JP2010015381A - ボイラプラント計装システム - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラに散在する多数のセンサの信号を制御室に伝送する際に、輻輳したケーブル布設によるのではなくて、工夫したワイヤレス伝送で行うこと。
【解決手段】火炉上下方向に複数階層のフロアを有するボイラプラントの各部の状態量を各種センサで計測して制御室へ伝送するための計装システムであって、状態量を計測するセンサ１０２から出力された電気信号を入力するとともに電気信号を無線信号に変換して送信するセンサノード１０３と、センサノード１０３からの無線信号を中継する中継ノード１０４と、中継ノード１０４からの無線信号を受信して電気信号に変換するとともに変換された電気信号を制御室へ伝送するゲートウェイ１０５と、を備え、中継ノード１０４とゲートウェイ１０５は、火炉上下方向に略直線状に形成された空間である無線幹線経路１０１に配置される構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラプラントの計装システムに係り、特に監視又は制御の対象箇所の多いボイラプラントのケーブル布設コストを低減するのに好適な計装システムに関する。

火力発電用ボイラプラントは、ボイラ、タービン、発電機とそれらを制御する制御監視装置、及びその外の付帯設備を備えている。石炭焚ボイラは、石炭を粉砕するミル、火炉、排ガス処理設備、水・蒸気系等で構成される。

火炉は、水或いは蒸気を流す管を壁状に結合して構成される水壁とケージ、及び火炉内部には水或いは蒸気を流す管群で構成されるバンクを複数配置している。また、火炉にはミルから供給された石炭と燃焼用空気を投入するバーナ、二段燃焼用空気を投入するアフターエアポート、炉内壁面に付着する灰を除去する灰除去装置が据え付けられている。

図７は最大級規模の石炭焚ボイラにおける火炉の大きさを表す図である。図７に示す例において、火炉は、その大きさが幅約３０ｍ、火炉前流で奥行き２０ｍ弱、高さ約６０ｍにも及ぶ構造体である。ボイラの水・蒸気系は、複数のポンプと水壁・バンクとそれらを繋ぐヘッダ、及び配管で構成される。ヘッダはボイラトップにあるペントハウス内にある。

ボイラの周りには、ボイラトップから地上まで、フロアが複数存在する。特に火炉の横には、バーナ、アフタエアポート、灰除去装置等をメンテナンスするためのフロアが多く存在する。フロアは、鉄製の板状のものや、グレーチング（鋼材を格子状又は網目状等に組んだ蓋体又は床体）が混在する。また、火炉や火炉後流煙道周辺には、燃料配管、空気配管、水・蒸気配管などが縦横高さ方向に配管されている。

ボイラを運転するためには、各部の燃焼ガスの温度・圧力・流量、水・蒸気の温度・圧力・流量、水壁メタル温度等の状態量を計測し、各計測値は、通常、ボイラ建屋より数１０ｍから数１００ｍ離れたところにある制御室にある制御監視装置まで伝送し、その計測値によって、各部のファン・バルブ・ダンパ等を操作し、制御するための計装システムが必要である。各計測値は、用途に応じて０．１秒から数十秒の間隔で計測、監視が必要である。

計測点は、ボイラトップ、バーナ周り、ミル周り、各種補機等至る所に散在している。特に、ボイラトップには、各バンクの出入口状態量等の多くの計測点が集中している。計測点数は、既設のボイラで２０００点から４０００点に及び、より精密な制御を行うため、今後増加していくことが予想される。

各計測点に対応する専用の信号ケーブルを布設する場合、信号ケーブルは、各種装置や燃料配管、空気配管、水・蒸気配管などが決まった後、最後にそれらを迂回しながら、ケーブルトレイを配置し、そのケーブルトレイ上に数千本のケーブルを布設する必要があるため、設計が煩雑であり、現地での調整・変更が頻出する。

一方、ケーブルを布設しない方式として、ワイヤレスセンサネットワークシステム（ＷＳＮ）がある。ワイヤレスセンサネットワークシステムでは、センサで計測した電気信号は、センサノードに有線で入力され、センサノードから無線信号として発信される。無線信号は、ゲートウェイ（通信ネットワークにおいて、異なる媒体やプロトコルを使用する他のネットワークと接続するために用いられる電子機器やソフトウェア）で受信され、ゲートウェイで電気信号に変換され、制御装置やパソコンに電気信号として有線で送信される。

