太陽能遠控系統在燃氣地調站的應用

粟成龍　王寶德　李震

摘要：在燃氣地調站系統中，大多數采用太陽能進行供電，現場使用天陽能電池板、蓄電池、逆變器等設備，將太陽能轉化為為電能供現場RTU、電伴熱、照明等設施使用。由于現場環境及日照時間的影響均會對太陽能供電系統的效能產生影響，因此冬季使用需有專業人員進行維護。現場通過RTU對地調站內的儀表數據的進行采集，通過GPRS MODEM有監控中心發送控制指令至現場。

關鍵詞：地調站 太陽能 蓄電池 RTU GPRS MODEM

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0007-02

現代工業發展已全面進入工業自動化生產時代，在生產過程中生產人員通過對RTU①設備進行遠程控制，從而做到生產的自動化。但面對復雜的生產環境，許多地區難以建設變電設施，自動化設備得不到供電，因此相對更加容易獲取的太陽能便成為了首選。在燃氣地調系統中，太陽能的應用尤為突出，通過太陽能電池板、蓄電池系統，對現場二次儀表及RTU、GPRS MODEM②等設備提供24V直流電源，再經由逆變器將24V直流電源轉換為天然氣加臭設備、站區照明設備、冬季電伴熱需要的220V交流電源。

采集系統主要由RTU完成。RTU作為主要采集設備，設備本身包含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。采集系統由RTU、防雷器、信號安全柵、供電電源、繼電器等設備組成。并且由于使用太陽能該設備被設計為具有低功耗待機工作的特點。

RTU通過Modbus 485協議采集現場流量計內當前流量、累計工況流量、管道內壓力、管道內溫度等現場數據，并將數據存儲至指定RTU內部寄存器中當中，通過GPRS MODEM發送至燃氣監控中心，供監控人員進行監測、管理。

RTU除了具備采集功能外還具備遠程控制功能以及邏輯運算功能。可事先對RTU編寫當現場設備超過報警點時系統會采取何種保護措施的程序，如一般現場使用電動控制閥的狀態包括開到位、關到位、故障報警、手/自動切換、閥門開關度反饋以及閥門開關度設定等參數。控制系統一般情況下都會采用自動運行狀態，當邏輯控制啟動時，RTU控制器會根據用戶已設定程序，來判斷當前為用氣高峰期或是平緩期。一般燃氣地調站均采用電動調節閥門，該閥門可通過設定4-20mA電流信號進行開關度的調節。處于高峰期時，系統自動通過AO模塊給與電動閥門相應指令，將電動閥門完全打開，確保周邊用戶燃氣使用量充足；而處于平緩期時，控制系統會自動收集現場燃氣出口壓力，并與已設定好平緩期應有壓力進行比較，當實際差值為正整形參數時，系統會自動關閉閥門至相應開關度，反之則系統會自動打開閥門至相應開關度。當比較壓力差值的過程中，差距較大時，閥門開關動作會相應加大；而差距較小時，閥門開關動作也會相應小一些。直至燃氣出口壓力與已設定壓力范圍相符。特殊情況下，壓力出現異常波動，閥門也會智能根據設定進行調節，最后調節其達到平衡。

當系統處在高峰期或平緩期過渡時，需要注意一點是，進行打開或者關閉閥門的動作不宜過快，這是由于氣體瞬間流量過大，很容易對現場二次儀表傳感器造成物理損壞，因此RTU控制閥門打開或關閉過程中，需要有適當的延時處理。該系統中，閥門打開動作頻率最高不超過量程1%每分鐘，關閉動作最高不超過量程15%每分鐘。

并且由于燃氣屬于高危可燃性氣體，因此出于安全性角度，地調站工作過程中，是不允許完全關閉電動閥門的。瞬間停氣，會造成周圍設備發生燃氣泄漏的情況，因此需要對閥門進行最小開度的鎖定，即在該系統中，閥門不允許關閉至量程20%以下，以確保燃氣使用的安全。

