远程数据采集赛远的工业无线在水泥生产上的应用

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一、       水泥行业概况

水泥行业是一个重要的基础产业，与人类的生活息息相关。中国对基础建设的大力投资对高标准的水泥提供了持续的需求。

经过长期的发展，中国水泥产量已多年居世界首位，年产量超过10亿吨。但我国并非一个水泥强国。高标准的水泥依然供不应求，能耗指标相对较高。

由于落后的生产工艺，水泥制造对环境也带来了不利的影响。为此，国家提出了用先进技术的新型干法水泥生产来淘汰落后的立窑生产，提出了控制总量、调整结构、淘汰落后的方针。

现代水泥生产工艺设备的单机容量大，生产连续性强，而且生产过程要求较高的快速性和协调性。为了提高企业竞争力，自动控制的实施至关重要。自动控制能保证生产稳定、提高产量、提高质量、降低能耗、降低劳动强度以及减少环境污染。同时，现代的生产管理对水泥工厂的过程控制系统提出了新的要求，适应管控一体化的过程控制系统能够帮助提升工厂管理水平，增强水泥工厂市场竞争力。

二、       水泥生产概述及其自动化系统组成

水泥的生产过程通常可分为三个阶段：石灰石、粘土质原料与少量校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细并调配为成分合适、质量均匀的生料，称为生料的制备；生料在水泥窑内煅烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主的熟料，称为熟料煅烧；熟料加适量石膏、混合材料共同磨细成粉状的水泥，并包装或散装出厂，称为水泥制成及出厂。

水泥生产自动化已成为水泥生产技术发展所不可缺少的环节。自动化水平的提高，将使生产过程稳定在一个更合理的的工艺参数和工艺条件下，以取得最佳的经济效益。

水泥生产的自动化系统具有很强的分布性，一个典型的水泥生产线控制系统有如下几个部分组成：

原料粉磨控制站。该控制站完成从石灰石进厂、石灰石预均化、原料调配、原料粉磨及生料入库输送所有设备的控制。

煤粉制备控制站。该控制站完成从辅助原料进厂、辅助原料堆场、煤粉制备、煤破碎及输送和生产循环水泵站的控制。

窑尾控制站。该控制站完成烧成窑尾、生料入窑系统、空压机站、烧成窑中、废气处理等。

烧成窑头控制站。该控制站完成烧成窑头、熟料库及水泥输送等。

水泥磨控制站。该控制站完成水泥粉磨、水泥调配站、水泥库、石膏破碎及输送、水泥包装及散装、水泥磨空压机的控制。

最早的水泥生产自动化从马达开停逻辑控制和仪表控制开始，随后发展为分布式的网络控制系统。同时，针对水泥行业专家系统的发展优化了工厂的生产节省了能源。更值得一提的是现代的水泥自动化采用开放的工业以太网构架下的适应管控一体化的平台，让工厂的生产和管理紧密结合，实现生产环节和管理环节的信息通讯，提高工厂的生产和管理水平。

随着计算机网络技术的广泛应用，ERP和MES也逐步在水泥厂中推广应用。为了工厂的协调运营需要PCS系统、ERP、MES相互间进行通讯及信息交换。对于全集成自动化解决方案，西门子，施耐德，罗克韦尔等知名工控厂商都提出了各自的解决方案，目的在于将工业网络协议和互联网技术应用于工业自动化领域。作为一个完整的全集成自动化解决方案，包括如下的内容：TCP/IP Ethernet 提供厂级信息无缝交换的结构；面向对象的软件组织信息并使其更易于共享；嵌入式服务器创造基于WEB的工厂自动化。实际上，这就是工业物联网的一种行业应用。

在工业物联网中，具有三层的不同分工：应用层、网络层、感知层。对于工业物联网，是以工业系统为对象的网络。具有要求的实时性高，稳定性强，面对专业工控协议，要求解析准确。

