基于PLC的社區報警系統在羅家寨高含硫氣田的應用

黃 愿，李 雁

（中石油西南油氣田公司 川東北作業分公司，四川 達州 635000）

0 引言

羅家寨氣田為高含硫氣田，地處山區，氣田生產設施周圍有大量居民。生產設施包含有2個井場、1個集氣站、1座天然氣凈化廠及輸送管道。當含硫天然氣泄漏發生時，社區報警系統可為居民及時提供危險氣體泄漏聲音報警，使受影響的社區能安全疏散。設計主要考慮報警聲音的強度、覆蓋范圍、系統的可靠性和魯棒性。社區報警系統主要由報警控制中心、室外報警站、氣體檢測儀表、通訊網絡、系統供電5大部分組成，報警控制中心通過控制指令，完成對室外報警站設備的控制；通過控制面板或報警管理軟件控制室外報警站發布或中斷各種報警信號。本文就以社區報警系統的構成為基礎，詳細論述社區報警系統在羅家寨氣田的應用。

根據氣田區域特性，通過對地形和聲音傳播進行建模。其分成20個報警區域，共計建設有40個室外報警站，分布于井場、集氣站、凈化廠內及管道周圍600m的范圍內。區域內報警站點的激活，由控制中心操作員根據現場氣體檢測儀表檢測到的氣體泄漏情況來決定。社區報警系統主要有以下特點：

1）多個警報器網絡，為居住在管道附近的80%以上的人口提供符合中國和國際標準的聲級覆蓋。

2）通過位于報警控制中心的專用控制臺啟動并配置備用控制臺。

3）通過GPRS 4G信號在兩個不同的蜂窩運營商上提供的通信以及利用摩托羅拉TETRA無線網絡提供的第3條路徑通信架構，在發生自然災害時能夠抵抗故障（眾所周知，在這些事件中，蜂窩服務是不可靠的）。

4）通過具有端到端確認和確定性控制架構的健壯和安全的PLC技術進行控制，以消除假意或惡意警報的可能性。

5）支持從交流電源到發電機電源的自動轉換。

6）提供廣泛的診斷和遠程狀態可見性（即電池狀態的遠程監控）。

7）可集成到現有的火災和氣體報警系統中（如需要）。

1 報警控制中心

報警控制中心作為整個社區報警系統的核心，選用工業級PLC并提供可視化的人機界面讓操作員監控整個社區報警系統的運行狀態?？刂浦行闹饕?臺冗余服務器、工程師站、冗余的PLC控制系統、通信網絡設備等，通過報警控制中心可及時發布和管理報警信息，通知氣田生產人員和周圍居民，以避免高含硫天然氣泄漏造成的各種危害。

報警控制中心采用冗余的AB ControlLogix可編程控制器ControlLogix L74作為處理核心，L74專為提高性能而設計。控制器速度和處理能力通過高性能的過程控制和運動應用，滿足工廠級應用需求。通過控制器的可擴展解決方案系統可尋址大批量的I/O點，通過背板監測和控制I/O，如同通過網絡連接一樣。安裝相應的通信模塊，ControlLogix控制器可提供多種通信方式采用高速以太網絡作為控制器與服務器、服務器與操作客戶端連接的網絡，通過GPRS、Motorola TERA作為報警控制中心與室外報警站連接的網絡。報警控制中心的PLC系統包含4個控制機架，提供社區報警系統的總體控制：機架1是冗余系統控制的主機架，機架2為冗余I/O PLC配置，機架3為數據通訊專用機架，機架4連接火災和氣體系統。ControlLogix冗余系統提供了強大的系統可用性，當發生一系列如控制器故障的事件時，非冗余系統可能會因此而停止運行，而冗余系統因為使用了一對冗余機架，可以繼續保持系統運行。采用AB ControlLogix PLC的add-on指令可定制統一標準模板的編程風格，實現程序的高可讀性與擴展性。

上位機軟件選擇與PLC配套的Factory View SE，為了滿足現場的生產需要，HMI軟件必須滿足多個相關人員的需求。軟件內置數據庫技術和多媒體技術，提供地圖瀏覽、室外報警站管理、用戶管理、分區管理和數據管理等功能。室外報警站顯示在電子地圖上，同時將室外報警站的動態和靜態信息保存在數據庫中，瀏覽地圖時方便查看。社區報警設置有符合國家規范的“全呼”“群呼”“點呼”“組呼”等多種組合報警方式，報警控制中心可以遠程關閉、開啟任意一個、多個或全部室外報警站。整個系統采用規范、結構化的命名方式，使操作員通過室外報警站點的編號可快速知道站點的物理位置。

操作界面設計為層級方式，系統包含4個層級：一級，總覽界面；二級，區域；三級，室外報警站；四級，變頻器狀態。通過層級可快速進入需要操控的界面，減少無效操作。層級結構如圖1。

