极端环境下储库控制系统的通信解决方案

隋明新

(中国天辰工程有限公司 项目管理部，天津 30040)

中国天辰工程有限公司承建的土耳其某天然气储库项目是目前全球单腔体积最大的盐穴储气库之一。该储气库是在地下1 km以下的盐丘内建造的天然气储气库，用来调节土耳其的天然气峰值战略储备之用。储气库建造12座地下腔体，腔体的形成依靠注入淡水，在地下盐丘中进行溶腔。从淡水湖抽取淡水送达场站，再经溶腔泵加压送入12个地下井口。淡水进入井口后会溶解盐矿变成卤水，在注水的压力下将饱和卤水排出井口，反复循环淡水和卤水在地下形成一个溶腔。单个腔体体积约7.5×105m3，在20 MPa压力下存储天然气可达1.5×109m3。

该项目硬件设施主要包括输送淡水的长输管线、溶腔地面设施和天然气注入及采出设施。淡水输送距离长约120 km；溶腔地面设施包含泵站和卤水沉淀池及相应管道设施。溶腔后的卤水回到地面，通过自流方式输送到40 km以外的盐湖。为了保证卤水管道密封性，防止卤水泄漏造成计量不准确及环境污染，同时参考卤水的流量来核算地下腔体的体积，在卤水管道出口处设立通信控制站，用来传输相关检测数据，通过这些数据可以判断溶腔是否正常，卤水长输管道是否有堵塞等。该控制站不仅要经受风沙的侵蚀、日晒雨淋，更要面对没有电力供应和网络通信的巨大挑战。而对于架设电缆、铺设光纤这样常规的解决方案，不仅工期长，而且费用高昂。通过多方比较，最终采用太阳能为现场仪表供电及采用Modbus TCP协议通过卫星的无线通信方式将现场的PLC与中心控制室的控制系统连接的方案。

1 供电解决方案

该项目采用的是分布式太阳能光伏发电系统，对于电源供应的连续性有保障。太阳能发电不产生任何废弃物、噪音，是理想的洁净能源，无人值守模式节省了运营期间的人力负荷，满足了当地政府对该项目的环保要求。

1.1 基本设置

太阳能发电系统主要由电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备组成，还包含了供电系统监控装置和环境监测装置。该项目使用的太阳能设备主要由42块太阳能电池板和24块蓄电池组成，可向直流48 V 500 W和24 V 600 W的负载提供5～7个阴雨天的电量，从而保证负载正常的供电需求，并且可以使用逆变器将直流电压转化成220 V交流电，为现场的设备供电。太阳能控制器是由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。

该套太阳能发电系统可为1套小型PLC、1台控制阀，1台流量计，1个路由器、1台卫星信号发射器、1台信号转换器及现场照明系统提供电力。该系统的充电控制采用脉冲宽度调制(PWM)技术，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域；当电池缺电、系统故障时采用放电控制，如电池开路或接反时切断开关。

1.2 系统效率

在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese包括电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载效率等，提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。该项目采用了既能跟踪调控Pm点，又能跟踪太阳移动参数的“向日葵”式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右，现场采用了铅酸免维护蓄电池。

1.3 太阳能电池

单一太阳能电池通过串联或者并联组成的电池系统，称为电池组件方阵。太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性直接影响系统的工作效率，蓄电池的容量受到末端需电量和日照时间的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间设定。由于土耳其当地地势较高、日照时间较长、阴雨天气少，良好的气候环境为太阳能使用提供了便利条件。

1.4 系统优势

太阳能光伏发电系统的建设周期短，而且发电组件的使用寿命长、发电方式比较灵活，发电系统的能量回收周期短，不受资源分布地域的限制，可在用电处就近发电。

该系统已经连续工作5 a多，未出现任何异常现象，为现场设备提供了稳定的电力保障。供电系统设置在地面，所占面积也比较小，满足方便快捷的要求。

2 通信解决方案

该项目采用无线电通信方案，无线电通信具有不需要架设传输线路，通信距离远，机动性好的优点。通信站设立在距离控制室40 km以外的盐碱地里，所以可靠性是系统运行的关键。