距離の遠さや障害物の存在によって、センサノードからゲートウェイに直接に無線で通信できない場合には、無線信号を中継する中継ノードを必要に応じて複数個配置する必要がある。ただし、中継ノードが多くなるほど通信遅延が大きくなり、通信容量、通信信頼性も低下する。なお、通信方式によっては、１対１での通信しかできないものがあり、その場合、無線信号を中継するシステムの構築には工夫を要する。

ボイラの場合、前述のように、制御室から遠い距離があって且つ障害も多いボイラトップに計測点が集中しているため、特にボイラトップから制御室までの中継の効率化が課題となる。これまでのところ、中継による通信遅延、通信容量、通信信頼性がネックとなり、ボイラへのワイヤレスセンサネットワークシステム（ＷＳＮ）の導入は進捗していないのが現状である。

プラント機器の稼働状態を遠隔の中央監視室で監視する監視システムにおいて、計測信号の伝送方式を開示する従来技術として、例えば、特許文献１が挙げられる。この特許文献１によると、プラント稼働状態を示す計測信号を近距離無線で送信するワイヤレスセンサを用い、このワイヤレスセンサからの計測信号を受信して電力ケーブルに流れる交流電流に重畳して送信する現場中継装置を設け、この現場中継装置からの計測信号を制御室内で収集するようになっている。
特開２００５−２２２１３９号公報

しかしながら、上記の特許文献１を含めた従来技術は、次のような点について配慮が欠けていた。すなわち、現場ワイヤレスセンサからの信号を受信できる位置に必ずしも電力ケーブルが布設されているとは限らない。また、現場ワイヤレスセンサから制御室まで必ずしも電力ケーブルが通じているとは限らない。また、電力ケーブル内に外乱となる計測信号を重畳させることは、信頼性を求められる事業用プラントの各機器に悪影響を及ぼすおそれがある。

そのため、現場ワイヤレスセンサからの信号を受信できる位置に電力ケーブルがない場合、或いは、現場から制御室まで電力ケーブルが繋がっていない場合、新たに電力ケーブルを布設する必要があり、さらに、電力ケーブルに接続している機器がある場合に当該機器に影響がないことを確認する必要があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するためになされたもので、ボイラプラントに多数存在する計測すべきプラント状態量を無線信号を用いて制御室に伝送するに際して、伝送容量を増大させ、通信の信頼性を確保し、コスト低減に寄与するボイラプラント計装システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
火炉上下方向に複数階層のフロアを有するボイラプラントの各部の状態量を各種センサで計測して制御室へ伝送するための計装システムであって、前記状態量を計測する前記センサから出力された電気信号を入力するとともに前記電気信号を無線信号に変換して送信するセンサノードと、前記センサノードからの無線信号を中継する中継ノードと、前記中継ノードからの無線信号を受信して電気信号に変換するとともに前記変換された電気信号を前記制御室へ伝送するゲートウェイと、を備え、少なくとも前記中継ノードと前記ゲートウェイは、火炉上下方向に略直線状に形成された空間である無線幹線経路に配置される構成とする。

また、前記ボイラプラント計装システムにおいて、同一の無線周波数チャンネルの信号を送受信するセンサノード、中継ノードおよびゲートウェイの組を複数組形成させ、前記形成された複数組を同一の無線幹線経路に配置する構成とする。さらに、前記無線幹線経路はボイラ缶の右側と左側に配置され、それぞれの無線幹線回路は複数の無線周波数チャンネルを形成しており、前記ボイラ缶の右側と左側の無線周波数帯は同一である構成とする。さらに、前記無線幹線経路は、無線通信が遮断されることのないようにダクトで囲まれる構成とする。さらに、前記無線幹線経路に配置された前記中継ノードと前記ゲートウェイは、グレーチング上に設置される構成とする。

本発明によれば、ワイヤレスセンサを用い、ボイラ上下方向に無線幹線経路を直線状に構築することによって、ボイラの至る所に散在するセンサの信号を、従来のように縦横高さ方向に各種装置や配管などを避けつつ設置されたケーブルトレイでケーブルを引き回す必要をなくして、制御室に伝送することができ、ボイラプラント計装システムのコスト低減に寄与することができる。

また、ワイヤレスセンサからの無線信号を多チャンネルで伝送することで通信容量、引いては計測信号の伝送容量を増大させ、無線幹線経路をダクトで囲むことで無線信頼性、引いては計測信号の信頼性を確保することができる。