圖1 層級結構Fig.1 Hierarchical structure

社區報警系統分區/分組靈活，可以根據需要把室外報警站分成若干個區，稱為固定分區；軟件提供動態分區功能，用戶根據使用需要可以把相關的室外報警站加到一個自命名的用戶分區內。其可以創建多個用戶分區，每個用戶分區可以自由增加或減少室外報警站數量。不需要時，可以取消用戶分區。通過畫面的電子地圖回顯功能可監控所有室外報警站報警器設備的工作狀態，不同顏色顯示具體狀態。電子地圖可以方便直觀地查看室外報警站的狀態信息。

2 室外報警站

室外報警站接收ANCC的報警命令，啟動臥式電動警笛。通過GPRS、Motorola Tetra兩種無線通訊方式實時反饋室外報警站點的信息給報警控制中心，并接收報警控制中心的指令啟動報警器。柴油發電機、市電通過ATS雙電源切換系統保證警笛啟動時電源的可靠性。室外報警站主要包含CompactLogix PLC控制系統、網絡及通訊設備、變頻警笛驅動器、臥式電動警笛。

室外報警站采用CompactLogix 1769-L33ER可編程控制器作為處理核心。該系列控制器用于取代傳統PLC和多回路控制器，是真正意義上的一體化控制系統。內置支持實時控制的100Mbps Ether Net/IP工業控制網絡接口，同時實現多處理器/上位機聯網以及分布式I/O控制。1769系列PLC最多可達30個模塊，完全滿足社區報警系統需求。室外報警站配置了Prosoft公司的通信卡件——MVI69EMBS，利用RS485 MVI69E-MBS模塊的APP P1端口與柴油發電機的RS485通訊端口連接，通過Modbus的通訊協議可以在柴油發電機與CPU 1769-L33ER之間進行數據交換；MVI69E-MBS模塊的APP P2端口與變頻器的RS485通訊端口連接，通過Modbus的通訊協議可以在變頻器與CPU 1769-L33ER間進行數據交換。為保證系統的可靠運行，發電機、變頻器的啟動和停止通過硬接線來控制。系統通過監測GPRS 4G、Motorola Tetra空開輔助觸點的狀態來判斷相應的供電回路是否正常，在報警控制中心產生相應的報警以提醒操作員做出相應故障處理辦法。

室外報警站有兩種控制模式，本地控制模式和遠程控制模式。這兩種模式在ANCC畫面上進行選擇：當選擇本地控制模式時，可以通過機柜內門上的3個按鈕來啟動警笛、停止警笛；當選擇遠程控制模式時，可以通過ANCC畫面上的3個按鈕來啟動警笛、停止警笛。在機柜上的停止警笛按鈕，不論是本地控制模式還是遠程控制模式都有效。在極端情況下，如果冗余的GPRS 4G、Motorola Tetra通信網絡都斷開，室外報警站將不能由報警控制中心進行控制，此時室外報警站自動切換為本地控制模式，可由現場進行警笛的啟動和停止。根據設計要求，室外報警站的警笛通過變頻器進行驅動。通過選用ABB ACS510低壓交流傳動產品，可以方便安裝、配置和使用，節省時間。該驅動器有普通用戶和程序接口與總線。變頻器的使用確保了報警區域的最大化，報警聲音能夠通知到需要撤離的區域。室外報警站通過以下功能模塊來保證系統穩定、安全地運行：

1）室外報警站接收來自報警控制中心的報警指令，實現對警笛的觸發和柴油發電機的啟動。

2）室外報警站將本站的狀態及報警信息通過冗余通信電路上傳至報警控制中心。

3）現場啟動、停止警笛（任何情況下現場停止警笛功能可用）。

4）室外報警站的控制系統通過RS485通訊接口可以和柴油發電機、變頻器進行通訊，實時監測柴油發電機和變頻器的狀態信息，采用硬接線對柴油發電機、變頻器進行啟、?？刂啤?/p>

5）ATS電源自動切換開關確保主電源可用性。

6）PLC供電電池預報警功能。

7）多路PLC 24VDC電源電池充電。

8）通訊超時自動切換為本地模式，以便于本地啟動警笛。

3 氣體檢測儀表

氣體檢測儀可檢測硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等有毒氣體和甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、氫氣（H2）等可燃氣體，廣泛應用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃氣、環境監測等多種場所現場檢測，可以實現特殊場合測量需要，可對坑道、管道、罐體、密閉空間等進行氣體濃度探測或泄漏探測。

氣體檢測儀從工作原理上可以分為3大類：①以電化學性質為主要工作原理的氣體傳感器：如隔膜離子電極式、定電位電解式、固定電解質式、迦伐尼電池式等；②以物理性質為主要工作原理的氣體傳感器：如紅外吸收式、光干涉式、熱傳導式等；③以物理化學性質為主要工作原理的氣體傳感器：如半導體式（表面控制型、表面電位型、體積控制型）、固體熱導式、催化燃燒式等。

