LNG 應(yīng)急救能車電氣控制系統(tǒng)研究

劉瓊瓊 彭哲封 陳章濃 朱國(guó)皓

0 前言

我國(guó)幅員遼闊，氣候和地形呈現(xiàn)多樣性，是一個(gè)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，比如地震、洪澇災(zāi)害、火災(zāi)等。2018 年3 月，我國(guó)專門成立了應(yīng)急管理部，旨在提高應(yīng)急管理能力和強(qiáng)化應(yīng)急響應(yīng)水平。災(zāi)害發(fā)生后，需要用最短的時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)展開抗災(zāi)救援工作，而災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的電力基本上會(huì)處于暫時(shí)癱瘓狀態(tài)，這對(duì)抗災(zāi)救援工作的實(shí)施造成了極大的阻礙。移動(dòng)救能車的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度快，能夠在災(zāi)害發(fā)生后較短時(shí)間內(nèi)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，為現(xiàn)場(chǎng)救援工作提供電力保障。

目前我國(guó)在移動(dòng)應(yīng)急救能車方面相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量也參差不齊，而且發(fā)電機(jī)組多以柴油為燃料。但是柴油機(jī)所產(chǎn)生的的氮氧化物、二氧化碳等氣體含量較高，對(duì)于我們很難達(dá)到日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求[1]。而以LNG（Liquefied Natural Gas， 液 化天然氣）為燃料的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，氮氧化物、二氧化碳等排放量相比柴油機(jī)可大大降低，而且噪音更小[2]，用戶體驗(yàn)更優(yōu)。

2019 年， 我 國(guó)LNG 進(jìn) 口 量 為831.5×108 立方米，較2018 年增長(zhǎng)12.2%[3]。2023 年我國(guó)將成為全球最大的LNG 進(jìn)口國(guó)[4]。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司根據(jù)2021 年已產(chǎn)生的天然氣消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2021 年我國(guó)天然氣消費(fèi)量將達(dá)到3542 億立方米。因此，在我國(guó)推廣和發(fā)展以LNG 為燃料的應(yīng)急救能車，具有很好的市場(chǎng)基礎(chǔ)，也符合我國(guó)發(fā)展與環(huán)保并重的戰(zhàn)略。

1 研究對(duì)象

LNG 應(yīng)急救能車，是在傳統(tǒng)汽車底盤基礎(chǔ)上做針對(duì)性的設(shè)計(jì)和改裝，將LNG 罐、發(fā)電機(jī)組、充電樁、應(yīng)急照明燈以及配套檢測(cè)傳感器等高度集成，并配合可編程邏輯控制器（PLC）和人機(jī)交互觸摸屏（HMI），所構(gòu)成的一個(gè)集發(fā)電、充電、照明為一體的應(yīng)急救援系統(tǒng)，如圖1 所示，其中主要部件如表1 所示。

2 電氣控制系統(tǒng)原理

LNG 應(yīng)急救能車電氣控制系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖1 LNG 應(yīng)急救能車

表1 LNG 應(yīng)急救能車主要部件

圖2 LNG 應(yīng)急救能車電氣控制系統(tǒng)框架

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)是直接發(fā)出控制指令的設(shè)備，LNG 應(yīng)急救能車上位機(jī)選用工業(yè)用觸摸屏，來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。觸摸屏和smart200 PLC（下位機(jī)）之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊。觸摸屏作為Modbus RTU（Modbus 為串行通訊協(xié)議，RTU 為協(xié)議的遠(yuǎn)程終端模式）通訊的主站，連接了充電樁和4G 通訊模塊兩個(gè)從站。

2.2 下位機(jī)

下位機(jī)是能夠獲取設(shè)備狀態(tài)并直接控制設(shè)備的計(jì)算機(jī)，LNG 應(yīng)急救能車選用smart200 PLC 作為電控系統(tǒng)的下位機(jī)，通過Modbus RTU 與發(fā)電機(jī)組控制器通訊。另外，smart200 PLC 通過自身數(shù)字量、模擬量模塊，收發(fā)外圍輔助器件的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

2.3 機(jī)組控制器

發(fā)電機(jī)組控制器型號(hào)為IC-NT，通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線和發(fā)電機(jī)組電子控制單元（ECU，Electronic Control Unit）通訊，ECU 通過發(fā)電機(jī)組線束和發(fā)電機(jī)組連接。

2.4 控制原理

LNG 應(yīng)急救能車電氣控制系統(tǒng)的核心部分，是兩個(gè)控制器。第一個(gè)是發(fā)電機(jī)組控制器（IC-NT），主要用來控制發(fā)電機(jī)組，通過發(fā)電機(jī)組的溫度、壓力、氣體等傳感器，判斷發(fā)電機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)是否滿足開機(jī)條件，如果不滿足則提示報(bào)警，如果滿足則處于候命狀態(tài)。第二個(gè)是控制除了發(fā)電機(jī)組之外所有器件的通用型控制器（smart200 PLC），主要作用是通過燃?xì)鉂舛?、火焰等傳感器判斷救能車運(yùn)行環(huán)境是否安全，通過液位、壓力傳感器判斷LNG 罐中燃料剩余量，通過中間繼電器控制百葉窗、電磁閥、照明燈等設(shè)備的開關(guān)。