本発明の実施形態に係るボイラプラント計装システムについて、その概要を図１、図２、図３及び図７を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施形態に係るボイラプラント計装システムの全体構成を示す図である。図２は本実施形態に関するゲートウェイが各フロアを通る無線幹線経路内に配置されることを表す図である。図３は本実施形態に関するゲートウェイが各フロアを通る無線幹線経路の近傍に配置されることを表す図である。図７は最大級規模の石炭焚ボイラにおける火炉の大きさを表す図である。

図面において、１０１ａ，１０１ｂは無線幹線経路、１０２ａ〜１０２ｈはセンサ、１０３ａ〜１０３ｈはセンサノード、１０４ａ〜１０４ｈは中継ノード、１０５ａ，１０５ｂはゲートウェイ、１０６は制御室、１０７は制御監視装置、３０１は中継ノード、４０１はダクト、５０１は中継ノード、６０１は缶前無線幹線経路、８０１ａ〜８０１ｇは中継ノード、８０２ａ〜８０２ｄは電波強度（通信距離）、９０１は中継ノード、９０２はフロア、９０３はアンテナ、９０４はアンテナ発信信号、１００１はアンテナ、をそれぞれ表す。

本実施形態に係る計装システムが適用される石炭焚火力発電ボイラプラントについてまず説明する。ボイラの規模、構造によって変わるが、図７に示すように、最大級規模のボイラは高さ約５０ｍから６０ｍあり、メンテナンスフロアは、ボイラトップまで１０階程度設けられる。フロアの間隔は、構造により大きく変わるが約６ｍ程度となる。ゲートウェイのあるフロアを４階とすると、ゲートウェイとボイラトップの間にフロアは５〜１０階分の６フロア、距離で約３６ｍとなる。ただし、メンテナンスフロアは、必要な部分にだけ構築され、ボイラ建屋全面に構築されるとは限らない。

次に、計測信号の伝送方式について説明する。無線は、使用する周波数、通信方式、出力等により、通信速度、通信可能距離などが異なるが、本発明の実施形態に適用するための無線の条件は次のとおりである。すなわち、（ａ）数千点オーダーの計測点を扱えること、（ｂ）無線信号の中継が可能であること、（ｃ）缶左右で無線信号が混信しないこと、（ｄ）数千点オーダーの計測点を数秒オーダー以内に計測し更新できること、である。

現状において、上記条件に適合する最も近い一般的な通信方式は通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４である。上記条件を満たせば、その他の通信方式でも適用可能である。

条件（ａ）について、ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、１システムで使用可能なノード数、つまり計測点数が６５，５３６点である。更に、同一空間で１６チャンネルの無線周波数が互いに影響することなく使えるので、最大１，０４８，５７６点まで可能であり十分である。条件（ｂ）について、ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、１対多の通信が可能で、或るノードから受信した無線信号を、別のノードに送信する中継が可能である。

条件（ｃ）について、ＩＥＥＥ８０２．１５．４では、送信出力は−３ｄＢｍ、受信感度は−８５ｄＢｍと規定されている。その結果、通信可能距離は、屋外見通しで約１００ｍ、屋内では約３０ｍである。一方、ボイラ火炉の缶左右の距離は約３０ｍであり、ボイラ火炉の缶左と缶右にノードを配置すると、距離的にほぼ限界であり、更にボイラ火炉が壁となり、缶左右同士は通信できない。つまり、缶左右で混信することはない。

条件（ｄ）について、ＩＥＥＥ８０２．１５．４の仕様上の通信容量は２５０ｋｂｐｓである。パケット通信が採用されているが、電波状況により変化し、実質的には半分の１２５ｋｂｐｓも出すことは難しく、輻輳などを避け、信頼性を求めるなら、容量の１０から２０％程度までに抑える必要がある。

ここで、パケット通信とは、データを小さなまとまりに分割して一つ一つ送受信する通信方式である。分割されたデータはパケットと呼ばれ、データの外にヘッダからなる。ヘッダは送信元や送信先のアドレス、データの種類、その外の情報を含んでおり、付加する情報によって異なるが、１パケット当たり１０オクテット、あるいはそれ以上余分に必要である。なお、１オクテットは８ビットである。

