基于以太網(wǎng)的壓氣站照明系統(tǒng)智能化改造

張演義，成建民，劉剛，唱君成，安永明，付強(qiáng)，孫達(dá)，馬彥會，薛焱輝，王明東

基于以太網(wǎng)的壓氣站照明系統(tǒng)智能化改造

張演義，成建民，劉剛，唱君成，安永明，付強(qiáng)，孫達(dá)，馬彥會，薛焱輝，王明東

(中石油北京天然氣管道有限公司 榆林壓氣站，陜西 榆林 719000)

針對傳統(tǒng)壓氣站照明系統(tǒng)分布范圍廣、控制方式復(fù)雜等問題，通過智能化改造實現(xiàn)整個壓氣站照明系統(tǒng)的智能控制。結(jié)合站控系統(tǒng)已有的工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)架構(gòu)，設(shè)計了基于工業(yè)Ethernet結(jié)構(gòu)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控終端(RTU)、TCP/IP光電轉(zhuǎn)換器、RS-485及其TCP/IP光電轉(zhuǎn)換器、客戶交換機(jī)和上位計算機(jī)組成。上位計算機(jī)根據(jù)所在場所的經(jīng)緯度及日期判斷天黑及天亮?xí)r間，每天均可實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的定時開關(guān)。實施效果表明： 該改造方案具有智能化程度高、抗干擾能力強(qiáng)及性價比高等優(yōu)點，對傳統(tǒng)場站照明控制系統(tǒng)的改造有較強(qiáng)的借鑒意義。

壓氣站 以太網(wǎng) 照明系統(tǒng) 智能化

榆林壓氣站是陜京輸氣管道的首站，站場分布面積大，照明范圍廣，照明系統(tǒng)涉及1，2，3線及4個壓縮機(jī)房的228個照明燈和室外14個高桿上的126個照明燈。整個照明系統(tǒng)統(tǒng)一使用250W的大功率燈泡，總功率合計88.5 kW。照明控制部分采用傳統(tǒng)的手動控制，部分采用定時器分區(qū)域集中控制。傳統(tǒng)的手動控制完全依靠人工進(jìn)行開關(guān)操作，自動化程度低、人工操作工作量大、無故障識別能力。定時器分區(qū)域集中控制是在每個壓縮機(jī)房加裝1～2個定時器，每2～3個高桿燈加裝1個定時器，雖具備定時開啟的功能，但實際控制效果存在以下缺點：

1) 由于季節(jié)變換，晝夜時長不斷變更，需要人為及時調(diào)整定時器的開關(guān)時間，如果調(diào)整不及時，不能及時開啟時，會造成機(jī)房和站場照度不夠，不利于巡檢和攝像機(jī)的安防功能；不能及時關(guān)閉時，會造成電能資源的浪費(fèi)。

2) 當(dāng)因天氣不正常光線強(qiáng)度不足時，需要人工切換定時器控制方式為手動開啟照明，如果在天氣正常時不能及時調(diào)整定時器的控制方式為自動狀態(tài)時，會造成電能資源的浪費(fèi)。

3) 如果現(xiàn)場有作業(yè)，需要更高照明度時，由于定時器控制照明開關(guān)，現(xiàn)場各支路照明開關(guān)失靈，需要電氣工作人員到配電室切換定時器控制方式為手動開啟照明，但有可能開啟無現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域的照明燈，從而造成電能資源的浪費(fèi)。

本文以智能化和節(jié)能降耗為目標(biāo)，利用站控系統(tǒng)現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)物理架構(gòu)，對壓縮機(jī)房和站場照明系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行改造，實現(xiàn)對整個壓氣站照明系統(tǒng)的供電和運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控，并利用計算機(jī)智能決策能力，通過編程自動識別季節(jié)，實時自動控制照明燈的開啟和關(guān)閉，達(dá)到節(jié)約電能、減少工作人員的工作量、提高工作效率的目的，同時也將進(jìn)一步提高照明燈的使用壽命，降低工作人員高空更換燈泡的勞動頻次。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

榆林壓氣站由于擴(kuò)建和管理的需要有2個中心控制室(以下簡稱中控室)，舊中控室為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，新中控室采用Internet技術(shù)實現(xiàn)原SCADA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成，新、舊中控室之間通過TCP/IPs協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

為實現(xiàn)性價比最大化和改造工程量的最小化，該次改造方案以現(xiàn)有的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)為依托，整個智能照明系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控終端(PLC)、TCP/IP光電轉(zhuǎn)換器、RS-485總線控制器、客戶交換機(jī)和上位計算機(jī)組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)可視為一個基本結(jié)構(gòu)為2層的總線型網(wǎng)絡(luò)。

