验期间的90天内，正确动作率为100％，成功的解决了这一问题。
关键词：数传电台 PLC 接收 程序 联锁 无线遥控 单工 准全双工 场强
0 引言
伊敏发电厂的输煤系统仅仅院内部分就有23条皮带，各皮带之间紧密相连，极其复杂。虽然5/3皮带与斗轮机之间的联锁控制简单：当堆料（储煤）时，斗轮机先启动，然后由斗轮机发出控制信号，允许5/3皮带启动；当取料（取煤）时，5/3皮带先启动，然后由5/3皮带发出控制信号，允许斗轮机启动，但实现起来却非常困难。原因是要想实现控制就要有控制信号，早期的控制信号都是由控制电缆来完成的，这种电缆是一种特殊的电缆，是一种必须适合斗轮机行走能够卷放的扁平电缆，这种电缆在冬季的时候，由于长期使用，损坏率很高，不仅价格较贵，而且维护量极大。每条电缆约2.5万元左右，每年冬季大约损坏2～3条，直接经济损失很大，间接损失如：不能储煤、不能辅助上煤等等更加不可预算。后来牡丹江三方自动化设备有限公司对其进行了改造，使用无线遥控单工系统，投资15.7万元，自从投入使用以来，经常误动作，可靠性不足30％，虽然几经维修但最终没有解决，如果维修大约要3万元左右，更换其产品的主要备件，也要15万元，所以也就一直没有再使用。2003年7月下旬我受当时的输煤车间的委托对其进行改造，输煤车间的要求：一是使用无线遥控；二是解决干扰问题，也就是说不能有任何干扰。我认真地对牡丹江生产的设备进行了研究，发现其只不过是一台大个儿的对讲机而已，其缺陷是：①是单工；②发射角小、功率小；③天线受高度和障碍物影响较严重；④受6KV电机启动、手机和对讲机的干扰影响非常大；⑤受电源电压波动的影响较大；⑥没有防雷击措施；⑦设备制造粗糙，继电器容易松动。这七点是其不能使用的真正原因。我根据这些因素选用了由美国生产的MDS EL7052专业数传电台和日本PANASONIC FP0迷你型PLC组成的无线遥控发射装置，使5／3皮带与斗轮机进行准全双工联锁解决了这个长期困扰检修人员的问题，不仅没有了有线控制存在的问题，而且减少了检修人员的劳动强度，减少了维护，提高了设备的可靠性。也保证了斗轮机和5／3皮带一年四季安全工作、稳定工作、可靠工作，该项目仅仅投资8.51万元，并做成准全双工、100％冗余。也可以将类似的改造应用于其他领域，为伊敏发电厂的稳定发电服务。下面将如何应用到实践中的进行浅析。
1 原遥控装置与数传电台的比较
除了数传电台，目前国内遥测遥控电台很多采用所谓的“专业数传电台”，是由工作于230MHz频段的模拟调频对讲收发信机（即车载式对讲机）加MODEM改制而成的。其实，原遥控装置这种方式在国外早已淘汰弃用。220～240MHz频段是我国无线电管理委员会规划分配的数据传输业务允许使用的频段之一，工作于该频段的模拟车载台有包括美国摩托罗拉、新西兰大吉、日本日精、日本日立及国内（深圳、北京）等公司的产品，相对于数字电台有以下优缺点：
1.1 优点：价格便宜。
1.2 缺点：
不可靠——车载式对讲机设计上要求不能连续发射，否则烧功放，作为数传台用时需要配国产调制解调器，器件及工艺较差，业余无线电使用技术，对环境及电源范围要求较高。
指标低——传输速率一般为1200/2400bps（比特／秒），需用综合测试仪反复调试才能达到较好的10-6误码的灵敏度。
误码高——单锁相环及PTT时延造成收发转换时间50ms以上，发射端容易丢掉字头数据，调频静噪尾噪声(FM SQL tail)造成在接收端出现多余的字符而无纠错编码，受干扰后，数据传输容易失败。
无网管——如果数据传不回来或者控制不能下达，无法判断是停电、电源坏、信号差、天线馈线不匹配、温度高还是RTU无数据。
2 MDS EL7052简介
美国MDS公司专门从事无线数据传输领域的产品研发和生产，是这一行业最大生产商，占有美国70%同类产品市场，MDS的许多型号电台已成为行业标准。