データは温度や流量などのアナログデータと、バルブ開閉や装置正常・異常を示す１ビットのデジタルデータがある。対象や目的によって増減するが、ボイラの監視・制御用のアナログデータの場合、３オクテット程度必要である。結局、１パケットの大きさは１０オクテットから２０オクテットになる。前述のように実質的な通信容量を２５０ｋｂｐｓの１０％の２５ｋｂｐｓ、１パケットの大きさを２０オクテット、つまり１６０ビットとすると、１秒間に計測可能な点数は２５，０００÷１６０≒１５０点となる。

ここで、複数の計測点のデータを一つのパケットにまとめることにより、余分なヘッダを削減することも可能である。前述のように１６チャンネルまで可能なので、１５０×１６＝２，４００点程度であれば、毎秒更新可能である。ただし、システム構成と通信原理上、故障やノイズ等による通信失敗は避けられないので、ワイヤレスセンサネットワークシステムでは特に、多重化による通信信頼性の確保は重要となる。最低限の二重化とすると、結局半分の１，２００点程度が毎秒更新可能となり、単純に適用しただけでは、ボイラの運転に必要な計測点の一部しか取得できない。

なお、ＩＥＥＥ８０２．１５．４における他の特徴としては次のようなことが挙げられる。すなわち、無線周波数帯としては２４０５ＭＨｚ〜２４８０ＭＨｚ（５ＭＨｚおきで、合計１６チャンネル）であり、低消費電力としては送信時６０ｍＷ程度であり、ローコストの観点ではセンサノード、中継ノード、ゲートウェイの単価が数千円〜数万円であり、相互接続性としては標準化が進み各メーカの装置間の接続が容易である。

そこで、本発明の実施形態では、無線として、通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４に従う無線を採用し、通信容量を倍増するために、図１に示すように、ボイラトップから地上までのほぼ直線状に無線中継用の無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂを確保する。計測点はボイラの至るところにあるが、例えば図１に示すようにセンサ１０２ａ〜１０２ｈがあるとすると、センサの近傍にセンサノード１０３ａ〜１０３ｈを配置する。また、センサノード１０３ａ〜１０３ｈと同じフロアの無線幹線経路内に、中継ノード１０４ａ〜１０４ｈを配置する。

ゲートウェイ１０５ａ，１０５ｂは制御室１０６とほぼ同じ高さで、図２に示すように無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂ内、または、図３に示すように無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂ内に設置された中継ノード３０１の近傍に（無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂの近傍に）設置する。

中継ノード１０４ａ，１０４ｂは、少なくとも最上階のフロア、つまりボイラトップに設置する。途中の無線幹線経路１０１ａ，１０２ｂ内にフロアがある場合は、そのフロアをグレーチング（Ｇｒａｔｉｎｇ：鋼材を網目又は格子状に組んだ蓋体又は床体）とすることにより、ボイラトップのセンサノード１０３ａ、１０３ｂから発信された信号は、グレーチングを透過しながらゲートウエイ１０５ａ，１０５ｂまで伝送される。

以上の説明では、図２に示すように、無線幹線経路１０１内には中継ノード、ゲートウェイが配置される例を示しているが、センサノードの通信性能次第でセンサノードを無線幹線経路に配置して、センサノードからの無線信号をセンサノード配置のフロアよりも下の適宜のフロアの中継ノードで中継してゲートウェイに送るようにしてもよい。さらに、図１の例で、同一フロアの無線幹線経路にセンサノードと中継ノードを配置してもよい。

このように、同一の無線周波数チャンネルの信号を送受信する一組のセンサノード、中継ノード及びゲートウェイは、互いに干渉することの無い他の複数の無線周波数チャンネルのノード及びゲートウェイとともに、同一の無線幹線経路に配置される。また、センサノード、中継ノードおよびゲートウェイは、直接フロア上に設置されているか否かを問わず、少なくとも、同一の無線周波数チャンネルの信号を送受する一組のセンサノード、中継ノードおよびゲートウェイが、ボイラプラント上下方向直線状に構築される同一の無線幹線経路内に配置されていれば良い。

ここで、無線幹線経路とは、無線信号を送受するためにセンサノード、中継ノードおよびゲートウェイが配置される上下方向略直線状に拡がりを持った空間であって、無線信号送受の障害となる遮蔽物等が、センサノード、中継ノードおよびゲートウェイの間に介在しない経路である。なお、上下に配された一組のセンサノード、中継ノードおよびゲートウェイ間の無線信号の伝送が妨げられなければ良いので、必ずしも遮蔽物無く一直線上に配置されるようになっている必要はなく、グレーチングなどの電波をある程度透過する部材がセンサノード、中継ノードおよびゲートウェイ間に存在しても良い。現場のセンサからの信号は、任意の中継ノードで受信されるようにし、中継ノードにより信号をゲートウェイまで中継し、ゲートウェイから制御室までは、有線ケーブルを通じて伝送する。

