海上風電平臺暖通監控系統的研究與開發

程鯤鵬，吉承成，戴林

（江蘇遠望儀器集團有限公司江蘇泰州225300）

由于全球能源需求不斷增加，能源效率要求嚴苛的碳減排，以及支持可再生能源部署的政府激勵，因此全球市場正見證可再生能源顯著增長。根據市場研究機構Markets and Markets發布的報告，2017年，全球海上風電市場約270.2億美元，預計到2022年增長到551.1億美元，期間復合年增長率達15.32%[1-2]。

海上風電平臺大多情況都是無人值守[3]，為了保證平臺上設備正常運行，室內溫度，以及室內外壓差、濕度需要在一個合理的范圍內。系統研究和開發的暖通監控系統，采用了冗余架構、網絡通信技術、PLC可編程技術以及HMI技術，可在陸基和平臺實現海上無人平臺的暖通設備的狀態監控。

1 系統總體設計

本暖通監控系統的基本組成如圖1所示。主要由陸上集控中心的PC機、風電平臺上的HP商用計算機、西門子工業用網絡交換機、300系列PLC控制器[4]、1200系列PLC控制模塊及工業空調、溫濕度傳感器、壓差傳感器、除濕機、電動閥門、事故風機以及氫氣濃度傳感器等組成。

平臺用戶可通過平臺PC機的人機界面查看各房間的溫濕度、壓差數值及風閥、空調、除濕機等狀態。可手動控制相關設備的啟停，亦可根據預期的聯鎖條件，系統自動控制相關設備的啟停。設置了超限報警和故障報警功能，并可以查看和打印歷史報警記錄。系統通過300系列PLC實現軟冗余[5]，如若都出現故障，可以直接通過1200系列PLC實現就地控制，最大限度提升系統的可靠性[6-8]。HMI界面程序自主開發，將所有可讀可寫的變量地址通過modbus tcp協議預留給陸上集控中心，陸上集控中心可以通過modbus地址對平臺上的PC機進行查詢和控制，從而實現了遠程監控的目的[9-10]。

圖1 系統基本組成

2 通信設計

本系統通信方式共有3種：S7TCP、MODBUS_TCP、MODBUS_RTU。通信設計如圖2所示。為了保證通信穩定性以及快速性，陸基控制端與平臺控制端采用基于TCP的MODBUS_TCP通訊協議，PC機與西門子PLC之間通過西門子工業用交換機，采用基于以太網的S7TCP協議[11-12]。S7TCP協議只需要普通網卡即可以實現上位機與西門子PLC通訊，不需要安裝任何西門子提供的軟件，如SIMATIC NET、STEP7等。由于除濕機的工作特性，需要根據應用場景對其工作頻率進行設置，由于參數較少，暖通機房內的PLC與除濕機PLC通過RS485總線的標準MODBUS_RTU協議通訊[13]，此通訊方式不需要再增加通訊模塊，且只需要兩根普通的屏蔽線即可。

圖2 系統通信設計

3 上位機設計

3.1 人機界面設計

暖通監控系統界面主要由主界面、房間界面，參數設置、實時報警、歷史報警、實時趨勢圖、歷史趨勢圖等組成。主界面以總覽的方式顯示各個房間的室內溫度、濕度以及室內外壓差，以及部分房間的室外溫濕度、氫氣濃度。用戶通過此界面可以得知室內環境狀況，從而得知房間內設備是否正常運行。主界面中通過按鈕進入各個房間模塊，實時報警以及歷史報警界面。房間界面中可以看到各個設備的運行狀況，以及對設備進行控制。每個房間都設有參數設置按鈕，進入參數設置面需要權限確認，只有特定用戶才具有修改參數的權限，進一步保證設備的安全運行。用戶可以通過實時報警查詢近階段內設備發生故障或者報警，也可以通過歷史報警查詢特定時間段內的報警，值得注意的是，歷史報警存放于SQL SERVER數據庫中，容量大，讀取速度快。每個房間都設有實時趨勢圖入口，可以選擇溫度，濕度，室內外壓差以及氫氣濃度作為參數，圖形界面中每隔5 s根據當前參數值繪制曲線[14]。歷史趨勢圖可追溯時間為半年，用戶可選擇單個或者多個變量[15]。上位機部分界面如圖3，圖4，圖5，圖6所示。界面根據現場狀況用簡易圖形所繪制，以便用戶能夠有直觀的認知。

3.2 程序設計

上位機程序設計，以空調以及電動風閥為例。圖5中，主備空調在手動狀態下，可以單獨設置，系統中空調存在3種模式：通風、制冷、制熱，用戶欲改變空調狀態，需先將空調切換至遠方狀態，然后方可選擇對應的模式，制冷制熱模式下，為保護空調模塊，系統會判斷當前環境溫度是否達到開啟制冷或者制熱條件，當成功開啟某種模式，上位機會有提示；自動狀態下，上位機會強制兩臺空調模式為一致，此種強制是為了保證主備空調輪換時，空調模式處于一致狀態，部分程序如下：

電動風閥控制程序較為簡單，部分程序如下：

上述程序為VB腳本所寫。

圖3 主界面

4 下位機設計

4.1 空調模塊

空調模塊是暖通系統中最重要且控制邏輯相對較為復雜的功能模塊，空調的工作模式分為通風、制冷、制熱3種模式。每個房間中設有兩個空調，一主一備，正常情況下，根據設置的輪換間隔時間輪換運行，分手動和自動兩種狀態，手動狀態下較為簡單，根據上位機發送的指令，相應的以何種模式運行，自動狀態控制邏輯如圖7所示。

4.2 微正壓模塊

微正壓[4]表示室內外壓差維持在個0～100 pa之內，此模塊功能，涉及到壓差傳感器與泄壓電動風閥，工作原理為當室內外壓差大于80 pa時，開啟泄壓閥，泄壓閥開啟之后，壓差值會下降，當下降到20 pa時，關閉泄壓閥，壓差上下限值用戶可自行設置，但需保證在傳感器范圍之內。

圖4 實時報警

圖5 房間界面

4.3 應急事故風機模塊

應急事故風機開關也分為手動和自動，默認狀態為自動，應急事故風機開啟條件分為3種：1）當室內氫氣濃度超過10%，2）主備空調均發生故障，3）六氟化硫氣體泄露。

4.4 除濕機模塊

除濕機與空調相似，也設有主備，其工作模式分為通風和除濕兩種。微正壓系統中的正壓力是由除濕機的通風模式提供的，除濕機將外部空調抽至房間內，然后系統根據室內外壓差進行動作，手動狀態根據上位機命令指示。自動狀態控制邏輯如圖8所示。

下位機設計的關鍵有2點：1）各個模塊的運轉邏輯，2）系統的冗余，包括PLC的冗余和空調、除濕機的冗余。

圖6 實時趨勢圖

圖7 主備空調控制邏輯

5 結 論

近些年，國家在大力建造海上風電場，但由于起步較晚，與風電發達國家相比，風電場暖通監控系統相關技術仍處于邊探索邊研發階段。雖然，采用上述架構的系統已經有成熟的案例，在海上平臺運行一年多來，客戶反映良好穩定，風電場也已投入正常使用，對于風電技術及發展有一定的促進作用。但是參照國外同行而言，在架構和邏輯上還是有改進研究的空間。比如，可以采用SCADA系統，人機界面可以更加人性化，維持正壓系統可以采用PID調節等。后續，將會對這些不足之處改進，力求在海上風電平臺暖通監控系統技術上邁入領先水平[16-17]。

圖8 除濕機控制邏輯