美国MDS公司遥测遥控系列数字电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，具有高性能、高可靠的特点，电台提供标准的RS-232数据口可直接与计算机、地震数据采集器、RTU、PLC、数据终端、GPS接收机、数码相机等连接，传输速率19200bps，误码低于10-6（-110dBm时），发射功率0.5～2.5瓦可调节，任何型号的电台可设置为主站或远程站使用，无中转通信距离达70公里，能适应室内或室外的恶劣工作环境。电台数据和语音兼容，可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式。收发同频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监控功能，满足各种应用的遥测台网中心与众多远方站之间的远距离、高速、高可靠的数据采集和控制。
2.1 SCADA系列电台的特点
高指标：传输速率达19200bps，透明标准RS232接口，能和带RS232接口的PLC配套使用。高灵敏度，低误码－110dBm(BER<10-6)，传输距离达70公里以上，收发转换小于3ms，低功耗：<18mA（休眠状态）。
高可靠：采用数字信号处理、数字调制、纠错编码、SMT一体化设计等最先进技术。电台连续发射时工作温度/湿度在:－40℃～70℃／95%，电源电压在：10.5～25VDC范围内。
有网管：远端电台状态（电压、温度、误码、功率、接收电平等）、远程监视远端电台告警（低电压、数据格式错误、温度过高、不匹配等）、远程提示远端电台参数（串口速率、工作频率、发射功率等）、远程设置。
产品系列全/配套使用灵活：230M/350M/400M/800M/2.4GHz都有（可分别适用于山区、海上、平原、城市、郊区等多种地形和环境）；单工台、双工台、热备份台齐全（与各厂家RTU、PLC、FTU等都可直接连接）。
2.2 系统结构
用美国MDS公司SCADA系列电台组建油田/天然气、水处理、电力、煤气、铁路、地震/气象/环保、GPS、金融、公安/交通/安防、化工、工业控制自动化等数据采集与控制系统结构如下图：
对多点无线数据采集监控系统
点对多点无线数据采集监控系统（有远距离中继）
3 无线方式传输数据
数据传输可以简单地分为有线（包括架设光缆、电缆或租用电信专线）和无线（分为建立专用无线数据传输系统或借用CDPD、GSM、CDMA等公用网信息平台）二大方式。相比较，用无线电台建立专用无线数据传输方式比其它方式具有投资少、开通快和运行维护简单等优点。
现在国内大部分的遥控遥测电台是用调频模拟车载电台加MODEM芯片改制的，它不是专业的数据传输产品，而是工作于230MHz数传频段的对讲机，用这种电台传输数据确实不可靠。原因是有二个根本性的问题不能解决：PTT控制发射延时（100ms以上）带来前导数据字符丢失和调频静尾噪声带来的多余字符干扰，特别是在高速数据传输或收发快速转换的应用如接PLC等。在传输速率低、距离近、可靠性要求不高，如可以多次采集等，因为其价格低廉，用的很多。但是在要求高速、远距离、高可靠的传输中，我们要选用直接数字调制解调、有前向纠错、用DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理）技术的产品，如美国MDS、DATALINC等厂家的设备。其二是要根据主站及分站的分布和地理环境等具体情况进行组网设计和现场测试。
3.1 理论计算
相距较远的两个点之间能不能通？通了以后误码率是多少？抗干扰稳定性有多强？在理论上取决于如下两个因素。
3.1.1 视距传输
电波信号的传输根据工作波长（频段）的长短不同具有地面波传输（长波）、电离层反射传输（短波）、空中传输（超短波、微波）三种方式，我国无线电管理委员会将专用无线数据传输业务主要分配到220～240MHz频段（另外还有800MHz、2.4GHz等频段），这个频段的电波传播是通过空中进行的。由于地球曲率的影响，两个点（天线高度分别为H米和h米）之间最大可视距离D公里为D=4.12（H1/2+h1/2）。
假设主站天线架设在办公楼顶（高约100m），远程站天线架设在平房顶上（高约4m），则D=4.12（1001/2+41/2）=49.44公里。
考虑到230兆频段电波具有一定的绕射能力，该种假设架设天线，理论上最远可以通到50公里左右。
同样假设主站和远程站天线高都是1米（如手持），则理论上最大传输距离为6公里左右。因此天线架设的相对高度是决定通讯距离的第一因素。