このように、本実施形態の計装システムは、熱電対、圧力発信機などのセンサ出力である電気信号、つまり計測データを入力し、その信号を中継ノードへ無線送信する複数のセンサノードと、センサノードからの無線信号を複数のノードを経由してゲートウエイまで無線で中継する複数の中継ノードと、中継ノードからの無線信号を電気信号に変換し制御監視装置へ送信する複数のゲートウエイと、からなり、複数の無線周波数が利用できるようにし、計測対象の近傍の上部から下部まで直線状に中継ノードを配置するものである。
次に、本実施形態に関する無線幹線経路に設けられた中継ノードとゲートウェイとの間の電波による通信態様について、図８〜図１０を参照しながら以下説明する。図８は本実施形態に関する中継ノードからの電波がグレーチングを透過する場合における強度減衰を示す説明図である。図９は本実施形態に関する中継ノードの構造を示す図である。図１０は本実施形態に関する中継ノードのアンテナをフロア下にも配設する場合の中継ノードの構造を示す図である。図１１は本実施形態に関する中継ノードアンテナをフロア下にも配設した中継ノードからの電波がグレーチングを透過する場合における強度減衰を示す説明図である。

ボイラトップの中継ノード１０４ａ，１０４ｂからゲートウェイ１０５ａ，１０５ｂのあるフロアまで電波が到達しない場合は、無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂ内に、到達するのに必要なだけ中継ノードを設置する。フロアが通常一般のフロアや鉄の板状の場合、電波はほとんど透過しないので、図８の左に示すように、各フロアに中継ノード８０１ａ〜８０１ｇを設置する必要がある。また、図９に示すように、中継ノード９０１をフロア９０２上に設置する場合、アンテナ９０３から発信される信号９０４は、フロア９０２に遮断されるので、図１０に示すように、少なくともアンテナ１００１を階下へ出す（中継ノード設置の階下に配設する）必要があり、フロアの加工も必要になる。

次に、本実施形態に関する無線幹線経路を確保するに際して、フロアをグレーチング等で形成する場合について説明する。床用に使われるグレーチングは、例えば３０ｍｍ×１００ｍｍの網目状となっている。このグレーチングを通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４に従う無線が透過すると、電波強度が−３ｄＢｍ程度、つまり、およそ半分程度の電波強度となり、通信距離にすると１／√２倍に減少する。なお、電波強度の減衰が１フロア当たり−６ｄＢｍよりも小さければ、実用上で差し支えない。すなわち、中継ノードおよびゲートウェイが設置されている部位を透過する無線信号の減衰が−６ｄＢｍよりも小さいものとなるようなフロアとする。

図８において、その中央部の三角８０２ａ、及び右側部の三角と台形８０２ｂ〜８０２ｄは、各高さにおける通信距離をイメージしたものであり、階下に行くにつれて細くなり、フロアが存在すれば幅が１／√２倍に減少する。従って、屋内で３０ｍは電波が届くので、図８の中央部のように、１０階上からの信号は１０階のフロア自体で減衰し、約２１ｍ届く。また、図１０に示すように、フロア（床）がグレーチングであればアンテナをフロア下に出すことは容易であり、約３０ｍまで電波が届く。６ｍごとにフロアがあり、フロアを透過する際に電波が減衰したとすると、図８の右に示すように、２フロア分までは、通信可能となり、図示の例では８階と６階に中継のための中継ノードを設けている。実際は、電波強度を確認しながら、配置する必要がある。フロアは、グレーチングの外、メンテナンスフロアとしての強度があり、グレーチングと同程度の減衰特性を持つものを代用することも可能である。

また、図１０に示すようにアンテナ１００１をフロア下に出せば、３フロア分まで通信可能となる。図１１に図示するように、中継ノードを設置したグレーチングではフロア下のアンテナによって当該フロアでの電波減衰は生じない。これによって、図８に示す２フロア毎の中継ノードの設置に代えて、中継ノードを３フロア毎に設置することで済ませることができる。

ボイラトップからゲートウェイ１０５ａ，１０５ｂまでの間においては、上述した電波強度に加え、各フロアについて通信が必要な計測値の有無を考慮して中継ノードを設置する。例えば、バーナ周りの計測値の外に、通信が必要な計測値があるフロアの無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂ内にも適宜中継ノードを設置する。