圖1 榆林壓氣站照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

榆林壓氣站照明控制配電柜分布很廣，為充分利用現(xiàn)有光纖備用通道，圖1中采用了多種通信方式，其中1線配電室安裝RS-485總線控制器，使用RS-485通信電纜與舊中控室的PLC進(jìn)行通信；2，3線配電室利用已有的備用光纖通道；宿舍樓配電室通過無線數(shù)傳模塊，與原中控室的PLC進(jìn)行通信。舊中控室到新控制室之間留有備用光纖，通過該備用光纖實現(xiàn)與新控制室的上位機(jī)進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件功能設(shè)計

監(jiān)控軟件以控制和實時監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備各參數(shù)為中心，具有功能完善、操作簡便、可視性好的特點，下面介紹具體功能。

2.1.1 照明系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測與顯示

位于新中控室的上位機(jī)為管理層，可實時采集、顯示各配電室和高桿燈的運(yùn)行狀態(tài)，集中顯示于監(jiān)控界面，便于對工作狀態(tài)的查看，并通過時間數(shù)據(jù)處理，向現(xiàn)場控制終端PLC發(fā)布控制指令。

2.1.2 功能控制

控制方式分為手動控制和自動控制兩種。手動控制即工作人員在配電室手動操作設(shè)備。自動控制指在系統(tǒng)運(yùn)行模式為自動模式下，由PLC針對不同運(yùn)行狀態(tài)和需求對照明系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行自動控制管理。

2.1.3 安全功能

該系統(tǒng)提供多種操作模式以及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，為了避免在此過程中帶來的現(xiàn)場操作的任意性和無序性，防止因誤操作干擾系統(tǒng)的正常運(yùn)行或?qū)е孪到y(tǒng)癱瘓，造成不必要的損失，必須設(shè)置系統(tǒng)的安全功能。

1) 用戶權(quán)限設(shè)置。為了防止人為誤操作的發(fā)生，上位機(jī)軟件設(shè)計了對用戶的級別和權(quán)限的限制，嚴(yán)格規(guī)定各類操作權(quán)限，使不具備操作資格的人員無法進(jìn)行操作。

2) 優(yōu)先級設(shè)置。對于手動操作與自動運(yùn)行兩種操作模式按照上述順序進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)置，避免兩種操作模式混合運(yùn)行。

2.2 PLC程序設(shè)計

PLC程序在STEP 7 MICRO-WIN操作平臺上采用梯形圖進(jìn)行開發(fā)，首先進(jìn)行高桿燈控制功能的劃分，將現(xiàn)場PLC的控制分為3個功能塊，即開關(guān)控制、通信和狀態(tài)識別。程序編寫采用模塊化設(shè)計，增強(qiáng)了程序的可讀性，便于維護(hù)。PLC控制程序較簡單，主要功能包括上位機(jī)通信、運(yùn)行方式判斷、照明配電室接觸器的控制。PLC與上位機(jī)通信是PLC程序設(shè)計的核心，在STEP7的界面中設(shè)置以太網(wǎng)模塊CP243-1的IP地址，并通過CPU的MPI接口將IP地址下載到CPU中[1-2]。具體設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 PLC與上位機(jī)通信流程示意

2.3 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計

上位機(jī)位于新中控室，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子公司的WINCC 7.0，用以實現(xiàn)人機(jī)交互、圖形界面設(shè)計以及與終端PLC的通信。具體包括以下幾方面內(nèi)容： 人機(jī)界面設(shè)計、時間數(shù)據(jù)處理模塊、以太網(wǎng)通信接口模塊、控制模塊。

1) 人機(jī)交互界面。將窗體、命令按鈕、文本框、選擇框等對象按照用戶的需要有機(jī)地組合在一起，通過和底層PLC通信，訪問相關(guān)設(shè)備來獲得各配電室和高桿燈的運(yùn)行情況，并通過指示燈的形式顯示出來。

2) 時間數(shù)據(jù)處理模塊。實時讀取PLC系統(tǒng)時間、時鐘信息，并將時間數(shù)據(jù)進(jìn)行分季節(jié)處理。

3) 以太網(wǎng)通信接口模塊。實現(xiàn)與各PLC站點的通信，接收PLC傳來的開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)、向PLC發(fā)送控制指令。上位機(jī)與PLC通信結(jié)構(gòu)如圖3所示[3-4]。

a) 通過以太網(wǎng)，上位機(jī)向各PLC站點發(fā)送開關(guān)控制指令。

b) PC上位機(jī)與PLC的通信方式采用Modbus TCP/IP方式，可與不同廠商設(shè)備兼容，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程診斷，網(wǎng)絡(luò)速度快，實時性強(qiáng)，系統(tǒng)安全性高，成本低等特點。

c) 在WINCC 7.0中添加驅(qū)動程序并進(jìn)行配置，使通信設(shè)置與設(shè)備相匹配，無需編寫復(fù)雜的通信程序，只需設(shè)置各設(shè)備的IP、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)。

