基于PLC的社区报警系统在罗家寨高含硫气田的应用

2022-08-30黄愿，李雁

仪器仪表用户 2022年9期

黄愿，李雁

（中石油西南油气田公司川东北作业分公司，四川达州 635000）

0 引言

罗家寨气田为高含硫气田，地处山区，气田生产设施周围有大量居民。生产设施包含有2个井场、1个集气站、1座天然气净化厂及输送管道。当含硫天然气泄漏发生时，社区报警系统可为居民及时提供危险气体泄漏声音报警，使受影响的社区能安全疏散。设计主要考虑报警声音的强度、覆盖范围、系统的可靠性和鲁棒性。社区报警系统主要由报警控制中心、室外报警站、气体检测仪表、通讯网络、系统供电5大部分组成，报警控制中心通过控制指令，完成对室外报警站设备的控制；通过控制面板或报警管理软件控制室外报警站发布或中断各种报警信号。本文就以社区报警系统的构成为基础，详细论述社区报警系统在罗家寨气田的应用。

根据气田区域特性，通过对地形和声音传播进行建模。其分成20个报警区域，共计建设有40个室外报警站，分布于井场、集气站、净化厂内及管道周围600m的范围内。区域内报警站点的激活，由控制中心操作员根据现场气体检测仪表检测到的气体泄漏情况来决定。社区报警系统主要有以下特点：

1）多个警报器网络，为居住在管道附近的80%以上的人口提供符合中国和国际标准的声级覆盖。

2）通过位于报警控制中心的专用控制台启动并配置备用控制台。

3）通过GPRS 4G信号在两个不同的蜂窝运营商上提供的通信以及利用摩托罗拉TETRA无线网络提供的第3条路径通信架构，在发生自然灾害时能够抵抗故障（众所周知，在这些事件中，蜂窝服务是不可靠的）。

4）通过具有端到端确认和确定性控制架构的健壮和安全的PLC技术进行控制，以消除假意或恶意警报的可能性。

5）支持从交流电源到发电机电源的自动转换。

6）提供广泛的诊断和远程状态可见性（即电池状态的远程监控）。

7）可集成到现有的火灾和气体报警系统中（如需要）。

1 报警控制中心

报警控制中心作为整个社区报警系统的核心，选用工业级PLC并提供可视化的人机界面让操作员监控整个社区报警系统的运行状态。控制中心主要包含：2台冗余服务器、工程师站、冗余的PLC控制系统、通信网络设备等，通过报警控制中心可及时发布和管理报警信息，通知气田生产人员和周围居民，以避免高含硫天然气泄漏造成的各种危害。

报警控制中心采用冗余的AB ControlLogix可编程控制器ControlLogix L74作为处理核心，L74专为提高性能而设计。控制器速度和处理能力通过高性能的过程控制和运动应用，满足工厂级应用需求。通过控制器的可扩展解决方案系统可寻址大批量的I/O点，通过背板监测和控制I/O，如同通过网络连接一样。安装相应的通信模块，ControlLogix控制器可提供多种通信方式采用高速以太网络作为控制器与服务器、服务器与操作客户端连接的网络，通过GPRS、Motorola TERA作为报警控制中心与室外报警站连接的网络。报警控制中心的PLC系统包含4个控制机架，提供社区报警系统的总体控制：机架1是冗余系统控制的主机架，机架2为冗余I/O PLC配置，机架3为数据通讯专用机架，机架4连接火灾和气体系统。ControlLogix冗余系统提供了强大的系统可用性，当发生一系列如控制器故障的事件时，非冗余系统可能会因此而停止运行，而冗余系统因为使用了一对冗余机架，可以继续保持系统运行。采用AB ControlLogix PLC的add-on指令可定制统一标准模板的编程风格，实现程序的高可读性与扩展性。

上位机软件选择与PLC配套的Factory View SE，为了满足现场的生产需要，HMI软件必须满足多个相关人员的需求。软件内置数据库技术和多媒体技术，提供地图浏览、室外报警站管理、用户管理、分区管理和数据管理等功能。室外报警站显示在电子地图上，同时将室外报警站的动态和静态信息保存在数据库中，浏览地图时方便查看。社区报警设置有符合国家规范的“全呼”“群呼”“点呼”“组呼”等多种组合报警方式，报警控制中心可以远程关闭、开启任意一个、多个或全部室外报警站。整个系统采用规范、结构化的命名方式，使操作员通过室外报警站点的编号可快速知道站点的物理位置。