以上を考慮した結果、図１において、１０４ａから１０４ｈに示す中継ノードの配置が決まる。なお、ミルの外に、地上にある設備の計測値を通信する場合は、地上の無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂ内に中継ノード１０４ｇ，１０４ｈを設置する（図１を参照）。

続いて、ボイラプラントの各部状態量の計測手順を概説すると、例えば、センサ１０２ａで取得し、センサノード１０３ａに入力された計測データは、中継ノード１０４ａ，１０４ｃ、及びゲートウエイ１０５ａを経由して、制御室１０６に設置された制御監視装置１０７まで伝送される。

各メンテナンスフロアに設置された複数の中継ノードは、それぞれが同じ無線周波数を用いれば、経路の多重化となり、通信信頼性を向上させる効果がある。異なる無線周波数を用いれば、それぞれの無線周波数はお互いに干渉することがないので、使用する無線周波数の倍数分だけ通信容量が増加する。計測データを総合的に判断して、前者、後者、或いは前者と後者の組み合わせを構築すればよい。

一方、ボイラ火炉の缶左右の距離は約３０ｍであり、ボイラ火炉を挟むように無線幹線経路１０１ａ，１０１ｂを構築しているので、ボイラ火炉が壁となり、それぞれの無線幹線経路同士で混信することはない。

また、本実施形態では、ボイラトップから地上まで、直線状に中継ノード１０４ａ〜１０４ｈを配置し、中継ノード数を最小にし、ボイラトップからゲートウェイ１０５ａ，１０５ｂまでの通信経路を最短にすることにより、通信遅延が最小となる。また、直線状に中継ノードを配置することにより、途中の中継ノードが故障した場合でも、次の中継ノードまで見通せるので、故障した中継ノードを飛び越えて通信することにより、信頼性を向上させることができる。ただし、故障した中継ノードと同じフロアで、故障した中継ノードが担当していた計測信号は通信不能となるので、経路の二重化が望ましい。

中継ノードを設備や装置のメンテナンス用のフロアに設置することは、故障時の交換・修理を容易にさせる。また、メンテナンス用のフロアは、ほとんどの場合、交換が必要な装置や、点検が必要な装置周辺に構築されるので、メンテナンス用のフロア上に中継ノードを設置すれば、ボイラの監視・制御に必要な計測値のほとんどを取得できる。

ボイラの計測点の一部については、信頼性と通信速度の制約から今後も有線で伝送されることが予測されるが、コスト低減のためには大部分を無線で通信する必要があり、その数は数千点となる。通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４に従う無線を用いる場合、人が無線幹線経路を横切っても影響はないが、一時的に試験装置等で無線幹線経路を完全に塞いでしまって通信不能となるケースも考えられる。これを回避するために、無線幹線経路を明示的に表示することも有効であるが、更に信頼性が要求される場合、図４と図５に示すように、ダクト４０１で囲んでもよい。図４は本実施形態に関する無線幹線経路をダクトで囲み且つゲートウェイを無線幹線経路内に配設する構成を示す図である。図５は本実施形態に関する無線幹線経路をダクトで囲み且つゲートウェイを無線幹線経路の近傍に配設する構成を示す図である。

ダクトの大きさは、少なくともアンテナの大きさ以上にする必要がある。一般にアンテナの長さは波長の１／２、あるいは１／４のものが使われる。通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４を用いる場合、波長は約１２ｃｍであるので、波長の１／２として、約６ｃｍのアンテナを用いる。

複数のチャンネルの使用、多重化を考慮して十から数十ｃｍ角のダクトが必要となる。ダクトの形は角型、円筒型でもよく、アンテナを囲むのに必要な大きさであれば構わない。空調用のダクトがその程度であり、施工上、コスト上で有利である。ダクト４０１で囲めば、前述のように、無線幹線経路を塞ぐ事故を防止することができる。特に、ダクト４０１を金属板で製作すれば、通信に支障をきたす外部からのノイズ電波の影響を低減させる効果もある。

また、電波を遮断可能な金属メッシュを用いることも可能である。その場合、波長より十分短い間隔とする必要があり、通常波長の１／１０以下、つまりＩＥＥＥ８０２．１５．４の場合、１．２ｃｍ以下の金属メッシュを用いるとよい。

