智能遠程控制系統在加氫裝置中的應用

黃軍，黃相迪

(1. 成都華氣厚普機電設備股份有限公司，四川 成都 610000；2. 西南科技大學 制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010)

近年來，霧霾天氣的影響越來越嚴重，中國治理大氣污染的力度也不斷加強。除了研究新型的能源節約技術[1]，采用創新型的碳排放管理方式[2]，減少汽車尾氣排放也是一種重要的措施。由于天然氣不是絕對的環保燃料，在使用過程中會產生大量的二氧化碳，造成溫室效應，此外“煤改氣”造成了天然氣價格暴漲，致使其經濟性變差。因此，近年來世界各國都致力于尋找一種既屬于環保燃料，又容易獲取的天然氣替代物，即氫能。

氫氣與氧氣反應釋放能源的同時生成水，因此汽車利用氫能就是真正的污染零排放。中國目前已把燃料電池汽車的系統開發作為“863”計劃項目，但在該系統的研發中，通常都把精力放在汽車的改造上，忽略了加氫裝置的基礎設施研究及控制系統開發。加氫站裝置需要通過改進工藝流程、優化設備選型、提高模塊化程度和工廠預制化程度等措施，來提高設備的整體性能，減少設備安裝過程中的不可控因素。

1 加氫站的組成

按氫氣來源方式，加氫站可分為兩大類： 站外制氫(off-site)和站內現場制氫(on-site)。站外制氫是指氫氣在制氫廠集中制取，然后通過高壓氫氣輸送、液氫輸送、管道輸送等輸送到加氫站，運輸成本目前較高。站內制氫的技術路線主要是天然氣、甲醇等化石燃料重整制氫和電解水制氫[3-6]。加氫站系統流程如圖1所示，主要工藝設備包括： 站外制氫的卸氣區設備、站內現場制氫區設備、壓縮增壓區設備、儲氫區設備、加氫設備、儀表風氮氣系統等。

圖1 某加氫站系統流程示意

1) 卸氣區設備。卸氣區設備由卸車口管組及轉換操作閥門、卸車操作柱、卸車區火焰探測器、卸車區氫氣壓力變送器及現場指示儀表、氫氣泄漏探頭等組成。卸車區氫氣泄漏探頭、卸車區火焰探測器及現場指示儀表、壓力變送器等則實時監測卸車區設備的工作狀態，出現異常情況時會及時報警，聯鎖實現安全保護。

2) 壓縮增壓區設備。壓縮增壓區設備主要由壓縮機、壓縮機區氫氣泄漏探頭、壓縮機現場遠傳儀表、現場緊急停車系統(ESD)按鈕及壓縮機區火焰探測器等組成。

3) 儲氫區設備。儲氫區設備由高壓儲罐、儲氫區氫氣泄漏探頭、儲氫區火焰探測器、儲氫區現場及遠傳儀表及現場ESD的啟停按鈕等組成。

4) 加注機區設備。加注機區設備由加氫機、加注機區火焰探測器、加注機區氫氣泄漏探頭、壓力變送器及現場指示儀表等組成。

2 加氫站監控及數據采集系統構架

加氫站監控及數據采集系統(SCADA)由氫壓縮機控制系統、站控控制系統、火災報警和氣體檢測系統FGS (fire alarm and gas detector system)、站控系統工作站和一卡通收費工作站組成[7-8]，加氫站SCADA系統拓撲結構如圖2所示。

圖2 加氫站SCADA系統拓撲結構示意

1) 氫壓縮機控制系統。該系統由西門子S200PLC，I/O模塊，Profibus通信模塊及現場變送器等組成，主要完成2臺氫壓縮機的啟停控制、自動切換、過流過載保護、處理ESD信號及與SCADA系統工作站通信等。

2) 站控控制系統。該系統由PLC和I/O模塊、現場變送器等組成，主要完成加氫站工藝管線上閥門的控制，實現氫氣壓縮、卸車及加氫流程和應急保護，現場工藝參數的顯示、報警，處理ESD信號及與SCADA系統工作站通信等。

3) FGS。FGS是針對火災和氣體探測的安全管理系統，由現場檢測元件、邏輯運算、執行元件、模擬報警盤及不間斷電源等組成。通過對加氫站現場的消防按鈕、氫氣氣體檢測終端等的檢測信號的采集，輸出控制信號，實現報警燈、報警鈴等的控制。

4) 一卡通收費系統。一卡通收費工作站與2臺加氫機同時通信，完成加氫流量、壓力、溫度、加注時間等參數的采集，實現加注量控制和記費功能，并具有車輛信息登記、車輛卡發行、充值、掛失、注銷等業務，提供卡余額信息、車輛信息、黑名單信息、鋼瓶到期檢驗日期等信息查詢功能。

3 加氫站控制系統存在的問題

加氫站管理分散，數據、信息資源存在一個個信息“孤島”，數據統計等手工操作不僅增大了工作量，而且無法避免人工錯誤。針對加氫站信息管理現狀，企業加氫裝置管理過程中面臨如下問題：

1) 公司總部無法實時監控加氫裝置的運行狀態，出現緊急情況時，無法做到及時統一調度。

2) 加氫裝置之間數據孤立，總部統計運行數據時，收集數據的流程繁瑣。

3) 加氫裝置的卸氣量、氫氣的存儲量及氫氣的售賣量分散、凌亂，無法做到方便快捷的收集，不能實時進行綜合性和系統性的分析。

4) 手工抄錄運行數據，歸檔管理不方便且容易遺失。

5) 設備健康狀態缺乏了解。

4 智能遠程控制系統概述

根據目前加氫站站控控制系統存在的問題，提出加氫站智能遠程控制方案。該方案可實現高效、快捷的設備管理和安全生產監管，方便相關人員對各加氫裝置進行全面的掌握和了解，提高了公司總部對各個加氫站的設備管理水平。

