極端環境下儲庫控制系統的通信解決方案

隋明新

(中國天辰工程有限公司 項目管理部，天津 30040)

中國天辰工程有限公司承建的土耳其某天然氣儲庫項目是目前全球單腔體積最大的鹽穴儲氣庫之一。該儲氣庫是在地下1 km以下的鹽丘內建造的天然氣儲氣庫，用來調節土耳其的天然氣峰值戰略儲備之用。儲氣庫建造12座地下腔體，腔體的形成依靠注入淡水，在地下鹽丘中進行溶腔。從淡水湖抽取淡水送達場站，再經溶腔泵加壓送入12個地下井口。淡水進入井口后會溶解鹽礦變成鹵水，在注水的壓力下將飽和鹵水排出井口，反復循環淡水和鹵水在地下形成一個溶腔。單個腔體體積約7.5×105m3，在20 MPa壓力下存儲天然氣可達1.5×109m3。

該項目硬件設施主要包括輸送淡水的長輸管線、溶腔地面設施和天然氣注入及采出設施。淡水輸送距離長約120 km；溶腔地面設施包含泵站和鹵水沉淀池及相應管道設施。溶腔后的鹵水回到地面，通過自流方式輸送到40 km以外的鹽湖。為了保證鹵水管道密封性，防止鹵水泄漏造成計量不準確及環境污染，同時參考鹵水的流量來核算地下腔體的體積，在鹵水管道出口處設立通信控制站，用來傳輸相關檢測數據，通過這些數據可以判斷溶腔是否正常，鹵水長輸管道是否有堵塞等。該控制站不僅要經受風沙的侵蝕、日曬雨淋，更要面對沒有電力供應和網絡通信的巨大挑戰。而對于架設電纜、鋪設光纖這樣常規的解決方案，不僅工期長，而且費用高昂。通過多方比較，最終采用太陽能為現場儀表供電及采用Modbus TCP協議通過衛星的無線通信方式將現場的PLC與中心控制室的控制系統連接的方案。

1 供電解決方案

該項目采用的是分布式太陽能光伏發電系統，對于電源供應的連續性有保障。太陽能發電不產生任何廢棄物、噪音，是理想的潔凈能源，無人值守模式節省了運營期間的人力負荷，滿足了當地政府對該項目的環保要求。

1.1 基本設置

太陽能發電系統主要由電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽跟蹤控制系統等設備組成，還包含了供電系統監控裝置和環境監測裝置。該項目使用的太陽能設備主要由42塊太陽能電池板和24塊蓄電池組成，可向直流48 V 500 W和24 V 600 W的負載提供5～7個陰雨天的電量，從而保證負載正常的供電需求，并且可以使用逆變器將直流電壓轉化成220 V交流電，為現場的設備供電。太陽能控制器是由專用處理器CPU、電子元器件、顯示器、開關功率管等組成。

該套太陽能發電系統可為1套小型PLC、1臺控制閥，1臺流量計，1個路由器、1臺衛星信號發射器、1臺信號轉換器及現場照明系統提供電力。該系統的充電控制采用脈沖寬度調制(PWM)技術，使整個系統始終運行于最大功率點Pm附近區域；當電池缺電、系統故障時采用放電控制，如電池開路或接反時切斷開關。

1.2 系統效率

在太陽能發電系統中，系統的總效率ηese包括電池組件的PV轉換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載效率等，提高電池組件的轉換率，降低單位功率造價是太陽能發電產業化的重點和難點。該項目采用了既能跟蹤調控Pm點，又能跟蹤太陽移動參數的“向日葵”式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右，現場采用了鉛酸免維護蓄電池。

1.3 太陽能電池

單一太陽能電池通過串聯或者并聯組成的電池系統，稱為電池組件方陣。太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性直接影響系統的工作效率，蓄電池的容量受到末端需電量和日照時間的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續無日照時間設定。由于土耳其當地地勢較高、日照時間較長、陰雨天氣少，良好的氣候環境為太陽能使用提供了便利條件。

1.4 系統優勢

太陽能光伏發電系統的建設周期短，而且發電組件的使用壽命長、發電方式比較靈活，發電系統的能量回收周期短，不受資源分布地域的限制，可在用電處就近發電。

該系統已經連續工作5 a多，未出現任何異常現象，為現場設備提供了穩定的電力保障。供電系統設置在地面，所占面積也比較小，滿足方便快捷的要求。

2 通信解決方案

該項目采用無線電通信方案，無線電通信具有不需要架設傳輸線路，通信距離遠，機動性好的優點。通信站設立在距離控制室40 km以外的鹽堿地里，所以可靠性是系統運行的關鍵。