前述したように、無線周波数１チャンネルで計測可能点数が約１５０点であれば、全周波数１６チャンネル使用で２４００点となる。実際には、信頼性のため二重化以上にする必要があるので、半分の１２００点程度が最大計測点数となる。

一方、火炉の左右の経路は、直線距離で３０ｍ以上、しかも左右間に電波を遮断する火炉があり、同一の無線周波数を用いたとしても混信することはない。ゲートウェイまで送信された信号は、そこから制御監視装置まではケーブルによって伝送してやれば、混信することなく３２チャンネルの通信が可能となる。結局、最大計測点数２４００点のアナログデータの通信が可能となる。実際には、デジタルデータも混在するので、最大計測点数はさらに増やすことができ、ボイラの計装システムに対して充分に適用可能な点数である。

次に、本発明の実施形態に関する無線幹線経路を缶前にも設置する構成例について、図６を参照して説明する。図６は本実施形態に関する無線幹線経路を缶前にも設置する構成例を示す図である。なお、図６では、図１と共通している部分があるので図示簡易化のため、センサ及びセンサノードは、ボイラトップのセンサ１０２ａ，１０２ｂ及びセンサノード１０３ａ，１０３ｂ以外は省略している。本構成例では、缶左右に加え、缶前にもボイラトップから地上までの無線幹線経路６０１を通している。通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４に従う無線を採用する場合、缶前中央付近に計測点があると、見通しが悪く缶左右のどちらへも無線通信が困難な場合がある。また、逆に缶左右のどちらへも接続してしまい、同一のデータが缶左右で通信され通信容量の無駄になる可能性がある。そのため、缶左右では使用しない無線周波数を缶前用に割り当てる。例えば、缶前に１からｎチャンネルを割り当て、缶左右に、それぞれ（ｎ＋１）から１６チャンネルを割り当てる。そうすると、缶左右でトータルで（３２−ｎ）チャンネル分の無線周波数が利用可能となる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るボイラプラント計装システムを取り纏めると、次のような構成と作用を奏することを特徴としている。すなわち、ボイラ火炉を挟んでボイラ缶左と缶右に無線幹線経路を設けることで、それぞれに同一チャンネルの周波数を有していても混信を無くすることができる。さらに、ボイラトップから制御室フロアまでの最短経路を構築できるので、中継ノードを減らし、通信遅延を低減する効果がある。また、従来の材料及び構造でフロアを製作し、ボイラトップから制御室フロアまでの最短経路を構築できるので、コストアップすることなく、通信遅延を低減する効果がある。

また、無線幹線経路をボイラのメンテナンス用のフロアを貫通して構築し、中継ノードのアンテナをその無線幹線経路とこのフロアが交差する位置に設置する構成とする。さらに、無線幹線経路を囲むようにダクトを設けて、中継ノードのアンテナをそのダクト内に設置する構成とする。

また、通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４を採用した無線システムを用い、混信しないように、ボイラ缶左と缶右に、それぞれ独立してボイラ上部から下部へ、無線幹線経路を構築し、ボイラ缶左と缶右で、それぞれ通信規格ＩＥＥＥ８０２．１５．４で使用できる１６チャンネルまでの無線周波数のセットを使い、それぞれ異なる計測点の計測値を、それぞれ独立にボイラ上部から下部へ無線通信し、缶左右にそれぞれ配置したゲートウェイから有線により制御監視装置へ通信することにより、実質３２チャンネル分までの無線周波数を用いることにより通信容量を倍増する構成とする。さらに、缶左と缶右の無線幹線経路に加え、缶前側にも無線幹線経路を構築し、缶左、或いは缶右で使用する無線周波数チャンネル以外のチャンネルを缶前の無線幹線経路で用いることにより、缶左、缶右、缶前で混信することがない構成とする。

このように、本実施形態では、ボイラ上部から下部へ無線幹線経路を直線状に構築することによって、ボイラの至る所に散在するワイヤレスセンサの信号を受信することができるので、従来のように、縦横高さ方向に各種装置や配管などを避けながら、ケーブルトレイを設置し、ケーブルを引き回す必要がない。さらに、電力ケーブルに信号を重畳させないので、既存の機器に悪影響を与えることがない。さらに、一般に無線方式は複数の無線周波数を用いることにより同一エリアで複数のシステムが混在でき、例えば、通信容量に関して言えば、ｎシステム混在できれば通信容量がｎ倍になる。そこで、ボイラ火炉を挟んでボイラ缶左と缶右に無線幹線経路を配置すれば、ボイラ火炉が無線エリアを遮断することになり、さらに倍の２ｎシステムが混在できるようになる。さらに、無線幹線経路をダクトで保護し、確保するので、誤ってその経路を塞ぐことがなく、不要なノイズを受けることがないので、通信信頼性が向上する。使用可能な無線周波数のチャンネルが２倍になるので、通信容量を倍増し、通信時の輻輳を軽減でき、再送処理等も減り、通信信頼性が向上する。また、缶前付近に計測点がある場合も、通信不通や、混信を起こすことがないので、通信信頼性が向上する。

