基於乙太網的壓氣站照明系統智能化改造

基於乙太網的壓氣站照明系統智能化改造

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張演義，成建民，劉剛，唱君成，安永明，付強，孫達，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，陝西榆林719000）

摘要

針對傳統壓氣站照明系統分布範圍廣、控制方式複雜等問題，通過智能化改造實現整個壓氣站照明系統的智能控制。結合站控系統已有的工業乙太網（Ethernet）架構，設計了基於工業Ethernet結構的計算機監控系統，系統由遠程監控終端（RTU）、TCP/IP光電轉換器、RS485及其TCP/IP光電轉換器、客戶交換機和上位計算機組成。上位計算機根據所在場所的經緯度及日期判斷天黑及天亮時間，每天均可實現對照明系統的定時開關。實施效果表明：該改造方案具有智能化程度高、抗干擾能力強及性價比高等優點，對傳統場站照明控制系統的改造有較強的借鑒意義。

關鍵詞：壓氣站乙太網照明系統智能化

榆林壓氣站是陝京輸氣管道的首站，站場分布面積大，照明範圍廣，照明系統涉及1，2，3線及4個壓縮機房的228個照明燈和室外14個高桿上的126個照明燈。整個照明系統統一使用250W的大功率燈泡，總功率合計88.5 kW。照明控制部分採用傳統的手動控制，部分採用定時器分區域集中控制。傳統的手動控制完全依靠人工進行開關操作，自動化程度低、人工操作工作量大、無故障識別能力。定時器分區域集中控制是在每個壓縮機房加裝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）由於季節變換，晝夜時長不斷變更，需要人為及時調整定時器的開關時間，如果調整不及時，不能及時開啟時，會造成機房和站場照度不夠，不利於巡檢和攝像機的安防功能；不能及時關閉時，會造成電能資源的浪費。

2）當因天氣不正常光線強度不足時，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整定時器的控制方式為自動狀態時，會造成電能資源的浪費。

3）如果現場有作業，需要更高照明度時，由於定時器控制照明開關，現場各支路照明開關失靈，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，但有可能開啟無現場作業區域的照明燈，從而造成電能資源的浪費。

本文以智能化和節能降耗為目標，利用站控系統現有的工業乙太網（Ethernet）物理架構，對壓縮機房和站場照明系統的控制方式進行改造，實現對整個壓氣站照明系統的供電和運行狀態的實時監控，並利用計算機智能決策能力，通過編程自動識別季節，實時自動控制照明燈的開啟和關閉，達到節約電能、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系統硬體結構設計

榆林壓氣站由於擴建和管理的需要有2個中心控制室（以下簡稱中控室），舊中控室為傳統的數據採集與監視控制（SCADA）結構實現對生產過程的數據採集和監視控制，新中控室採用Internet技術實現原SCADA系統與其他系統的集成，新、舊中控室之間通過TCP/IPs協議進行數據通信。

為實現性價比最大化和改造工程量的最小化，該次改造方案以現有的乙太網結構為依託，整個智能照明系統由遠程監控終端（PLC）、TCP/IP光電轉換器、RS485匯流排控制器、客戶交換機和上位計算機組成。其硬體結構如圖1所示，整個系統可視為一個基本結構為2層的匯流排型網路。

榆林壓氣站照明控制配電櫃分布很廣，為充分利用現有光纖備用通道，圖1中採用了多種通信方式，其中1線配電室安裝RS485匯流排控制器，使用RS485通信電纜與舊中控室的PLC進行通信；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傳模塊，與原中控室的PLC進行通信。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與新控制室的上位機進行通信。

2系統軟體設計

2.1軟體功能設計

監控軟體以控制和實時監測現場設備各參數為中心，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照明系統運行狀態的檢測與顯示

位於新中控室的上位機為管理層，可實時採集、顯示各配電室和高桿燈的運行狀態，集中顯示於監控界面，便於對工作狀態的查看，並通過時間數據處理，向現場控制終端PLC發布控制指令。

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備。自動控制指在系統運行模式為自動模式下，由PLC針對不同運行狀態和需求對照明系統工作狀態進行自動控制管理。