赛远所提供的工业无线通讯产品，在上述水泥厂中，可以应用到水泥生产中的很多环节，凡是移动、旋转和不方便接线的场合，均可以使用无线通讯模块。

本应用中，全厂的无线通讯，采用了赛远的SY-S72产品进行通讯，进行无线采集和监控。分别有7个站，包括：一个原料粉磨控制站，两个煤粉制备控制站，一个窑尾控制站，一个烧成窑头控制站，两个水泥磨控制站。拓扑图如下：

中控室对现场的7个控制站，通过PPI无线通讯

三、       配置清单

中控总控制站：

每个现场控制站：

四、       水泥厂的无线通讯的特点

针对水泥厂的通讯，首先考虑的是采用有线通讯。但在实际使用过程中，由于有线通讯电缆和动力电缆等难以隔离较远，现场的电磁干扰常常将通讯信号干扰得难以正常收发。较好的解决方案是采用光纤进行通讯，但由于生产过程较为复杂，当光纤发生断线的时候，现场检修十分困难，需要重新敷设光纤，工作量大，并且需要专用设备进行现场熔接，维护的周期长，影响较大。

设计时，也采用过诸多方案进行无线，市面上大部分产品均采用了2.4G WIFI协议进行传输，在调试的时候，在可对视的场合，能够建立正常的通讯，速度可以达到54Mbps，甚至可以传输视频。但全厂的控制站，分布在高高低低的工厂四处，很难保证可对视的传输，2.4G的信号在有遮挡物的情况下，时有时无，十分的不稳定。并且在雨天的时候，信号也变得不稳定。不管是知名品牌，还是市面上常见的产品，均有此问题。

经过深度分析，2.4G的产品，主要是由于其物理特性决定了传输的衍射能力。2.4G的频段，波长约为124mm，其信号衰减快，衍射能力弱。这就是微波的特性。任何品牌的产品也无法改变该物理特性，所以在遇到遮挡物时，包括下雨天天气，水分子就变成了一堵堵墙，吸收微波，并无法衍射，导致信号被吸收而失真，导致通讯问题。

无线频率用途分配表

由此，在复杂环境，必须选用衍射能力更加强的低频产品进行传输，如采用433MHz的无线通讯产品，其波长为692mm，波长较长的信号的衍射能力强，信号可以进行反射和绕射，将信号传输到目的地。而且，无线电的传输速度不管是在哪个频段，都是和光速一样的，所以不存在信号多次衍射之后的速度降低问题，关键在于无线通讯模块的处理速度和能力。

经过现场对比实验，最后选定具有国家专利的赛远无线通讯模块SY-S72，因为该产品在现场各个复杂环境测试，均表现信号稳定，并且无线通讯模块的处理速度很快，由于无线通讯模块的收发带来的时延不超过5ms，远远超过市面上的产品的性能。而且该无线通讯模块支持现场所用的PPI协议，这样在上位机采用INSPEC易控组态软件进行读写的时候，不需要在S7-200的PLC里面进行编写任何程序，直接在上位机组态软件中，调用OPC驱动即可完成数据采集和监控。

五、       水泥的现场应用效果

现场的应用图如下：

原料堆放场无线控制移动小车

生料处理的无线数据采集和监控

安装在堆料场上面的无线通讯天线

在调试过程中，要加以注意的是，选好无线通讯天线架设的位置，采用全向的天线，尤其是增益大的玻璃钢天线，或者定向八木天线，有助于信号的稳定传输。另外，对于PLC和无线通讯模块采用的开关电源，建议采用纹波系数小的优质开关电源，在PLC和无线通讯模块之间，最好加上信号隔离器。赛远的工业无线通讯系统，一旦调试正常，工作稳定，这是生产单位最为看重的。 

上述系统，赛远的无线通讯产品在水泥厂使用2年以来，经受住了天气环境的考验，粉尘的考验，以及较为恶劣的现场电磁干扰考验，工作稳定。

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