LNG 应急救能车电气控制系统研究

刘琼琼 彭哲封 陈章浓 朱国皓

0 前言

我国幅员辽阔，气候和地形呈现多样性，是一个灾害多发的国家，比如地震、洪涝灾害、火灾等。2018 年3 月，我国专门成立了应急管理部，旨在提高应急管理能力和强化应急响应水平。灾害发生后，需要用最短的时间到达现场展开抗灾救援工作，而灾害发生地区的电力基本上会处于暂时瘫痪状态，这对抗灾救援工作的实施造成了极大的阻碍。移动救能车的优势在于响应速度快，能够在灾害发生后较短时间内抵达现场，为现场救援工作提供电力保障。

目前我国在移动应急救能车方面相关的行业标准还不完善，相应产品质量也参差不齐，而且发电机组多以柴油为燃料。但是柴油机所产生的的氮氧化物、二氧化碳等气体含量较高，对于我们很难达到日益严格的环保排放要求[1]。而以LNG（Liquefied Natural Gas， 液 化天然气）为燃料的燃气发电机组，氮氧化物、二氧化碳等排放量相比柴油机可大大降低，而且噪音更小[2]，用户体验更优。

2019 年， 我 国LNG 进 口 量 为831.5×108 立方米，较2018 年增长12.2%[3]。2023 年我国将成为全球最大的LNG 进口国[4]。中国石油天然气集团公司根据2021 年已产生的天然气消费统计数据，预计2021 年我国天然气消费量将达到3542 亿立方米。因此，在我国推广和发展以LNG 为燃料的应急救能车，具有很好的市场基础，也符合我国发展与环保并重的战略。

1 研究对象

LNG 应急救能车，是在传统汽车底盘基础上做针对性的设计和改装，将LNG 罐、发电机组、充电桩、应急照明灯以及配套检测传感器等高度集成，并配合可编程逻辑控制器（PLC）和人机交互触摸屏（HMI），所构成的一个集发电、充电、照明为一体的应急救援系统，如图1 所示，其中主要部件如表1 所示。

2 电气控制系统原理

LNG 应急救能车电气控制系统框架如图2 所示。

图1 LNG 应急救能车

表1 LNG 应急救能车主要部件

图2 LNG 应急救能车电气控制系统框架

2.1 上位机

上位机是直接发出控制指令的设备，LNG 应急救能车上位机选用工业用触摸屏，来实现人机交互。触摸屏和smart200 PLC（下位机）之间通过工业以太网通讯。触摸屏作为Modbus RTU（Modbus 为串行通讯协议，RTU 为协议的远程终端模式）通讯的主站，连接了充电桩和4G 通讯模块两个从站。

2.2 下位机

下位机是能够获取设备状态并直接控制设备的计算机，LNG 应急救能车选用smart200 PLC 作为电控系统的下位机，通过Modbus RTU 与发电机组控制器通讯。另外，smart200 PLC 通过自身数字量、模拟量模块，收发外围辅助器件的状态和数据。

2.3 机组控制器

发电机组控制器型号为IC-NT，通过CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线和发电机组电子控制单元（ECU，Electronic Control Unit）通讯，ECU 通过发电机组线束和发电机组连接。

2.4 控制原理

LNG 应急救能车电气控制系统的核心部分，是两个控制器。第一个是发电机组控制器（IC-NT），主要用来控制发电机组，通过发电机组的温度、压力、气体等传感器，判断发电机组当前状态是否满足开机条件，如果不满足则提示报警，如果满足则处于候命状态。第二个是控制除了发电机组之外所有器件的通用型控制器（smart200 PLC），主要作用是通过燃气浓度、火焰等传感器判断救能车运行环境是否安全，通过液位、压力传感器判断LNG 罐中燃料剩余量，通过中间继电器控制百叶窗、电磁阀、照明灯等设备的开关。

2.5 控制和操作流程

LNG 应急救能车主要控制和操作流程如下：

2.5.1人工检查和系统自检

在救能车启动前，首先要人工检查周围环境状态，排除溜车、触电等潜在安全隐患，然后将救能车控制部分上电，两个控制器根据各自接入的传感器反馈信号，判断救能车是否可以启动。

2.5.2启动

在确认救能车可以启动的前提下，操作员旋转钥匙开关至启动档位，发电机组逐步启动。

2.5.3发电合闸

发电机组启动后，观察触摸屏上的电压、频率值，在达到用电要求范围后，人工再复检主回路动力电缆以及开关保护器件状态，确认安全后，操作员在触摸屏上选择发电机电动操作断路器合闸，救能车开始向外部输送电能。

2.5.4应急照明和新能源车充电

在救能车开始发电后，可以通过触摸屏操作应急照明灯的开启，也可以根据需求通过充电桩为新能源汽车充电。

2.5.5关机

在救能车工作完成后，确保用电设备切除的前提下，操作员通过触摸屏，控制发电机电动操作断路器分闸，再旋转钥匙开关，关闭发电机组。待发电机组散热完毕后，关闭控制系统电源，将救能车恢复至等待调遣状态。

