太陽能遠(yuǎn)控系統(tǒng)在燃?xì)獾卣{(diào)站的應(yīng)用

粟成龍　王寶德　李震

摘要：在燃?xì)獾卣{(diào)站系統(tǒng)中，大多數(shù)采用太陽能進(jìn)行供電，現(xiàn)場(chǎng)使用天陽能電池板、蓄電池、逆變器等設(shè)備，將太陽能轉(zhuǎn)化為為電能供現(xiàn)場(chǎng)RTU、電伴熱、照明等設(shè)施使用。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及日照時(shí)間的影響均會(huì)對(duì)太陽能供電系統(tǒng)的效能產(chǎn)生影響，因此冬季使用需有專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)通過RTU對(duì)地調(diào)站內(nèi)的儀表數(shù)據(jù)的進(jìn)行采集，通過GPRS MODEM有監(jiān)控中心發(fā)送控制指令至現(xiàn)場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：地調(diào)站 太陽能 蓄電池 RTU GPRS MODEM

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0007-02

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展已全面進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)代，在生產(chǎn)過程中生產(chǎn)人員通過對(duì)RTU①設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而做到生產(chǎn)的自動(dòng)化。但面對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，許多地區(qū)難以建設(shè)變電設(shè)施，自動(dòng)化設(shè)備得不到供電，因此相對(duì)更加容易獲取的太陽能便成為了首選。在燃?xì)獾卣{(diào)系統(tǒng)中，太陽能的應(yīng)用尤為突出，通過太陽能電池板、蓄電池系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二次儀表及RTU、GPRS MODEM②等設(shè)備提供24V直流電源，再經(jīng)由逆變器將24V直流電源轉(zhuǎn)換為天然氣加臭設(shè)備、站區(qū)照明設(shè)備、冬季電伴熱需要的220V交流電源。

采集系統(tǒng)主要由RTU完成。RTU作為主要采集設(shè)備，設(shè)備本身包含DO，DI③模塊以及AO，AI④模塊。還包括232/485通訊接口以及TCP/IP通訊接口。采集系統(tǒng)由RTU、防雷器、信號(hào)安全柵、供電電源、繼電器等設(shè)備組成。并且由于使用太陽能該設(shè)備被設(shè)計(jì)為具有低功耗待機(jī)工作的特點(diǎn)。

RTU通過Modbus 485協(xié)議采集現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)內(nèi)當(dāng)前流量、累計(jì)工況流量、管道內(nèi)壓力、管道內(nèi)溫度等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至指定RTU內(nèi)部寄存器中當(dāng)中，通過GPRS MODEM發(fā)送至燃?xì)獗O(jiān)控中心，供監(jiān)控人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理。

RTU除了具備采集功能外還具備遠(yuǎn)程控制功能以及邏輯運(yùn)算功能。可事先對(duì)RTU編寫當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備超過報(bào)警點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)會(huì)采取何種保護(hù)措施的程序，如一般現(xiàn)場(chǎng)使用電動(dòng)控制閥的狀態(tài)包括開到位、關(guān)到位、故障報(bào)警、手/自動(dòng)切換、閥門開關(guān)度反饋以及閥門開關(guān)度設(shè)定等參數(shù)。控制系統(tǒng)一般情況下都會(huì)采用自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)邏輯控制啟動(dòng)時(shí)，RTU控制器會(huì)根據(jù)用戶已設(shè)定程序，來判斷當(dāng)前為用氣高峰期或是平緩期。一般燃?xì)獾卣{(diào)站均采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，該閥門可通過設(shè)定4-20mA電流信號(hào)進(jìn)行開關(guān)度的調(diào)節(jié)。處于高峰期時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過AO模塊給與電動(dòng)閥門相應(yīng)指令，將電動(dòng)閥門完全打開，確保周邊用戶燃?xì)馐褂昧砍渥悖欢幱谄骄徠跁r(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)收集現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)獬隹趬毫Γ⑴c已設(shè)定好平緩期應(yīng)有壓力進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際差值為正整形參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉閥門至相應(yīng)開關(guān)度，反之則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開閥門至相應(yīng)開關(guān)度。當(dāng)比較壓力差值的過程中，差距較大時(shí)，閥門開關(guān)動(dòng)作會(huì)相應(yīng)加大；而差距較小時(shí)，閥門開關(guān)動(dòng)作也會(huì)相應(yīng)小一些。直至燃?xì)獬隹趬毫εc已設(shè)定壓力范圍相符。特殊情況下，壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)，閥門也會(huì)智能根據(jù)設(shè)定進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后調(diào)節(jié)其達(dá)到平衡。

