海上風(fēng)電平臺(tái)暖通監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

程鯤鵬，吉承成，戴林

（江蘇遠(yuǎn)望儀器集團(tuán)有限公司江蘇泰州225300）

由于全球能源需求不斷增加，能源效率要求嚴(yán)苛的碳減排，以及支持可再生能源部署的政府激勵(lì)，因此全球市場(chǎng)正見(jiàn)證可再生能源顯著增長(zhǎng)。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets發(fā)布的報(bào)告，2017年，全球海上風(fēng)電市場(chǎng)約270.2億美元，預(yù)計(jì)到2022年增長(zhǎng)到551.1億美元，期間復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)15.32%[1-2]。

海上風(fēng)電平臺(tái)大多情況都是無(wú)人值守[3]，為了保證平臺(tái)上設(shè)備正常運(yùn)行，室內(nèi)溫度，以及室內(nèi)外壓差、濕度需要在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)的暖通監(jiān)控系統(tǒng)，采用了冗余架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、PLC可編程技術(shù)以及HMI技術(shù)，可在陸基和平臺(tái)實(shí)現(xiàn)海上無(wú)人平臺(tái)的暖通設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本暖通監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。主要由陸上集控中心的PC機(jī)、風(fēng)電平臺(tái)上的HP商用計(jì)算機(jī)、西門(mén)子工業(yè)用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、300系列PLC控制器[4]、1200系列PLC控制模塊及工業(yè)空調(diào)、溫濕度傳感器、壓差傳感器、除濕機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)、事故風(fēng)機(jī)以及氫氣濃度傳感器等組成。

平臺(tái)用戶(hù)可通過(guò)平臺(tái)PC機(jī)的人機(jī)界面查看各房間的溫濕度、壓差數(shù)值及風(fēng)閥、空調(diào)、除濕機(jī)等狀態(tài)?？墒謩?dòng)控制相關(guān)設(shè)備的啟停，亦可根據(jù)預(yù)期的聯(lián)鎖條件，系統(tǒng)自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備的啟停。設(shè)置了超限報(bào)警和故障報(bào)警功能，并可以查看和打印歷史報(bào)警記錄。系統(tǒng)通過(guò)300系列PLC實(shí)現(xiàn)軟冗余[5]，如若都出現(xiàn)故障，可以直接通過(guò)1200系列PLC實(shí)現(xiàn)就地控制，最大限度提升系統(tǒng)的可靠性[6-8]。HMI界面程序自主開(kāi)發(fā)，將所有可讀可寫(xiě)的變量地址通過(guò)modbus tcp協(xié)議預(yù)留給陸上集控中心，陸上集控中心可以通過(guò)modbus地址對(duì)平臺(tái)上的PC機(jī)進(jìn)行查詢(xún)和控制，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的[9-10]。

圖1 系統(tǒng)基本組成

2 通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通信方式共有3種：S7TCP、MODBUS_TCP、MODBUS_RTU。通信設(shè)計(jì)如圖2所示。為了保證通信穩(wěn)定性以及快速性，陸基控制端與平臺(tái)控制端采用基于TCP的MODBUS_TCP通訊協(xié)議，PC機(jī)與西門(mén)子PLC之間通過(guò)西門(mén)子工業(yè)用交換機(jī)，采用基于以太網(wǎng)的S7TCP協(xié)議[11-12]。S7TCP協(xié)議只需要普通網(wǎng)卡即可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與西門(mén)子PLC通訊，不需要安裝任何西門(mén)子提供的軟件，如SIMATIC NET、STEP7等。由于除濕機(jī)的工作特性，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其工作頻率進(jìn)行設(shè)置，由于參數(shù)較少，暖通機(jī)房?jī)?nèi)的PLC與除濕機(jī)PLC通過(guò)RS485總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)MODBUS_RTU協(xié)議通訊[13]，此通訊方式不需要再增加通訊模塊，且只需要兩根普通的屏蔽線(xiàn)即可。

圖2 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

暖通監(jiān)控系統(tǒng)界面主要由主界面、房間界面，參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史趨勢(shì)圖等組成。主界面以總覽的方式顯示各個(gè)房間的室內(nèi)溫度、濕度以及室內(nèi)外壓差，以及部分房間的室外溫濕度、氫氣濃度。用戶(hù)通過(guò)此界面可以得知室內(nèi)環(huán)境狀況，從而得知房間內(nèi)設(shè)備是否正常運(yùn)行。主界面中通過(guò)按鈕進(jìn)入各個(gè)房間模塊，實(shí)時(shí)報(bào)警以及歷史報(bào)警界面。房間界面中可以看到各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。每個(gè)房間都設(shè)有參數(shù)設(shè)置按鈕，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置面需要權(quán)限確認(rèn)，只有特定用戶(hù)才具有修改參數(shù)的權(quán)限，進(jìn)一步保證設(shè)備的安全運(yùn)行。用戶(hù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)報(bào)警查詢(xún)近階段內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障或者報(bào)警，也可以通過(guò)歷史報(bào)警查詢(xún)特定時(shí)間段內(nèi)的報(bào)警，值得注意的是，歷史報(bào)警存放于SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)中，容量大，讀取速度快。每個(gè)房間都設(shè)有實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖入口，可以選擇溫度，濕度，室內(nèi)外壓差以及氫氣濃度作為參數(shù)，圖形界面中每隔5 s根據(jù)當(dāng)前參數(shù)值繪制曲線(xiàn)[14]。歷史趨勢(shì)圖可追溯時(shí)間為半年，用戶(hù)可選擇單個(gè)或者多個(gè)變量[15]。上位機(jī)部分界面如圖3，圖4，圖5，圖6所示。界面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況用簡(jiǎn)易圖形所繪制，以便用戶(hù)能夠有直觀的認(rèn)知。