3.1.2 接收场强
电波从电台发出，经过馈线和天线，通过空中向远方传播，信号受到衰减，到远端接收机时，场强电平为：
Pr=Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-Lo
Pr：正常接收电平（dBm）
Pt：发信功率（dBm）
Gt、Gr：收发天线增益（dBm）
Lt、Lr：收发馈线损耗（dBm）
Lo：自由空间损耗（dBm），Lo=32.45+20logf (MHz) +20logD (Km)
电波信号到达接收机的场强不同，解调输出信号的信噪比亦会不同，从而影响系统的判决造成误码。如果场强太小，即使距离再近接收机亦收不到。所以接收场强是决定通讯距离的第二因素。
接收场强Pr与接收机的门限电平（即在BER小于10-6时，接收机要求的场强电平值，不同的电台，该指标不同，一般为-110dBm）差距即为衰落储备。Pr与接收门限电平差距越大，衰落储备越多，抗干扰能力越强，误码越少，一般要求衰落储备在20dB以上。
原来使用的遥控发射装置就是没有解决这两个问题和电源不稳定等因素，所以一只无法使用。
4 输煤系统5/3皮带与斗轮机联锁系统组成
该系统采集端采用PLC进行数据采集，然后将数据传送给无线数传机，无线数传机将数据调制解调以后通过无线的方式发送出去；系统接收端采用相匹配的无线数传机接收无线信号，调制解调以后传送给PLC，由PLC响应采集端的数据信号。
见下面的模拟〈图一〉
〈图一〉系统组成示意图
4.1 无线数传机
无线数传机采用美国生产的MDS EL705遥测遥控系列数字电台，具有数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计、具有高性能、高可靠的优点，电台提供标准的RS-232数据口可直接PLC连接。传输速率2400～19200bps可调；发射功率0.1～2.0瓦可调，能适应室内或室外的恶劣工作环境，使用寿命可达3～5年以上。由于配备了PLC的使用，使无线数传机在信号反转之前一直处于休眠状态，所以又大大地增加其使用寿命。
4.2 PLC
PLC采用日本松下公司生产的NAIS FP系列，该系列的PLC是目前世界上最小的PLC，性能可靠，编程通俗易懂，易于维护。本系统采用的PLC有四个D/I点，四个D/O点，由于系统只使用一个D/I点，一个D/O点，所以做到了充分的冗余。
4.3 继电器
继电器采用日本OMRON的继电器系列，该产品的特点是耐用，可靠，而且在继电器上有状态显示灯，可以一目了然地观察到继电器的状态。
4.4 电源
电源采用朝阳电源厂生产的4NIC工业电源，该厂生产的电源一向是国内各工程的首选电源，向来以输出电压稳定，输出功率保证。本系统采用了三块电源，T1是为无线数据传输机和PLC供电的保证，T2为继电器的内部回路供电，T3为继电器的外部回路供电。内、外部继电器回路的触发电源分开，做到了内、外隔离，为系统的安全提供了保障。
4.5 控制箱
控制箱采用的是正泰公司的产品，本系统选用的是防尘控制箱，保证在输煤现场有煤粉的情况下，做到最大限度的防尘。
4.6 端子
端子采用国际工程上普遍选用的德国产AD端子，该端子具有结实耐用，接线可靠等特点。
4.7 防雷击装置
该系统加装了防雷击装置，从而保证了系统在阴雨天的安全工作。
4.8 放置地点
做成两个完全相同的控制装置后，分别放置在5／3皮带头部2楼和斗轮机配电柜室。天线采用了全方位室外天线，传输距离约70公里（5／3皮带与斗轮机之间距离约500米）这样就解决了遮挡物的影响，不论斗轮机如何旋转还是纵向移动，都从方向上和距离上解决了干扰问题，且频段使用不受制约。
4.9 接线原理图
接线原理图见〈图二〉
5 实现功能
5.1 准全双工
由于PLC与MDS无线数据传输机在通讯上均是半双工（既发送的时候不能接收，接收的时候不能发送）产品，如遇到A、B两端同时动作时将会有一端接收不到，为了解决这个问题，在PLC编程中设计了一个令牌环，当一端动作时必须从另一端取得令牌以后才能发送动作指令。这种设计保证了在A、B两端同时动作时，无令牌的一端可在500ms以后发关相关信息，达到的准全双工的功能。
5.2 即时传输