2.5 控制和操作流程

LNG 應(yīng)急救能車主要控制和操作流程如下：

2.5.1人工檢查和系統(tǒng)自檢

在救能車啟動(dòng)前，首先要人工檢查周圍環(huán)境狀態(tài)，排除溜車、觸電等潛在安全隱患，然后將救能車控制部分上電，兩個(gè)控制器根據(jù)各自接入的傳感器反饋信號(hào)，判斷救能車是否可以啟動(dòng)。

2.5.2啟動(dòng)

在確認(rèn)救能車可以啟動(dòng)的前提下，操作員旋轉(zhuǎn)鑰匙開關(guān)至啟動(dòng)檔位，發(fā)電機(jī)組逐步啟動(dòng)。

2.5.3發(fā)電合閘

發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，觀察觸摸屏上的電壓、頻率值，在達(dá)到用電要求范圍后，人工再?gòu)?fù)檢主回路動(dòng)力電纜以及開關(guān)保護(hù)器件狀態(tài)，確認(rèn)安全后，操作員在觸摸屏上選擇發(fā)電機(jī)電動(dòng)操作斷路器合閘，救能車開始向外部輸送電能。

2.5.4應(yīng)急照明和新能源車充電

在救能車開始發(fā)電后，可以通過觸摸屏操作應(yīng)急照明燈的開啟，也可以根據(jù)需求通過充電樁為新能源汽車充電。

2.5.5關(guān)機(jī)

在救能車工作完成后，確保用電設(shè)備切除的前提下，操作員通過觸摸屏，控制發(fā)電機(jī)電動(dòng)操作斷路器分閘，再旋轉(zhuǎn)鑰匙開關(guān)，關(guān)閉發(fā)電機(jī)組。待發(fā)電機(jī)組散熱完畢后，關(guān)閉控制系統(tǒng)電源，將救能車恢復(fù)至等待調(diào)遣狀態(tài)。

3 通訊設(shè)置

3.1 上位機(jī)

在上位機(jī)觸摸屏的開發(fā)軟件中，打開“設(shè)備窗口”，添加smart200 PLC，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，如圖3 所示。參數(shù)設(shè)置中，“最小采集周期”設(shè)置為100ms，“本地IP 地址”（即上位機(jī)地址）設(shè)置為192.168.0.11，“遠(yuǎn)端IP 地址”（即下位機(jī)smart200 PLC）設(shè)置為192.168.0.10，兩個(gè)IP 地址位于同一網(wǎng)段。除了和下位機(jī)的連接，觸摸屏還通過Modbus 協(xié)議與充電樁、4G 收發(fā)模塊建立連接。

3.2 下位機(jī)

下 位 機(jī)smart200 PLC 由ST20 主機(jī)模塊和模擬量輸入模塊EMAE08 組成，其通訊參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。下位機(jī)PLC 對(duì)外通訊，主要包含兩部分。第一部分是和上位機(jī)觸摸屏的工業(yè)以太網(wǎng)通訊，第二部分是和發(fā)電機(jī)組控制器 的Modbus 通 訊。PLC 的IP 地 址 為192.168.0.10，與上位機(jī)觸摸屏中的遠(yuǎn)端IP 地址一致。PLC 的Modbus 通訊，需要設(shè)置Modbus 端口參數(shù)，包括地址號(hào)和波特率。在此電氣控制系統(tǒng)中，PLC 作為Modbus 通訊的主站，站號(hào)（地址）設(shè)置為2，波特率選擇9.6kbps。

3.3 發(fā)電機(jī)組控制器

發(fā)電機(jī)組控制器通過Modbus 與下位機(jī)PLC 通訊，通過CAN 總線和發(fā)電機(jī)電子控制單元（ECU）通訊。在發(fā)電機(jī)組控制器的編程軟件LiteEdit 內(nèi)，Modbus 相關(guān)設(shè)置如圖5 所示。硬件通訊端口為COM2，“控制器地址”即Modbus 通訊的站號(hào)為1，“Modbus 速度”選擇9600bps。