2.1 无线通信方案

无线通信方案如图1所示，在PLC的通信卡采集现场数据后，通过地面站发出无线电信号，该微弱信号被卫星通信天线接收后，在通信转发器中进行变频和放大功率，将放大后的无线电波发向地面站，位于中心控制室的800xA控制系统通过卫星信号接收站接收来自Internet的过程数据。卫星通信范围广，在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何2点之间都可进行通信，同时可在多处接收，实现数据多址通信；在采集数据、传输数据、接收数据过程中保证了各种数据的完整性和可靠性。该项目使用卫星通信的频率是微波频段的10 GHz频段。

图1 无线通信方案示意

无线电波的传输使用了TCP协议，为了保证数据传输的可靠性，给每个数据包分配一定序号，保证了传送到接收端实体包的按序接收。TCP通过Modbus寄存器地址来交换数据,接收端实体对已成功收到的字节发回一个相应的确认(ACK)；如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认，那么对应的数据，假设已丢失，将会被重传，确保了项目对操作数据的可靠传输和接收。硬件接口Modbus TCP则采用以太网口。

该项目中无线通信控制柜设置在地下掩体中，可以避免过大的温差和湿度变化的影响，巡检人员可以通过人孔进入到地下机柜间，完成相应的检修工作。

2.2 无线通信设置

由于通信距离超过40 km，该项目选择了蜂巢式无线通信网络，而无线电频率为政府的公共财产，受土耳其国家管控，因此在数据传输上受到很多限制，但是经过协调当地政府，确定了一固定频宽传输数据。

组态编程时，设置PLC PN-IO接口的IP地址和子网掩码地址，在“网关”中必须选择“使用路由器”，IP地址为路由器的IP，与PN-IO接口IP保持在同一个网段上。再设置800xA系统的Modbus TCP，这样就可以通过无线通信获得由PLC提供的现场数据了。

经PLC PN-IO接口向路由器不断发送数据包，路由器VPN对数据包进行加密并转换数据包目标地址，再通过卫星信号发射锅将加密的数据发送到互联网上的一条专用的数据链路上。

在中心控制室，专用数据链路上的数据包再由卫星信号接收器接收，经路由器对数据包进行解码，通过防火墙保证数据安全，最后数据包再由中心控制室核心交换机送入800xA系统。

2.3 Modbus TCP程序设置

Modbus是目前工业电子设备之间常用的协议方式，它覆盖了使用TCP/IP协议的“Intranet”和“Internet”环境中的Modbus报文。

该项目的通信协议采用了Modbus TCP，其中“FC20”为量程转换模块，将现场采集到的数据转换为0～100.0。然而由于现场离控制室较远，不易于在现场对程序进行修改，于是将现场采集到的数据直接由PLC中的“MOVE”模块转换到Modbus地址上，再由中控室对其传送的数据根据需求进行转换。

由于Modbus TCP传输控制协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议，每发出一个数据包都要求确认，如果有数据包丢失，就会不被确认，发送方就必须重发该数据包。为保证传输的可靠性，TCP协议在UDP基础之上建立了三次对话的确认机制，即在正式收发数据前，必须和对方建立可靠连接。这种可靠连接的建立，为该项目数据的准确传输和接收提供了有力保障。

3 结束语

面对没有电力供应，没有通信网络的情况，采用太阳能供电，运用卫星无线通信的解决方案，不仅省时省力，且相对于架设电缆铺设光纤这样的传统解决方法，更加具有造价低廉的优势。

该项目溶腔阶段注水排卤的过程正在顺畅运行，各种数据采集得到很好的验证，控制站已经连续运转超过5a，无论是电力稳定供应还是无线通信可靠传输，均未出现任何意外情形，这些充分说明了该套解决方案可行性和有效性。