3.2 程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，以空調(diào)以及電動(dòng)風(fēng)閥為例。圖5中，主備空調(diào)在手動(dòng)狀態(tài)下，可以單獨(dú)設(shè)置，系統(tǒng)中空調(diào)存在3種模式：通風(fēng)、制冷、制熱，用戶(hù)欲改變空調(diào)狀態(tài)，需先將空調(diào)切換至遠(yuǎn)方狀態(tài)，然后方可選擇對(duì)應(yīng)的模式，制冷制熱模式下，為保護(hù)空調(diào)模塊，系統(tǒng)會(huì)判斷當(dāng)前環(huán)境溫度是否達(dá)到開(kāi)啟制冷或者制熱條件，當(dāng)成功開(kāi)啟某種模式，上位機(jī)會(huì)有提示；自動(dòng)狀態(tài)下，上位機(jī)會(huì)強(qiáng)制兩臺(tái)空調(diào)模式為一致，此種強(qiáng)制是為了保證主備空調(diào)輪換時(shí)，空調(diào)模式處于一致?tīng)顟B(tài)，部分程序如下：

電動(dòng)風(fēng)閥控制程序較為簡(jiǎn)單，部分程序如下：

上述程序?yàn)閂B腳本所寫(xiě)。

圖3 主界面

4 下位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 空調(diào)模塊

空調(diào)模塊是暖通系統(tǒng)中最重要且控制邏輯相對(duì)較為復(fù)雜的功能模塊，空調(diào)的工作模式分為通風(fēng)、制冷、制熱3種模式。每個(gè)房間中設(shè)有兩個(gè)空調(diào)，一主一備，正常情況下，根據(jù)設(shè)置的輪換間隔時(shí)間輪換運(yùn)行，分手動(dòng)和自動(dòng)兩種狀態(tài)，手動(dòng)狀態(tài)下較為簡(jiǎn)單，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令，相應(yīng)的以何種模式運(yùn)行，自動(dòng)狀態(tài)控制邏輯如圖7所示。

4.2 微正壓模塊

微正壓[4]表示室內(nèi)外壓差維持在個(gè)0～100 pa之內(nèi)，此模塊功能，涉及到壓差傳感器與泄壓電動(dòng)風(fēng)閥，工作原理為當(dāng)室內(nèi)外壓差大于80 pa時(shí)，開(kāi)啟泄壓閥，泄壓閥開(kāi)啟之后，壓差值會(huì)下降，當(dāng)下降到20 pa時(shí)，關(guān)閉泄壓閥，壓差上下限值用戶(hù)可自行設(shè)置，但需保證在傳感器范圍之內(nèi)。

圖4 實(shí)時(shí)報(bào)警

圖5 房間界面

4.3 應(yīng)急事故風(fēng)機(jī)模塊

應(yīng)急事故風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)也分為手動(dòng)和自動(dòng)，默認(rèn)狀態(tài)為自動(dòng)，應(yīng)急事故風(fēng)機(jī)開(kāi)啟條件分為3種：1）當(dāng)室內(nèi)氫氣濃度超過(guò)10%，2）主備空調(diào)均發(fā)生故障，3）六氟化硫氣體泄露。

4.4 除濕機(jī)模塊

除濕機(jī)與空調(diào)相似，也設(shè)有主備，其工作模式分為通風(fēng)和除濕兩種。微正壓系統(tǒng)中的正壓力是由除濕機(jī)的通風(fēng)模式提供的，除濕機(jī)將外部空調(diào)抽至房間內(nèi)，然后系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)外壓差進(jìn)行動(dòng)作，手動(dòng)狀態(tài)根據(jù)上位機(jī)命令指示。自動(dòng)狀態(tài)控制邏輯如圖8所示。

下位機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有2點(diǎn)：1）各個(gè)模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，2）系統(tǒng)的冗余，包括PLC的冗余和空調(diào)、除濕機(jī)的冗余。

圖6 實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖

圖7 主備空調(diào)控制邏輯

5 結(jié) 論

近些年，國(guó)家在大力建造海上風(fēng)電場(chǎng)，但由于起步較晚，與風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家相比，風(fēng)電場(chǎng)暖通監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)仍處于邊探索邊研發(fā)階段。雖然，采用上述架構(gòu)的系統(tǒng)已經(jīng)有成熟的案例，在海上平臺(tái)運(yùn)行一年多來(lái)，客戶(hù)反映良好穩(wěn)定，風(fēng)電場(chǎng)也已投入正常使用，對(duì)于風(fēng)電技術(shù)及發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。但是參照國(guó)外同行而言，在架構(gòu)和邏輯上還是有改進(jìn)研究的空間。比如，可以采用SCADA系統(tǒng)，人機(jī)界面可以更加人性化，維持正壓系統(tǒng)可以采用PID調(diào)節(jié)等。后續(xù)，將會(huì)對(duì)這些不足之處改進(jìn)，力求在海上風(fēng)電平臺(tái)暖通監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)上邁入領(lǐng)先水平[16-17]。

圖8 除濕機(jī)控制邏輯