4 程序編寫與運(yùn)行

4.1 觸摸屏

圖3 觸摸屏通訊參數(shù)設(shè)置

圖4 PLC 通訊參數(shù)設(shè)置

圖5 發(fā)電機(jī)組控制器通訊參數(shù)設(shè)置

觸摸屏的人機(jī)交互界面，如圖6 所示。主界面顯示燃?xì)鉂舛取NG 罐液位、LNG 罐壓力、火焰探測(cè)器濃度等當(dāng)前值，如果顯示數(shù)值超過預(yù)警提示值或超限報(bào)警值，會(huì)有相應(yīng)指示燈和蜂鳴器的報(bào)警，具體文字信息在報(bào)警滾動(dòng)條中顯示。主界面顯示包括發(fā)電機(jī)組狀態(tài)（油壓、水溫、轉(zhuǎn)速等）、發(fā)電參數(shù)（電壓、電流、功率、頻率等）、充電樁參數(shù)（充電電壓、電流、故障信息等）。主界面操作按鈕包括電操合閘、電操分閘、工作燈關(guān)、復(fù)位操作，畫面切換按鈕包括幫助信息、報(bào)警記錄、參數(shù)設(shè)置、調(diào)試檢修等。

4.2 PLC

PLC 控制發(fā)電機(jī)組啟停。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，PLC 向發(fā)電機(jī)組控制器發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，需要保持一定時(shí)間。啟動(dòng)信號(hào)如果保持時(shí)間太短，機(jī)組無法完成啟動(dòng)動(dòng)作。如果啟動(dòng)信號(hào)保持時(shí)間太長(zhǎng)，機(jī)組控制器將反復(fù)觸發(fā)啟動(dòng)命令，影響啟動(dòng)電機(jī)壽命。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終將啟動(dòng)信號(hào)保持時(shí)間確定為5s，在正常狀況下可以順利完成一次機(jī)組啟動(dòng)。PLC向發(fā)電機(jī)組發(fā)出的停車信號(hào)，經(jīng)過測(cè)試，也需要維持一定的時(shí)間，單個(gè)脈沖信號(hào)無法實(shí)現(xiàn)停車，停車信號(hào)需要至少維持1s 的時(shí)間。

PLC 與發(fā)電機(jī)組控制器的Modbus通訊。通過Modbus 通訊，可以將發(fā)電機(jī)組控制器的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，進(jìn)而顯示在人機(jī)交互界面。發(fā)電機(jī)組控制器部分?jǐn)?shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)地址見表2。在PLC的Modbus 通訊程序初始化模塊“MBUS_CTRL”中，設(shè)置端口號(hào)、波特率、校驗(yàn)方式和超時(shí)時(shí)間。在通訊初始化完成后，通過程序塊“MBUS_MSG”設(shè)置讀取發(fā)電機(jī)組控制器參數(shù)的讀寫地址，以及讀寫數(shù)量，并設(shè)置讀寫狀態(tài)標(biāo)志位。

4.3 發(fā)電機(jī)組控制器

發(fā)電機(jī)組控制器設(shè)置。發(fā)電機(jī)組控制器有“自動(dòng)”和“手動(dòng)”兩種模式。如果選擇“自動(dòng)”模式，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)1500r/min、穩(wěn)定輸出一段時(shí)間后，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)電動(dòng)操作斷路器合閘信號(hào)。這種模式與LNG 救能車的應(yīng)用場(chǎng)景有一定的差異。LNG 救能車輸出功率較大，出于安全考慮，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需確認(rèn)可以閉合電動(dòng)操作斷路器之后，在觸摸屏上通過獲得操作權(quán)限，手動(dòng)點(diǎn)擊按鍵閉合電動(dòng)操作斷路器（有彈出窗口二次確認(rèn)）。因此，綜合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，把發(fā)電機(jī)組控制器設(shè)置為“手動(dòng)”模式，在這種模式下，發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、停車，電動(dòng)操作斷路器的合閘、分閘，都可以通過PLC 的程序做邏輯處理和控制。

5 結(jié)語

LNG 與傳統(tǒng)管道天然氣相比，能量密度更高，更方便運(yùn)輸；LNG 與煤炭相比雜質(zhì)含量低，排放指標(biāo)更優(yōu)。因此，LNG 更符合我國(guó)的“五位一體”政策[5]。作為L(zhǎng)NG 應(yīng)用的配套建設(shè)，我國(guó)LNG加氣站也在加快布局，全國(guó)LNG 加氣站從2001 年的100 余座，到2019 年的3100 余座[6]，增長(zhǎng)速度非常可觀。

圖6 觸摸屏界面

表2 LNG 發(fā)電機(jī)組控制器數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)地址

LNG 應(yīng)急救能車相對(duì)于傳統(tǒng)柴油救能車，在排放、噪音控制等方面有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。以LNG 為燃料的應(yīng)急救能車，目前仍處在技術(shù)探索和研發(fā)階段，距離大規(guī)模上市還有較長(zhǎng)的路要走。不過隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展對(duì)能源的需求，以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，更加清潔、高效的LNG 應(yīng)用市場(chǎng)必將一片坦途。LNG 加氣站等配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，也為L(zhǎng)NG應(yīng)用的推廣提供了保障。在LNG 加氣站以及相應(yīng)管理平臺(tái)不斷完善的背景下，LNG 應(yīng)急救能車將在區(qū)域性高要求救能、跨區(qū)域長(zhǎng)距離救能等場(chǎng)景得到更加廣泛的應(yīng)用。