2.1 無線通信方案

無線通信方案如圖1所示，在PLC的通信卡采集現場數據后，通過地面站發出無線電信號，該微弱信號被衛星通信天線接收后，在通信轉發器中進行變頻和放大功率，將放大后的無線電波發向地面站，位于中心控制室的800xA控制系統通過衛星信號接收站接收來自Internet的過程數據。衛星通信范圍廣，在衛星發射的電波所覆蓋的范圍內，從任何2點之間都可進行通信，同時可在多處接收，實現數據多址通信；在采集數據、傳輸數據、接收數據過程中保證了各種數據的完整性和可靠性。該項目使用衛星通信的頻率是微波頻段的10 GHz頻段。

圖1 無線通信方案示意

無線電波的傳輸使用了TCP協議，為了保證數據傳輸的可靠性，給每個數據包分配一定序號，保證了傳送到接收端實體包的按序接收。TCP通過Modbus寄存器地址來交換數據,接收端實體對已成功收到的字節發回一個相應的確認(ACK)；如果發送端實體在合理的往返時延(RTT)內未收到確認，那么對應的數據，假設已丟失，將會被重傳，確保了項目對操作數據的可靠傳輸和接收。硬件接口Modbus TCP則采用以太網口。

該項目中無線通信控制柜設置在地下掩體中，可以避免過大的溫差和濕度變化的影響，巡檢人員可以通過人孔進入到地下機柜間，完成相應的檢修工作。

2.2 無線通信設置

由于通信距離超過40 km，該項目選擇了蜂巢式無線通信網絡，而無線電頻率為政府的公共財產，受土耳其國家管控，因此在數據傳輸上受到很多限制，但是經過協調當地政府，確定了一固定頻寬傳輸數據。

組態編程時，設置PLC PN-IO接口的IP地址和子網掩碼地址，在“網關”中必須選擇“使用路由器”，IP地址為路由器的IP，與PN-IO接口IP保持在同一個網段上。再設置800xA系統的Modbus TCP，這樣就可以通過無線通信獲得由PLC提供的現場數據了。

經PLC PN-IO接口向路由器不斷發送數據包，路由器VPN對數據包進行加密并轉換數據包目標地址，再通過衛星信號發射鍋將加密的數據發送到互聯網上的一條專用的數據鏈路上。

在中心控制室，專用數據鏈路上的數據包再由衛星信號接收器接收，經路由器對數據包進行解碼，通過防火墻保證數據安全，最后數據包再由中心控制室核心交換機送入800xA系統。

2.3 Modbus TCP程序設置

Modbus是目前工業電子設備之間常用的協議方式，它覆蓋了使用TCP/IP協議的“Intranet”和“Internet”環境中的Modbus報文。

該項目的通信協議采用了Modbus TCP，其中“FC20”為量程轉換模塊，將現場采集到的數據轉換為0～100.0。然而由于現場離控制室較遠，不易于在現場對程序進行修改，于是將現場采集到的數據直接由PLC中的“MOVE”模塊轉換到Modbus地址上，再由中控室對其傳送的數據根據需求進行轉換。

由于Modbus TCP傳輸控制協議是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的通信協議，每發出一個數據包都要求確認，如果有數據包丟失，就會不被確認，發送方就必須重發該數據包。為保證傳輸的可靠性，TCP協議在UDP基礎之上建立了三次對話的確認機制，即在正式收發數據前，必須和對方建立可靠連接。這種可靠連接的建立，為該項目數據的準確傳輸和接收提供了有力保障。

3 結束語

面對沒有電力供應，沒有通信網絡的情況，采用太陽能供電，運用衛星無線通信的解決方案，不僅省時省力，且相對于架設電纜鋪設光纖這樣的傳統解決方法，更加具有造價低廉的優勢。

該項目溶腔階段注水排鹵的過程正在順暢運行，各種數據采集得到很好的驗證，控制站已經連續運轉超過5a，無論是電力穩定供應還是無線通信可靠傳輸，均未出現任何意外情形，這些充分說明了該套解決方案可行性和有效性。