控制中心操作員可以通過氣體檢測儀檢測到的氣體泄漏情況來決定是否激活區域內報警站點，也可以根據需要設置成檢測到氣體泄漏自動激活報警站點。

4 網絡通訊

采用兩種獨立的通信方式構建企業專屬VPN通訊網絡，通過TCP/IP網絡完成報警控制中心對室外報警站管理和控制。這兩種網絡是運營商提供的無線4G網絡、Motorola TETRA集群網。根據室外報警站安裝位置，采用冗余通信方式，提高系統的安全性。4G公網無線網絡是最易實施的，除了在室外報警站點架設天線外，該方法不需要其他的戶外設備設施，如敷設光纜等?，F在IPsec VPN技術的成熟和數據傳輸費用日益降低，這些使得4G公網VPN 成為社區報警系統的第一選擇。為長期運營考慮，利用現有氣田的摩托羅拉TETRA運營費用更低。社區報警系統的網絡結構圖如圖2。

室外報警站和報警控制中心站之間采用冗余的VPN通道，通過選用思科的C2900系列路由器為報警控制中心的網關路由器；選擇英翰通的IR900系列為室外報警站的VPN路由器，支持運行環境溫度-20℃～70℃，完全滿足室外報警站地處山區的惡劣環境。室外報警站安裝位置條件選用中國聯通、中國電信兩種GPRS 4G信號以保證數據傳輸的實時性，通過可配置的無線路由器配置成冗余鏈路，并通過VPN的方式進行通訊以確保加密安全的數據傳輸。該條鏈路承載AB控制器專有的MSG通訊實現現場室外報警站站點與報警控制中心通訊。在報警控制中心可配置遠程連接室外報警站PLC，進行實時PLC程序監控，實現提前分析，解決室外報警站點故障。

TETRA是數字集群系統的公開標準，由于采用了數字技術TETRA可以在25KHz的帶寬內提供4個通信信道，因而大大提高了頻率的利用率。通過開發專有的消息處理軟件及硬件設備，實現PLC工業數據傳輸協議MODBUS與Motorola TETRA網絡傳輸協議的轉換。該條鏈路以現有無線對講機系統為基礎，大大節約了硬件成本同時實現TETRA網絡信號的全覆蓋。氣田當前建設的Motorola Dimetra系統提供了SDS服務，支持移動臺之間互發短信以及計算機和移動臺之間的短信（每條信息的最大長度為140個ASCII字符）。Dimetra系統的數據服務和基礎網絡使得社區報警系統遠程數據傳輸成為可能，但是社區報警和Dimetra系統之間不能直接通訊。通過定制的數據傳輸設計的短信Agent能夠實現雙方接口的轉換，解決系統互聯問題。TETRA網絡的接口定義如下：

由報警控制中心發送的基于MODBUS TCP標準協議的請求數據，被中心短信Agent接收后，通過協議轉換，從機地址、功能碼和數據部分被Dimetra系統發送到遠端短信Agent，遠端短信Agent通過基于RS232連接的MODBUS RTU的標準協議將數據發送到室外報警站。由于室外報警站點較多，傳輸數據量大，報警控制中心通過輪詢的方式發送和接收室外報警站點的數據。

圖3 TETRA網絡的接口定義Fig.3 Interface definition of TETRA network

5 系統供電

室外報警站電源有3種：市電、柴油發電機供電及太陽能供電。電壓等級主要分成380V交流電源、24V直流電源。

380 VAC 50Hz電源供電用于警笛驅動器、照明供電；380 VAC 50Hz的電源有兩路，一路來自市電，一路來自柴油發電機，系統提供這兩路電源的工業插座和插頭；通過ATS雙電源切換系統正常情況下由市電來供電，當市電失電時，系統自動切換到柴油發電機輸出電源供電。工業級的ATS開關能夠滿足主電源-市電掉電的情況下，系統快速恢復供電?？紤]到部分市電可能來自居民用電，電壓可能存在不穩定的情況，可安裝穩壓器以實現穩壓功能。

24VDC電源通過24VDC電池負責給PLC控制系統、交換機、路由器等設備提供電源，24VDC電池通過冗余的充電回路：一路來自市電的電池充電器，一路來自太陽能板。當電池充電器失電時，太陽能板給電池充電。通過PLC實時檢測電池電壓，當市電丟失或太陽能供電不足導致電池電壓低于報警設定值時，及時提醒操作員并可手動、自動啟動柴油發電機對電池進行充電，確保24VDC供電正常。

6 結語

基于PLC的社區報警系統為氣田的安全生產提供了有力的保障，自投用以來系統運行穩定，操作性好，自動化集成度高。PLC系統的易擴展特性滿足氣田采氣井站的建設，與傳統的通過廣播、短消息等實現社區報警系統相比，系統運行穩定，易操作。運行結果表明，該套系統可以在其他油氣田推廣，應用前景廣闊。