3 通讯设置

3.1 上位机

在上位机触摸屏的开发软件中，打开“设备窗口”，添加smart200 PLC，并设置相应参数，如图3 所示。参数设置中，“最小采集周期”设置为100ms，“本地IP 地址”（即上位机地址）设置为192.168.0.11，“远端IP 地址”（即下位机smart200 PLC）设置为192.168.0.10，两个IP 地址位于同一网段。除了和下位机的连接，触摸屏还通过Modbus 协议与充电桩、4G 收发模块建立连接。

3.2 下位机

下 位 机smart200 PLC 由ST20 主机模块和模拟量输入模块EMAE08 组成，其通讯参数设置如图4 所示。下位机PLC 对外通讯，主要包含两部分。第一部分是和上位机触摸屏的工业以太网通讯，第二部分是和发电机组控制器 的Modbus 通 讯。PLC 的IP 地 址 为192.168.0.10，与上位机触摸屏中的远端IP 地址一致。PLC 的Modbus 通讯，需要设置Modbus 端口参数，包括地址号和波特率。在此电气控制系统中，PLC 作为Modbus 通讯的主站，站号（地址）设置为2，波特率选择9.6kbps。

3.3 发电机组控制器

发电机组控制器通过Modbus 与下位机PLC 通讯，通过CAN 总线和发电机电子控制单元（ECU）通讯。在发电机组控制器的编程软件LiteEdit 内，Modbus 相关设置如图5 所示。硬件通讯端口为COM2，“控制器地址”即Modbus 通讯的站号为1，“Modbus 速度”选择9600bps。

4 程序编写与运行

4.1 触摸屏

图3 触摸屏通讯参数设置

图4 PLC 通讯参数设置

图5 发电机组控制器通讯参数设置

触摸屏的人机交互界面，如图6 所示。主界面显示燃气浓度、LNG 罐液位、LNG 罐压力、火焰探测器浓度等当前值，如果显示数值超过预警提示值或超限报警值，会有相应指示灯和蜂鸣器的报警，具体文字信息在报警滚动条中显示。主界面显示包括发电机组状态（油压、水温、转速等）、发电参数（电压、电流、功率、频率等）、充电桩参数（充电电压、电流、故障信息等）。主界面操作按钮包括电操合闸、电操分闸、工作灯关、复位操作，画面切换按钮包括帮助信息、报警记录、参数设置、调试检修等。

4.2 PLC

PLC 控制发电机组启停。在测试过程中发现，PLC 向发电机组控制器发送启动信号，需要保持一定时间。启动信号如果保持时间太短，机组无法完成启动动作。如果启动信号保持时间太长，机组控制器将反复触发启动命令，影响启动电机寿命。经过多次试验，最终将启动信号保持时间确定为5s，在正常状况下可以顺利完成一次机组启动。PLC向发电机组发出的停车信号，经过测试，也需要维持一定的时间，单个脉冲信号无法实现停车，停车信号需要至少维持1s 的时间。

PLC 与发电机组控制器的Modbus通讯。通过Modbus 通讯，可以将发电机组控制器的相关数据传输到PLC，进而显示在人机交互界面。发电机组控制器部分数据和对应存储地址见表2。在PLC的Modbus 通讯程序初始化模块“MBUS_CTRL”中，设置端口号、波特率、校验方式和超时时间。在通讯初始化完成后，通过程序块“MBUS_MSG”设置读取发电机组控制器参数的读写地址，以及读写数量，并设置读写状态标志位。

4.3 发电机组控制器

发电机组控制器设置。发电机组控制器有“自动”和“手动”两种模式。如果选择“自动”模式，发电机组转速到达1500r/min、稳定输出一段时间后，会自动触发电动操作断路器合闸信号。这种模式与LNG 救能车的应用场景有一定的差异。LNG 救能车输出功率较大，出于安全考虑，现场操作人员需确认可以闭合电动操作断路器之后，在触摸屏上通过获得操作权限，手动点击按键闭合电动操作断路器（有弹出窗口二次确认）。因此，综合实际应用场景，把发电机组控制器设置为“手动”模式，在这种模式下，发电机组启动、停车，电动操作断路器的合闸、分闸，都可以通过PLC 的程序做逻辑处理和控制。

5 结语

LNG 与传统管道天然气相比，能量密度更高，更方便运输；LNG 与煤炭相比杂质含量低，排放指标更优。因此，LNG 更符合我国的“五位一体”政策[5]。作为LNG 应用的配套建设，我国LNG加气站也在加快布局，全国LNG 加气站从2001 年的100 余座，到2019 年的3100 余座[6]，增长速度非常可观。

图6 触摸屏界面

表2 LNG 发电机组控制器数据和存储地址

LNG 应急救能车相对于传统柴油救能车，在排放、噪音控制等方面有绝对的优势。以LNG 为燃料的应急救能车，目前仍处在技术探索和研发阶段，距离大规模上市还有较长的路要走。不过随着我国经济飞速发展对能源的需求，以及对环境保护的重视，更加清洁、高效的LNG 应用市场必将一片坦途。LNG 加气站等配套基础设施的建设，也为LNG应用的推广提供了保障。在LNG 加气站以及相应管理平台不断完善的背景下，LNG 应急救能车将在区域性高要求救能、跨区域长距离救能等场景得到更加广泛的应用。