系统的无线数据传输系统被设计成并不是随时进行数据传输，而是在输入接点发生变化时才进行数据传输，也就是说：在输入接点没有发生变化时，无线数据传输机处于休眠状态。这种设计思路保证了无线数据传输机的寿命，可以延长无线数据传输机使用年限3～5年。
5.3 高可靠性
由于MDS无线数据传输机有误码率（10-6），所以为了保证每一组数据均能准确接收，在PLC编程时，实现了每一次动作发送3组数据（1000－200；700－200；500－200，和内部设置数据相同）并且进行校验。任何一端接收到错误信号时，就会向另一端发送询问信号，被询问端再次发送3组数据以求证明，被证明是内部设置的信号时就动作，否则就保持，这种设计使误码率降到了最低。注意事项如下：
①在系统未接天线时，严禁将系统上电。如在无线数据传输机未接天线时，将系统上电有可能会烧毁无线数据传输机。
②严禁在系统的一端未上电的情况下，将系统的另一端长时间的上电，这种情况将有可能造成无线数据传输机的长时间发送，对无线数据传输机会造成损害。
5.4 动作方式
5.4.1 第一种情况
A入有变化，向B发送，DT101=1000，B返回900；DT102=700，B返回900； DT103=500，B返回900，则A停止。
5.4.2 第二种情况
A出有变化，向B发送，DT101=1000，确认状态，B返回900；DT102=700，确认状态，B返回900；DT103=500，确认状态，B返回900，则A停止。
X0，X1，X2对应DT101、DT102、DT103，通为1000、700、500，断为200，
R0：检测是否有变化。
R1：判断DT201和DT501，是否是900，如是，R1断开，表示握手成功，如不是，则R1导通，一直发送DT101为1000、DT102为700、DT103为500的数据。
R11，R12：判断DT101（DT102、 DT103）是否为1000（700、500）或900，是否是有效数据。
R14，R15：判断接收到的DT202是否为有效数据。
R16，R17：判断接收到的DT203是否为有效数据。
R18：如上述为无效数据，则R18导通，使R0导通，重新进行数据传输。
5.5 内、外隔离
本系统在硬件设计上采用了电源内、外隔离的方法，内部的电源和外部的电源分开，即使控制端误入不安全电流，最大损失是损坏一个电源，可以保证贵重的无线数据传输机和PLC的安全。
5.6 安全性
本系统采用了DC 24V驱动的继电器，在控制箱中只有少数几个点是AC 220V，其它接点均为DC 24V，最大限度保证了使用和维修、维护人员的安全。
5.7 防尘
由于控制箱采用了防尘设计，在控制电缆的接口处均采用了密封接头，可以保证煤粉较少地进入控制箱，为系统的可靠运行提供了保障。
6 扩展应用
根据MDS EL7052专业数传电台的特性，它可以进行扩展应用。这里所说的扩展应用是指通讯距离超过1500米或者容易损坏控制电缆的地方。就一般的通讯设备而言，通讯距离不大于1500米，否则中间必须加放大装置。比如远距离控制一台程控设备，通讯电缆如果在1500米以上时，就很容易导致PLC装置故障或死机。如果使用MDS EL7052专业数传电台，不仅可以解决控制问题，而且不发生死机现象，如果要求通讯距离更远一些，我们可以选择MDS EL705系列电台，例如MDS EL7054等。
虽然MDS EL7052专业数传电台可以扩展应用，但由于无线电波易受障碍物的衍射，所以说其实际的传输距离都指的是开阔地。如果有障碍物阻挡，就必须考虑天线的高度和方位，同时接收信号的质量也影响数传电台的寿命，所以选择使用时要考虑这些因素。
7 结束语
本系统是按照上述内容设计、施工的，有些功能甚至比预计的更为完善（如“准全双工”、“即时通讯”、“内、外隔离”等等），该系统已于2003年8月8日安装到现场，经3个多月的试运行，动作正确率为100％。
总之，只要选用技术指标高、质量稳定可靠的电台，再经过现场测试，确定天线类型、架设高度和电台的功率，无线数据传输系统一定能稳定工作、5/3皮带和斗轮机一定会可靠运行。
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