另外，為了應對地調站有可能發生的意外故障，該系統還設置了現場緊急狀況處理辦法，如壓力下限報警，溫度異常報警，供電系統異常報警。當報警點被觸發時RTU會自動發出指令，對現場設備進行預先設定好的命令，緩慢關閉閥門至完全關閉狀態。此過程中系統也會即時采集現場設備工作狀態以及相應參數，并將數據通過GPRS MODEM遠程發送至監控中心上位操作系統。

上位操作系統所使用的開發平臺為組態軟件。該軟件可以進入燃氣監控管理系統。在現場工藝流程界面中，顯示的是整體燃氣地調站工藝過程。在這里可以監視當前流量計的瞬時流量、累計流量，電動閥門的開關程度，各管道壓力等。此畫面中還可以監測到現場調節閥的當前狀態，通過不同的顏色用以區分，其中綠色為遠程狀態指示，紅色為本地狀態指示；深綠色表示電動閥門開到位，深紅色表示電動閥門關到位；黃色表示出現故障。另外在此畫面中，還可以查詢各站點GPRS MODEM的通訊狀態，綠色表示通訊正常，紅色表示通訊中斷。

當遇到特殊情況時，可由監控中心人員通過對現場數據分析，確定現場設備是否可以繼續安全使用，監控中心通過上位操作系統發送指令至現場RTU，再由RTU對現場的設備進行相應控制，以實現遠程的人工控制，一些緊急情況下，則還要考慮現場人工排障。事后上位操作系統會將現場數據儲存至監控中心SQL Server數據庫中，以供日后分析參考。

供電系統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地內一垂直于正午日照光線處，擺放時應避免周圍有遮擋物；蓄電池與RTU控制單元，單獨置于一獨立防爆自控柜體內部，與太陽能電池板通過防爆撓性管連接，將電氣系統與現場環境隔開，避免由于燃氣泄漏所引起的安全事故。

燃氣設施要求24小時不間斷運行，在日間日照強度比較充足時，太陽能電池板可實時將太陽能轉換為電能，其中一部分電能用于現場設備供電，另一部分則存儲到蓄電池當中；在夜間或者陰天日照強度不足時，系統通過蓄電池存儲的電能為現場設備供電。

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

本文以某項目第四季度運行狀況為例，對充電電壓和蓄電池電壓進行科學監測。通過對歷史記錄的分析，可以看出充電時間集中在每日8時至17時左右，隨著季節不同，充電時間和充電電壓都會有所變化。在日落之后，充電電壓基本消失，系統依靠蓄電池儲存電能繼續工作。該期間由于設施運行，導致蓄電池電壓下降0.7V。

圖1為陰天時電池電壓和太陽能充電電壓對照圖，可以看出，雖然在8月，氣溫很高，但因為沒有陽光，充電電壓僅能維持在與電池電壓一致的水平上。

圖2為晴天時電池電壓和太陽能充電電壓對照圖，可以看出，在正午時分，陽光充足，可以實現4小時左右的充電時間。

在春季、夏季、秋季，因為不需要使用電伴熱等大功率耗電設備，而遠程控制系統耗電量極小，所以基本可實現免維護。

在冬季，太陽能電池板發電效能隨日照強度有所降低，在伴熱開啟后，需要對蓄電池電壓進行持續監測，在極端氣候條件下，蓄電池電壓降低至警戒線時，需專業維護人員到現場進行蓄電池維護，此周期一般最小可達15天。

考慮到節電問題，一般情況下只有當程序判斷到需要操作現場220V電動設備時，才會啟動逆變器，并檢測電動設備的實時運行狀態，當檢測到電動設備停止使用時，程序就會發出停止操作命令，然后關閉逆變器，最大限度降低能源損耗，增加系統的運行時間。

注釋：

①RTU（遠程終端單元），英文全稱RemoteTerminalUnit，中文全稱為遠程終端控制系統，負責對現場信號、工業設備的監測和控制。

②GPRS MODEM是一種物聯網傳輸終端，用戶通過運營商GPRS網絡或是GSM網絡進行遠程無線數據傳輸與交互。主要應用監測與信息預警預報等領域。

③DO即數字量輸入模塊，DI即數字量輸出模塊。

④AO即模擬量輸入模塊，AI即模擬量輸出模塊。