本発明の実施形態に係るボイラプラント計装システムの全体構成を示す図である。 本実施形態に関するゲートウェイが各フロアを通る無線幹線経路内に配置されることを表す図である。 本実施形態に関するゲートウェイが各フロアを通る無線幹線経路の近傍に配置されることを表す図である。 本実施形態に関する無線幹線経路をダクトで囲み且つゲートウェイを無線幹線経路内に配設する構成を示す図である。 本実施形態に関する無線幹線経路をダクトで囲み且つゲートウェイを無線幹線経路外に配設する構成を示す図である。 本実施形態に関する無線幹線経路を缶前にも設置する構成例を示す図である。 最大級規模の石炭焚ボイラにおける火炉の大きさを表す図である。 本実施形態に関する中継ノードからの電波がグレーチングを透過する場合における強度減衰を示す説明図である。 本実施形態に関する中継ノードの構造を示す図である。 本実施形態に関する中継ノードのアンテナをフロア下にも配設する場合の中継ノードの構造を示す図である。 本実施形態に関する中継ノードアンテナをフロア下にも配設した中継ノードからの電波がグレーチングを透過する場合における強度減衰を示す説明図である。

符号の説明

１０１ａ，１０１ｂ 無線幹線経路
１０２ａ〜１０２ｈ センサ
１０３ａ〜１０３ｈ センサノード
１０４ａ〜１０４ｈ 中継ノード
１０５ａ，１０５ｂ ゲートウェイ
１０６ 制御室
１０７ 制御監視装置
３０１ 中継ノード
４０１ ダクト
５０１ 中継ノード
６０１ 缶前無線幹線経路
８０１ａ〜８０１ｇ 中継ノード
８０２ａ〜８０２ｄ 電波強度（通信距離）
９０１ 中継ノード
９０２ フロア
９０３ アンテナ
９０４ アンテナ発信信号
１００１ アンテナ

Claims (7)

1. 火炉上下方向に複数階層のフロアを有するボイラプラントの各部の状態量を各種センサで計測して制御室へ伝送するための計装システムであって、
   前記状態量を計測する前記センサから出力された電気信号を入力するとともに前記電気信号を無線信号に変換して送信するセンサノードと、
   前記センサノードからの無線信号を中継する中継ノードと、
   前記中継ノードからの無線信号を受信して電気信号に変換するとともに前記変換された電気信号を前記制御室へ伝送するゲートウェイと、を備え、
   少なくとも前記中継ノードと前記ゲートウェイは、火炉上下方向に略直線状に形成された空間である無線幹線経路に配置される
   ことを特徴とするボイラプラント計装システム。
2. 請求項１において、
   同一の無線周波数チャンネルの信号を送受信するセンサノード、中継ノードおよびゲートウェイの組を複数組形成させ、前記形成された複数組を同一の無線幹線経路に配置する
   ことを特徴とするボイラプラント計装システム。
3. 請求項２において、
   前記センサノード又は前記中継ノードの前記無線信号の減衰が１フロア当たり−６ｄＢｍよりも小さいものであることを特徴とするボイラプラント計装システム。
4. 請求項１において、
   前記無線幹線経路はボイラ缶の右側と左側に配置され、それぞれの無線幹線回路は複数の無線周波数チャンネルを形成しており、
   前記ボイラ缶の右側と左側の無線周波数帯は同一である
   ことを特徴とするボイラプラント計装システム。
5. 請求項４において、
   前記無線幹線経路をボイラ缶の前側にも配置することを特徴とするボイラプラント計装システム。
6. 請求項１において、
   前記無線幹線経路に配置された前記中継ノードと前記ゲートウェイは、グレーチング上に設置されることを特徴とするボイラプラント計装システム。
7. 請求項１において、
   前記無線幹線経路は、無線通信が遮断されることのないようにダクトで囲まれることを特徴とするボイラプラント計装システム。

Images