當(dāng)系統(tǒng)處在高峰期或平緩期過渡時(shí)，需要注意一點(diǎn)是，進(jìn)行打開或者關(guān)閉閥門的動(dòng)作不宜過快，這是由于氣體瞬間流量過大，很容易對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二次儀表傳感器造成物理損壞，因此RTU控制閥門打開或關(guān)閉過程中，需要有適當(dāng)?shù)难訒r(shí)處理。該系統(tǒng)中，閥門打開動(dòng)作頻率最高不超過量程1%每分鐘，關(guān)閉動(dòng)作最高不超過量程15%每分鐘。

并且由于燃?xì)鈱儆诟呶？扇夹詺怏w，因此出于安全性角度，地調(diào)站工作過程中，是不允許完全關(guān)閉電動(dòng)閥門的。瞬間停氣，會(huì)造成周圍設(shè)備發(fā)生燃?xì)庑孤┑那闆r，因此需要對(duì)閥門進(jìn)行最小開度的鎖定，即在該系統(tǒng)中，閥門不允許關(guān)閉至量程20%以下，以確保燃?xì)馐褂玫陌踩?/p>

另外，為了應(yīng)對(duì)地調(diào)站有可能發(fā)生的意外故障，該系統(tǒng)還設(shè)置了現(xiàn)場(chǎng)緊急狀況處理辦法，如壓力下限報(bào)警，溫度異常報(bào)警，供電系統(tǒng)異常報(bào)警。當(dāng)報(bào)警點(diǎn)被觸發(fā)時(shí)RTU會(huì)自動(dòng)發(fā)出指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行預(yù)先設(shè)定好的命令，緩慢關(guān)閉閥門至完全關(guān)閉狀態(tài)。此過程中系統(tǒng)也會(huì)即時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)以及相應(yīng)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過GPRS MODEM遠(yuǎn)程發(fā)送至監(jiān)控中心上位操作系統(tǒng)。

上位操作系統(tǒng)所使用的開發(fā)平臺(tái)為組態(tài)軟件。該軟件可以進(jìn)入燃?xì)獗O(jiān)控管理系統(tǒng)。在現(xiàn)場(chǎng)工藝流程界面中，顯示的是整體燃?xì)獾卣{(diào)站工藝過程。在這里可以監(jiān)視當(dāng)前流量計(jì)的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量，電動(dòng)閥門的開關(guān)程度，各管道壓力等。此畫面中還可以監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥的當(dāng)前狀態(tài)，通過不同的顏色用以區(qū)分，其中綠色為遠(yuǎn)程狀態(tài)指示，紅色為本地狀態(tài)指示；深綠色表示電動(dòng)閥門開到位，深紅色表示電動(dòng)閥門關(guān)到位；黃色表示出現(xiàn)故障。另外在此畫面中，還可以查詢各站點(diǎn)GPRS MODEM的通訊狀態(tài)，綠色表示通訊正常，紅色表示通訊中斷。

當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，可由監(jiān)控中心人員通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，確定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否可以繼續(xù)安全使用，監(jiān)控中心通過上位操作系統(tǒng)發(fā)送指令至現(xiàn)場(chǎng)RTU，再由RTU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的人工控制，一些緊急情況下，則還要考慮現(xiàn)場(chǎng)人工排障。事后上位操作系統(tǒng)會(huì)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至監(jiān)控中心SQL Server數(shù)據(jù)庫中，以供日后分析參考。