操作界面设计为层级方式，系统包含4个层级：一级，总览界面；二级，区域；三级，室外报警站；四级，变频器状态。通过层级可快速进入需要操控的界面，减少无效操作。层级结构如图1。

图1 层级结构Fig.1 Hierarchical structure

社区报警系统分区/分组灵活，可以根据需要把室外报警站分成若干个区，称为固定分区；软件提供动态分区功能，用户根据使用需要可以把相关的室外报警站加到一个自命名的用户分区内。其可以创建多个用户分区，每个用户分区可以自由增加或减少室外报警站数量。不需要时，可以取消用户分区。通过画面的电子地图回显功能可监控所有室外报警站报警器设备的工作状态，不同颜色显示具体状态。电子地图可以方便直观地查看室外报警站的状态信息。

2 室外报警站

室外报警站接收ANCC的报警命令，启动卧式电动警笛。通过GPRS、Motorola Tetra两种无线通讯方式实时反馈室外报警站点的信息给报警控制中心，并接收报警控制中心的指令启动报警器。柴油发电机、市电通过ATS双电源切换系统保证警笛启动时电源的可靠性。室外报警站主要包含CompactLogix PLC控制系统、网络及通讯设备、变频警笛驱动器、卧式电动警笛。

室外报警站采用CompactLogix 1769-L33ER可编程控制器作为处理核心。该系列控制器用于取代传统PLC和多回路控制器，是真正意义上的一体化控制系统。内置支持实时控制的100Mbps Ether Net/IP工业控制网络接口，同时实现多处理器/上位机联网以及分布式I/O控制。1769系列PLC最多可达30个模块，完全满足社区报警系统需求。室外报警站配置了Prosoft公司的通信卡件——MVI69EMBS，利用RS485 MVI69E-MBS模块的APP P1端口与柴油发电机的RS485通讯端口连接，通过Modbus的通讯协议可以在柴油发电机与CPU 1769-L33ER之间进行数据交换；MVI69E-MBS模块的APP P2端口与变频器的RS485通讯端口连接，通过Modbus的通讯协议可以在变频器与CPU 1769-L33ER间进行数据交换。为保证系统的可靠运行，发电机、变频器的启动和停止通过硬接线来控制。系统通过监测GPRS 4G、Motorola Tetra空开辅助触点的状态来判断相应的供电回路是否正常，在报警控制中心产生相应的报警以提醒操作员做出相应故障处理办法。

室外报警站有两种控制模式，本地控制模式和远程控制模式。这两种模式在ANCC画面上进行选择：当选择本地控制模式时，可以通过机柜内门上的3个按钮来启动警笛、停止警笛；当选择远程控制模式时，可以通过ANCC画面上的3个按钮来启动警笛、停止警笛。在机柜上的停止警笛按钮，不论是本地控制模式还是远程控制模式都有效。在极端情况下，如果冗余的GPRS 4G、Motorola Tetra通信网络都断开，室外报警站将不能由报警控制中心进行控制，此时室外报警站自动切换为本地控制模式，可由现场进行警笛的启动和停止。根据设计要求，室外报警站的警笛通过变频器进行驱动。通过选用ABB ACS510低压交流传动产品，可以方便安装、配置和使用，节省时间。该驱动器有普通用户和程序接口与总线。变频器的使用确保了报警区域的最大化，报警声音能够通知到需要撤离的区域。室外报警站通过以下功能模块来保证系统稳定、安全地运行：

1）室外报警站接收来自报警控制中心的报警指令，实现对警笛的触发和柴油发电机的启动。

2）室外报警站将本站的状态及报警信息通过冗余通信电路上传至报警控制中心。

3）现场启动、停止警笛（任何情况下现场停止警笛功能可用）。

4）室外报警站的控制系统通过RS485通讯接口可以和柴油发电机、变频器进行通讯，实时监测柴油发电机和变频器的状态信息，采用硬接线对柴油发电机、变频器进行启、停控制。

5）ATS电源自动切换开关确保主电源可用性。

6）PLC供电电池预报警功能。

7）多路PLC 24VDC电源电池充电。

8）通讯超时自动切换为本地模式，以便于本地启动警笛。

3 气体检测仪表

气体检测仪可检测硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等有毒气体和甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、氢气（H2）等可燃气体，广泛应用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃气、环境监测等多种场所现场检测，可以实现特殊场合测量需要，可对坑道、管道、罐体、密闭空间等进行气体浓度探测或泄漏探测。