4.1 智能遠程控制系統平臺結構

智能遠程控制系統云平臺采用多級架構模式，主要由設備層、傳輸層、云平臺、應用端等層級組成，具備遠程設備實時監控、設備運行報表查詢、設備報警實時推送等多元化管理功能[8-11]，智能遠程控制系統架構如圖3所示。

1) 設備層。設備層是對加氫站設備數據和現場儀表設備數據進行采集和監管，儀表設備數據涉及儲罐、橇內工藝閥門控制點、各工藝檢測點的壓力和溫度數據，還包括卸車、氣體壓縮、調壓、待機、儲存、輸出等各種工藝過程狀態數據等。

2) 傳輸層。設備數據傳輸主要有兩種方式： 有線網絡傳輸和無線網絡傳輸，兩種網絡傳輸同時并存，以保障數據傳輸的實時性和可靠性。當有線網絡穩定時，則通過站級數據傳輸系統傳輸給云平臺設備監控管理系統；當有線網絡斷開時，則自動通過3G/4G智能網關進行數據傳輸。

3) 云平臺。云平臺是設備數據處理中心，其中部署了1套云平臺設備監控管理系統，該云平臺可匯總各加氫站站點傳輸的設備數據，并通過大數據分析、計算后，形成可視化的設備管理數據和報表，并可在移動終端設備APP或PC端Web頁面進行展示和報警信息推送等。

4) 應用端。應用端主要提供設備數據的多種展示，即手機、PAD等移動終端設備，可通過APP進行遠程監控；筆記本電腦、大屏投影等PC終端可通過Web方式進行設備遠程監控。

圖3 智能遠程控制系統結構示意

4.2 智能遠程控制系統優點

在總結傳統控制模式缺點的基礎上，廣泛調查加氫站經營企業在設備監管、設備維護、報警處理上的需求，開發的智能遠程控制系統具有如下優點：

1) 設備狀態及數據監管功能。

2) 設備預警、報警推送功能。

3) 減少了非計劃停機時間，減少了生產損失。

4) 增加了平均故障時間間隔(MTBF)。

5) 減少了平均修復時間(MTTR)。

6) 改善了設備可靠性、優化了設備故障分析(FTA)和失效分析(FMECA)。

4.3 智能遠程控制系統創新性

在傳統PLC加SCADA系統模式上，應用云技術和先進的系統架構，使智能遠程控制系統具有如下優點：

1) 采用物聯網及云平臺等先進的網絡管理技術，改變了傳統的加氫站點聯網方式。

2) 采用三層系統構架，運用C/S和B/S模式，把核心運用程序布置在高可靠的云服務器上，提高了系統的可靠性、安全性。

3) 不僅能對設備狀態進行遠程監控，還能對設備自身的健康狀態及供、銷、存進行大數據分析。

4) 具有一定的故障自診斷和故障定位功能，可以在加氫站加氫裝置出現故障后，迅速查明故障類型及部位，減少了故障停機時間。

4.4 智能遠程控制系統核心功能及界面展示

云平臺作為智能遠程控制系統的核心，實現了設備的接入、配置、管理、展示和數據處理。無論身處何地，使用者通過Web網頁和手機APP即可實現對設備狀況、實時數據和歷史數據的查看，報警推送，設備資產管理等；同樣通過手機也可以遠程控制加氫裝置；實現遙控、遙測功能。

1) 流程圖展示。智能遠程控制系統通過工藝流程圖的展示，讓客戶對整個加氫站的工藝設備、工藝參數及狀態有個直觀的了解，方便加氫站的整體管理與調控。

2) 報警推送。當加氫站加氫裝置有故障報警時，系統將報警推送到手機APP端、Web端、平板電腦端，分別顯示報警級別、報警原因、報警值、報警開始時間、報警持續時間等；報警級別分為特別緊急、緊急、一般緊急，并用不同顏色表示。

3) 設備資產管理。系統可以記錄并管理相關數據，包括臺賬、制造商、型號、序列號、物料清單，服務開始時間、供應商合同，設備圖紙、安裝說明書、設備相關圖片等。

4) 工單管理。工單是企業監管維護人員完成日常工作的重要依據，根據檢修、巡檢、保養、改進等不同類型的工作，可以輕松創建工單，并根據區域、設備和專業對工單進行管理，直至歸檔。

5) 維護管理。通過現場拍照、錄音、儀表讀數和保修，可監控設備狀態，有效地執行現場點巡檢工作；同時可訪問后臺歷史數據庫，協助評估診斷。通過二維碼或RFID強行掃描，確保按照規程保質、保量完成相應的工作。

6) 加氫裝置所需備品備件的庫存管理。創建備品備件的物料清單(BOM)，進庫、入庫、調整和采購申請，備品備件數量查詢，安全庫存量、備件短缺統計等。

7) 報表管理。讓維護管理回歸到“事實”和“數據”上來。幫助企業針對工單中的記錄數據進行維護分析，衡量MTBF和MTTR等維護關鍵指標。通過圖表完成故障分析并驗證想法，快速地做出準確的決策。

5 結束語

應用基于云技術的智能遠程控制系統，既能通過實時狀態監控、設備故障預警提高加氫裝置的可靠性，解決信息孤島問題；也能有效地解決加氫裝置的設備狀態監控、安全預警、運營數據采集與分析、氫源的調度管理等問題；還可以提高資產使用率，降低維護成本，減少非計劃停機時間，降低MTTR，增加MTBF；此外還能為以后實現無人值守積累寶貴的經驗。

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