圖3 上位機(jī)與PLC通信結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié) 論

該項目已在榆林壓氣站運(yùn)行近1 a，實現(xiàn)了從控制室對每個遠(yuǎn)控開關(guān)的手動或自動控制，并在開關(guān)狀態(tài)非正常開啟時，具有提醒的功能。改造后整個系統(tǒng)達(dá)到了如下效果：

1) 手動控制方式?？蓪Ω邨U燈進(jìn)行總控、組控和單獨(dú)控制，手動控制方式分為遠(yuǎn)程控制和本地控制。

2) 自動控制方式?？刂撇呗允窃邳S昏和凌晨按照時間優(yōu)先的原則，通過中控室的上位機(jī)計算出時間對所有高桿燈進(jìn)行控制。控制優(yōu)先權(quán)遵循： 本地手動優(yōu)于遠(yuǎn)程手動優(yōu)于自動，保證了系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行和維護(hù)檢修的安全。

3) 系統(tǒng)監(jiān)視和控制功能。中控室的上位計算機(jī)能立即顯示照明的完整構(gòu)形，并標(biāo)注所有的運(yùn)行信息，顯示畫面可以是壓氣站的模擬效果圖，也可以是系統(tǒng)信息表。在分類顯示信息時，除一般的監(jiān)視信息外，還可包括各設(shè)備的參數(shù)信息。

通過改造，榆林壓氣站的站場照明實現(xiàn)了按需開啟和關(guān)閉，有利于設(shè)備巡檢，節(jié)約了大量更換照明燈具和調(diào)整定時器的工作量。同時，榆林壓氣站站場及壓縮機(jī)房照明總功率共計98 kW，如果1 a中有150 d提前開燈0.5 h，電費(fèi)按0.5元/度計算，則1 a可節(jié)約電費(fèi)7 350元，達(dá)到了降低人工工作量、減少電能浪費(fèi)以及節(jié)約照明燈具消耗的作用，對傳統(tǒng)場站照明控制系統(tǒng)的改造具有較強(qiáng)的借鑒意義。

[1] 崔堅．西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M]．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2005： 110-132．

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[3] 胡惠玉．基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)上位機(jī)對遠(yuǎn)程PLC的監(jiān)控[J]．長春工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，12(02)： 113-116．

[4] 呂華芳，楊漢波，叢振濤，等．基于PLC控制的室內(nèi)降雨入滲自動測定系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45(09)： 144-149．

Intellectualized Reconstruction of Ethernet Based Lighting System in Gas Compressor Station

Zhang Yanyi， Cheng Jianmin， Liu Gang， Chang Juncheng， An Yongming， Fu Qiang， Sun Da， Ma Yanhui， Xue Yanhui， Wang Mingdong

(Yulin Gas Compressor Station， PetroChina Beijing Natural Gas Pipeline Co. Ltd.，Yulin， 719000， China)

s: Aiming at problems of wide range distribution， complex control mode and so on for traditional pressure station lighting system， intelligent control for whole pressure station lighting system is realized through intellectualized reconstruction. Combined with existing industrial Ethernet station control system architecture， computer monitoring and controlling system based on industrial Ethernet structure is designed. The system is composed of remote terminal unit(RTU)， TCP/IP photo-electric converter， RS-485 Bus and TCP/IP converter， client interchanger and host computer. The time of getting dark and daybreak is judged according to local latitude， longitude and date of the spot to achieve timing switch function of lighting system every day. The results show the scheme has advantages of high intelligence， strong anti-jamming capability and cost performance. It is of strong reference for upgrading lighting control system in traditional station.

gas compressor station; ethernet; lighting system; intelligent

張演義(1978—)，男， 2001年畢業(yè)于承德石油高等專科學(xué)校電氣自動化專業(yè)，大專學(xué)歷，現(xiàn)工作于中石油北京天然氣管道有限公司榆林壓氣站，從事壓氣站自動控制原理與技術(shù)的研究工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0031-03

稿件收到日期： 2016-10-19，修改稿收到日期： 2016-12-20。