气体检测仪从工作原理上可以分为3大类：①以电化学性质为主要工作原理的气体传感器：如隔膜离子电极式、定电位电解式、固定电解质式、迦伐尼电池式等；②以物理性质为主要工作原理的气体传感器：如红外吸收式、光干涉式、热传导式等；③以物理化学性质为主要工作原理的气体传感器：如半导体式（表面控制型、表面电位型、体积控制型）、固体热导式、催化燃烧式等。

控制中心操作员可以通过气体检测仪检测到的气体泄漏情况来决定是否激活区域内报警站点，也可以根据需要设置成检测到气体泄漏自动激活报警站点。

4 网络通讯

采用两种独立的通信方式构建企业专属VPN通讯网络，通过TCP/IP网络完成报警控制中心对室外报警站管理和控制。这两种网络是运营商提供的无线4G网络、Motorola TETRA集群网。根据室外报警站安装位置，采用冗余通信方式，提高系统的安全性。4G公网无线网络是最易实施的，除了在室外报警站点架设天线外，该方法不需要其他的户外设备设施，如敷设光缆等。现在IPsec VPN技术的成熟和数据传输费用日益降低，这些使得4G公网VPN 成为社区报警系统的第一选择。为长期运营考虑，利用现有气田的摩托罗拉TETRA运营费用更低。社区报警系统的网络结构图如图2。

室外报警站和报警控制中心站之间采用冗余的VPN通道，通过选用思科的C2900系列路由器为报警控制中心的网关路由器；选择英翰通的IR900系列为室外报警站的VPN路由器，支持运行环境温度-20℃～70℃，完全满足室外报警站地处山区的恶劣环境。室外报警站安装位置条件选用中国联通、中国电信两种GPRS 4G信号以保证数据传输的实时性，通过可配置的无线路由器配置成冗余链路，并通过VPN的方式进行通讯以确保加密安全的数据传输。该条链路承载AB控制器专有的MSG通讯实现现场室外报警站站点与报警控制中心通讯。在报警控制中心可配置远程连接室外报警站PLC，进行实时PLC程序监控，实现提前分析，解决室外报警站点故障。

TETRA是数字集群系统的公开标准，由于采用了数字技术TETRA可以在25KHz的带宽内提供4个通信信道，因而大大提高了频率的利用率。通过开发专有的消息处理软件及硬件设备，实现PLC工业数据传输协议MODBUS与Motorola TETRA网络传输协议的转换。该条链路以现有无线对讲机系统为基础，大大节约了硬件成本同时实现TETRA网络信号的全覆盖。气田当前建设的Motorola Dimetra系统提供了SDS服务，支持移动台之间互发短信以及计算机和移动台之间的短信（每条信息的最大长度为140个ASCII字符）。Dimetra系统的数据服务和基础网络使得社区报警系统远程数据传输成为可能，但是社区报警和Dimetra系统之间不能直接通讯。通过定制的数据传输设计的短信Agent能够实现双方接口的转换，解决系统互联问题。TETRA网络的接口定义如下：

由报警控制中心发送的基于MODBUS TCP标准协议的请求数据，被中心短信Agent接收后，通过协议转换，从机地址、功能码和数据部分被Dimetra系统发送到远端短信Agent，远端短信Agent通过基于RS232连接的MODBUS RTU的标准协议将数据发送到室外报警站。由于室外报警站点较多，传输数据量大，报警控制中心通过轮询的方式发送和接收室外报警站点的数据。

图3 TETRA网络的接口定义Fig.3 Interface definition of TETRA network

5 系统供电

室外报警站电源有3种：市电、柴油发电机供电及太阳能供电。电压等级主要分成380V交流电源、24V直流电源。

380 VAC 50Hz电源供电用于警笛驱动器、照明供电；380 VAC 50Hz的电源有两路，一路来自市电，一路来自柴油发电机，系统提供这两路电源的工业插座和插头；通过ATS双电源切换系统正常情况下由市电来供电，当市电失电时，系统自动切换到柴油发电机输出电源供电。工业级的ATS开关能够满足主电源-市电掉电的情况下，系统快速恢复供电。考虑到部分市电可能来自居民用电，电压可能存在不稳定的情况，可安装稳压器以实现稳压功能。

24VDC电源通过24VDC电池负责给PLC控制系统、交换机、路由器等设备提供电源，24VDC电池通过冗余的充电回路：一路来自市电的电池充电器，一路来自太阳能板。当电池充电器失电时，太阳能板给电池充电。通过PLC实时检测电池电压，当市电丢失或太阳能供电不足导致电池电压低于报警设定值时，及时提醒操作员并可手动、自动启动柴油发电机对电池进行充电，确保24VDC供电正常。