海上风电平台暖通监控系统的研究与开发

程鲲鹏，吉承成，戴林

（江苏远望仪器集团有限公司江苏泰州225300）

由于全球能源需求不断增加，能源效率要求严苛的碳减排，以及支持可再生能源部署的政府激励，因此全球市场正见证可再生能源显著增长。根据市场研究机构Markets and Markets发布的报告，2017年，全球海上风电市场约270.2亿美元，预计到2022年增长到551.1亿美元，期间复合年增长率达15.32%[1-2]。

海上风电平台大多情况都是无人值守[3]，为了保证平台上设备正常运行，室内温度，以及室内外压差、湿度需要在一个合理的范围内。系统研究和开发的暖通监控系统，采用了冗余架构、网络通信技术、PLC可编程技术以及HMI技术，可在陆基和平台实现海上无人平台的暖通设备的状态监控。

1 系统总体设计

本暖通监控系统的基本组成如图1所示。主要由陆上集控中心的PC机、风电平台上的HP商用计算机、西门子工业用网络交换机、300系列PLC控制器[4]、1200系列PLC控制模块及工业空调、温湿度传感器、压差传感器、除湿机、电动阀门、事故风机以及氢气浓度传感器等组成。

平台用户可通过平台PC机的人机界面查看各房间的温湿度、压差数值及风阀、空调、除湿机等状态。可手动控制相关设备的启停，亦可根据预期的联锁条件，系统自动控制相关设备的启停。设置了超限报警和故障报警功能，并可以查看和打印历史报警记录。系统通过300系列PLC实现软冗余[5]，如若都出现故障，可以直接通过1200系列PLC实现就地控制，最大限度提升系统的可靠性[6-8]。HMI界面程序自主开发，将所有可读可写的变量地址通过modbus tcp协议预留给陆上集控中心，陆上集控中心可以通过modbus地址对平台上的PC机进行查询和控制，从而实现了远程监控的目的[9-10]。

图1 系统基本组成

2 通信设计

本系统通信方式共有3种：S7TCP、MODBUS_TCP、MODBUS_RTU。通信设计如图2所示。为了保证通信稳定性以及快速性，陆基控制端与平台控制端采用基于TCP的MODBUS_TCP通讯协议，PC机与西门子PLC之间通过西门子工业用交换机，采用基于以太网的S7TCP协议[11-12]。S7TCP协议只需要普通网卡即可以实现上位机与西门子PLC通讯，不需要安装任何西门子提供的软件，如SIMATIC NET、STEP7等。由于除湿机的工作特性，需要根据应用场景对其工作频率进行设置，由于参数较少，暖通机房内的PLC与除湿机PLC通过RS485总线的标准MODBUS_RTU协议通讯[13]，此通讯方式不需要再增加通讯模块，且只需要两根普通的屏蔽线即可。

图2 系统通信设计

3 上位机设计

3.1 人机界面设计

暖通监控系统界面主要由主界面、房间界面，参数设置、实时报警、历史报警、实时趋势图、历史趋势图等组成。主界面以总览的方式显示各个房间的室内温度、湿度以及室内外压差，以及部分房间的室外温湿度、氢气浓度。用户通过此界面可以得知室内环境状况，从而得知房间内设备是否正常运行。主界面中通过按钮进入各个房间模块，实时报警以及历史报警界面。房间界面中可以看到各个设备的运行状况，以及对设备进行控制。每个房间都设有参数设置按钮，进入参数设置面需要权限确认，只有特定用户才具有修改参数的权限，进一步保证设备的安全运行。用户可以通过实时报警查询近阶段内设备发生故障或者报警，也可以通过历史报警查询特定时间段内的报警，值得注意的是，历史报警存放于SQL SERVER数据库中，容量大，读取速度快。每个房间都设有实时趋势图入口，可以选择温度，湿度，室内外压差以及氢气浓度作为参数，图形界面中每隔5 s根据当前参数值绘制曲线[14]。历史趋势图可追溯时间为半年，用户可选择单个或者多个变量[15]。上位机部分界面如图3，图4，图5，图6所示。界面根据现场状况用简易图形所绘制，以便用户能够有直观的认知。

3.2 程序设计

上位机程序设计，以空调以及电动风阀为例。图5中，主备空调在手动状态下，可以单独设置，系统中空调存在3种模式：通风、制冷、制热，用户欲改变空调状态，需先将空调切换至远方状态，然后方可选择对应的模式，制冷制热模式下，为保护空调模块，系统会判断当前环境温度是否达到开启制冷或者制热条件，当成功开启某种模式，上位机会有提示；自动状态下，上位机会强制两台空调模式为一致，此种强制是为了保证主备空调轮换时，空调模式处于一致状态，部分程序如下：

电动风阀控制程序较为简单，部分程序如下：

上述程序为VB脚本所写。

图3 主界面

4 下位机设计

4.1 空调模块

空调模块是暖通系统中最重要且控制逻辑相对较为复杂的功能模块，空调的工作模式分为通风、制冷、制热3种模式。每个房间中设有两个空调，一主一备，正常情况下，根据设置的轮换间隔时间轮换运行，分手动和自动两种状态，手动状态下较为简单，根据上位机发送的指令，相应的以何种模式运行，自动状态控制逻辑如图7所示。

4.2 微正压模块

微正压[4]表示室内外压差维持在个0～100 pa之内，此模块功能，涉及到压差传感器与泄压电动风阀，工作原理为当室内外压差大于80 pa时，开启泄压阀，泄压阀开启之后，压差值会下降，当下降到20 pa时，关闭泄压阀，压差上下限值用户可自行设置，但需保证在传感器范围之内。

图4 实时报警

图5 房间界面

4.3 应急事故风机模块

应急事故风机开关也分为手动和自动，默认状态为自动，应急事故风机开启条件分为3种：1）当室内氢气浓度超过10%，2）主备空调均发生故障，3）六氟化硫气体泄露。

4.4 除湿机模块

除湿机与空调相似，也设有主备，其工作模式分为通风和除湿两种。微正压系统中的正压力是由除湿机的通风模式提供的，除湿机将外部空调抽至房间内，然后系统根据室内外压差进行动作，手动状态根据上位机命令指示。自动状态控制逻辑如图8所示。

下位机设计的关键有2点：1）各个模块的运转逻辑，2）系统的冗余，包括PLC的冗余和空调、除湿机的冗余。

图6 实时趋势图

图7 主备空调控制逻辑

5 结 论

近些年，国家在大力建造海上风电场，但由于起步较晚，与风电发达国家相比，风电场暖通监控系统相关技术仍处于边探索边研发阶段。虽然，采用上述架构的系统已经有成熟的案例，在海上平台运行一年多来，客户反映良好稳定，风电场也已投入正常使用，对于风电技术及发展有一定的促进作用。但是参照国外同行而言，在架构和逻辑上还是有改进研究的空间。比如，可以采用SCADA系统，人机界面可以更加人性化，维持正压系统可以采用PID调节等。后续，将会对这些不足之处改进，力求在海上风电平台暖通监控系统技术上迈入领先水平[16-17]。

图8 除湿机控制逻辑