2.1.3安全功能

該系統提供多種操作模式以及遠程監控功能，為了避免在此過程中帶來的現場操作的任意性和無序性，防止因誤操作干擾系統的正常運行或導致系統癱瘓，造成不必要的損失，必須設置系統的安全功能。

1）用戶許可權設置。為了防止人為誤操作的發生，上位機軟體設計了對用戶的級別和許可權的限制，嚴格規定各類操作許可權，使不具備操作資格的人員無法進行操作。

2）優先順序設置。對於手動操作與自動運行兩種操作模式按照上述順序進行優先順序設置，避免兩種操作模式混合運行。

2.2 PLC程序設計

PLC程序在STEP 7 MICROWIN操作平台上採用梯形圖進行開發，首先進行高桿燈控制功能的劃分，將現場PLC的控制分為3個功能塊，即開關控制、通信和狀態識別。程序編寫採用模塊化設計，增強了程序的可讀性，便於維護。PLC控制程序較簡單，主要功能包括上位機通信、運行方式判斷、照明配電室接觸器的控制。PLC與上位機通信是PLC程序設計的核心，在STEP7的界面中設置乙太網模塊CP2431的IP地址，並通過CPU的MPI介面將IP地址下載到CPU中［1-2］。具體設計流程如圖2所示。

2.3上位機監控程序設計

上位機位於新中控室，上位機監控軟體採用西門子公司的WINCC 7.0，用以實現人機交互、圖形界面設計以及與終端PLC的通信。具體包括以下幾方面內容：人機界面設計、時間數據處理模塊、乙太網通信介面模塊、控制模塊。

1）人機交互界面。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地組合在一起，通過和底層PLC通信，訪問相關設備來獲得各配電室和高桿燈的運行情況，並通過指示燈的形式顯示出來。

2）時間數據處理模塊。實時讀取PLC系統時間、時鐘信息，並將時間數據進行分季節處理。

3）乙太網通信介面模塊。實現與各PLC站點的通信，接收PLC傳來的開關運行狀態、向PLC發送控制指令。上位機與PLC通信結構如圖3所示［3-4］。

a）通過乙太網，上位機向各PLC站點發送開關控制指令。

b）PC上位機與PLC的通信方式採用ModbusTCP／IP方式，可與不同廠商設備兼容，能實現遠程訪問、遠程診斷，網路速度快，實時性強，系統安全性高，成本低等特點。

c）在WINCC 7.0中添加驅動程序並進行配置，使通信設置與設備相匹配，無需編寫複雜的通信程序，只需設置各設備的IP、子網掩碼和網關。

3結論

該項目已在榆林壓氣站運行近1 a，實現了從控制室對每個遠控開關的手動或自動控制，並在開關狀態非正常開啟時，具有提醒的功能。改造後整個系統達到了如下效果：

1）手動控制方式。可對高桿燈進行總控、組控和單獨控制，手動控制方式分為遠程控制和本地控制。

2）自動控制方式。控制策略是在黃昏和凌晨按照時間優先的原則，通過中控室的上位機計算出時間對所有高桿燈進行控制。控制優先權遵循：本地手動優於遠程手動優於自動，保證了系統正常可靠運行和維護檢修的安全。

3）系統監視和控制功能。中控室的上位計算機能立即顯示照明的完整構形，並標註所有的運行信息，顯示畫面可以是壓氣站的模擬效果圖，也可以是系統信息表。在分類顯示信息時，除一般的監視信息外，還可包括各設備的參數信息。

通過改造，榆林壓氣站的站場照明實現了按需開啟和關閉，有利於設備巡檢，節約了大量更換照明燈具和調整定時器的工作量。同時，榆林壓氣站站場及壓縮機房照明總功率共計98 kW，如果1 a中有150 d提前開燈0.5 h，電費按0.5元/度計算，則1 a可節約電費7 350元，達到了降低人工工作量、減少電能浪費以及節約照明燈具消耗的作用，對傳統場站照明控制系統的改造具有較強的借鑒意義。

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