供電系統(tǒng)則由太陽能電池板與蓄電池共同提供，太陽能電池板被擺放在場(chǎng)地內(nèi)一垂直于正午日照光線處，擺放時(shí)應(yīng)避免周圍有遮擋物；蓄電池與RTU控制單元，單獨(dú)置于一獨(dú)立防爆自控柜體內(nèi)部，與太陽能電池板通過防爆撓性管連接，將電氣系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境隔開，避免由于燃?xì)庑孤┧鸬陌踩鹿省?/p>

燃?xì)庠O(shè)施要求24小時(shí)不間斷運(yùn)行，在日間日照強(qiáng)度比較充足時(shí)，太陽能電池板可實(shí)時(shí)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，其中一部分電能用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，另一部分則存儲(chǔ)到蓄電池當(dāng)中；在夜間或者陰天日照強(qiáng)度不足時(shí)，系統(tǒng)通過蓄電池存儲(chǔ)的電能為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。

盡管太陽能供電系統(tǒng)既方便亦環(huán)保，但也不可避免的存在著一些弊端，如冬季時(shí)太陽能采集效率會(huì)大大降低。由于季節(jié)的寒冷導(dǎo)致用氣量加大，加臭設(shè)備的使用頻率增加，以及電伴熱的開啟，用電量卻是全年的最高峰。為保證冬季的系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，除在設(shè)備啟閉上提出一些要求之外，也需要盡可能使用節(jié)電設(shè)備，減少電量消耗，延長電池工作時(shí)間。

本文以某項(xiàng)目第四季度運(yùn)行狀況為例，對(duì)充電電壓和蓄電池電壓進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)歷史記錄的分析，可以看出充電時(shí)間集中在每日8時(shí)至17時(shí)左右，隨著季節(jié)不同，充電時(shí)間和充電電壓都會(huì)有所變化。在日落之后，充電電壓基本消失，系統(tǒng)依靠蓄電池儲(chǔ)存電能繼續(xù)工作。該期間由于設(shè)施運(yùn)行，導(dǎo)致蓄電池電壓下降0.7V。

圖1為陰天時(shí)電池電壓和太陽能充電電壓對(duì)照?qǐng)D，可以看出，雖然在8月，氣溫很高，但因?yàn)闆]有陽光，充電電壓僅能維持在與電池電壓一致的水平上。

圖2為晴天時(shí)電池電壓和太陽能充電電壓對(duì)照?qǐng)D，可以看出，在正午時(shí)分，陽光充足，可以實(shí)現(xiàn)4小時(shí)左右的充電時(shí)間。

在春季、夏季、秋季，因?yàn)椴恍枰褂秒姲闊岬却蠊β屎碾娫O(shè)備，而遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)耗電量極小，所以基本可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)。

在冬季，太陽能電池板發(fā)電效能隨日照強(qiáng)度有所降低，在伴熱開啟后，需要對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，在極端氣候條件下，蓄電池電壓降低至警戒線時(shí)，需專業(yè)維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行蓄電池維護(hù)，此周期一般最小可達(dá)15天。

考慮到節(jié)電問題，一般情況下只有當(dāng)程序判斷到需要操作現(xiàn)場(chǎng)220V電動(dòng)設(shè)備時(shí)，才會(huì)啟動(dòng)逆變器，并檢測(cè)電動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到電動(dòng)設(shè)備停止使用時(shí)，程序就會(huì)發(fā)出停止操作命令，然后關(guān)閉逆變器，最大限度降低能源損耗，增加系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

注釋：

①RTU（遠(yuǎn)程終端單元），英文全稱RemoteTerminalUnit，中文全稱為遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。

②GPRS MODEM是一種物聯(lián)網(wǎng)傳輸終端，用戶通過運(yùn)營商GPRS網(wǎng)絡(luò)或是GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸與交互。主要應(yīng)用監(jiān)測(cè)與信息預(yù)警預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。

③DO即數(shù)字量輸入模塊，DI即數(shù)字量輸出模塊。

④AO即模擬量輸入模塊，AI即模擬量輸出模塊。