黃 愿，李 雁

（中石油西南油氣田公司 川東北作業(yè)分公司，四川 達(dá)州 635000）

0 引言

羅家寨氣田為高含硫氣田，地處山區(qū)，氣田生產(chǎn)設(shè)施周圍有大量居民。生產(chǎn)設(shè)施包含有2個(gè)井場、1個(gè)集氣站、1座天然氣凈化廠及輸送管道。當(dāng)含硫天然氣泄漏發(fā)生時(shí)，社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)可為居民及時(shí)提供危險(xiǎn)氣體泄漏聲音報(bào)警，使受影響的社區(qū)能安全疏散。設(shè)計(jì)主要考慮報(bào)警聲音的強(qiáng)度、覆蓋范圍、系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)主要由報(bào)警控制中心、室外報(bào)警站、氣體檢測(cè)儀表、通訊網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)供電5大部分組成，報(bào)警控制中心通過控制指令，完成對(duì)室外報(bào)警站設(shè)備的控制；通過控制面板或報(bào)警管理軟件控制室外報(bào)警站發(fā)布或中斷各種報(bào)警信號(hào)。本文就以社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)的構(gòu)成為基礎(chǔ)，詳細(xì)論述社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)在羅家寨氣田的應(yīng)用。

根據(jù)氣田區(qū)域特性，通過對(duì)地形和聲音傳播進(jìn)行建模。其分成20個(gè)報(bào)警區(qū)域，共計(jì)建設(shè)有40個(gè)室外報(bào)警站，分布于井場、集氣站、凈化廠內(nèi)及管道周圍600m的范圍內(nèi)。區(qū)域內(nèi)報(bào)警站點(diǎn)的激活，由控制中心操作員根據(jù)現(xiàn)場氣體檢測(cè)儀表檢測(cè)到的氣體泄漏情況來決定。社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

1）多個(gè)警報(bào)器網(wǎng)絡(luò)，為居住在管道附近的80%以上的人口提供符合中國和國際標(biāo)準(zhǔn)的聲級(jí)覆蓋。

2）通過位于報(bào)警控制中心的專用控制臺(tái)啟動(dòng)并配置備用控制臺(tái)。

3）通過GPRS 4G信號(hào)在兩個(gè)不同的蜂窩運(yùn)營商上提供的通信以及利用摩托羅拉TETRA無線網(wǎng)絡(luò)提供的第3條路徑通信架構(gòu)，在發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)能夠抵抗故障（眾所周知，在這些事件中，蜂窩服務(wù)是不可靠的）。

4）通過具有端到端確認(rèn)和確定性控制架構(gòu)的健壯和安全的PLC技術(shù)進(jìn)行控制，以消除假意或惡意警報(bào)的可能性。

5）支持從交流電源到發(fā)電機(jī)電源的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

6）提供廣泛的診斷和遠(yuǎn)程狀態(tài)可見性（即電池狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控）。

7）可集成到現(xiàn)有的火災(zāi)和氣體報(bào)警系統(tǒng)中（如需要）。

1 報(bào)警控制中心

報(bào)警控制中心作為整個(gè)社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)的核心，選用工業(yè)級(jí)PLC并提供可視化的人機(jī)界面讓操作員監(jiān)控整個(gè)社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)?？刂浦行闹饕?臺(tái)冗余服務(wù)器、工程師站、冗余的PLC控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，通過報(bào)警控制中心可及時(shí)發(fā)布和管理報(bào)警信息，通知?dú)馓锷a(chǎn)人員和周圍居民，以避免高含硫天然氣泄漏造成的各種危害。

報(bào)警控制中心采用冗余的AB ControlLogix可編程控制器ControlLogix L74作為處理核心，L74專為提高性能而設(shè)計(jì)?？刂破魉俣群吞幚砟芰νㄟ^高性能的過程控制和運(yùn)動(dòng)應(yīng)用，滿足工廠級(jí)應(yīng)用需求。通過控制器的可擴(kuò)展解決方案系統(tǒng)可尋址大批量的I/O點(diǎn)，通過背板監(jiān)測(cè)和控制I/O，如同通過網(wǎng)絡(luò)連接一樣。安裝相應(yīng)的通信模塊，ControlLogix控制器可提供多種通信方式采用高速以太網(wǎng)絡(luò)作為控制器與服務(wù)器、服務(wù)器與操作客戶端連接的網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS、Motorola TERA作為報(bào)警控制中心與室外報(bào)警站連接的網(wǎng)絡(luò)。報(bào)警控制中心的PLC系統(tǒng)包含4個(gè)控制機(jī)架，提供社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)的總體控制：機(jī)架1是冗余系統(tǒng)控制的主機(jī)架，機(jī)架2為冗余I/O PLC配置，機(jī)架3為數(shù)據(jù)通訊專用機(jī)架，機(jī)架4連接火災(zāi)和氣體系統(tǒng)。ControlLogix冗余系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)可用性，當(dāng)發(fā)生一系列如控制器故障的事件時(shí)，非冗余系統(tǒng)可能會(huì)因此而停止運(yùn)行，而冗余系統(tǒng)因?yàn)槭褂昧艘粚?duì)冗余機(jī)架，可以繼續(xù)保持系統(tǒng)運(yùn)行。采用AB ControlLogix PLC的add-on指令可定制統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)模板的編程風(fēng)格，實(shí)現(xiàn)程序的高可讀性與擴(kuò)展性。

上位機(jī)軟件選擇與PLC配套的Factory View SE，為了滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需要，HMI軟件必須滿足多個(gè)相關(guān)人員的需求。軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多媒體技術(shù)，提供地圖瀏覽、室外報(bào)警站管理、用戶管理、分區(qū)管理和數(shù)據(jù)管理等功能。室外報(bào)警站顯示在電子地圖上，同時(shí)將室外報(bào)警站的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息保存在數(shù)據(jù)庫中，瀏覽地圖時(shí)方便查看。社區(qū)報(bào)警設(shè)置有符合國家規(guī)范的“全呼”“群呼”“點(diǎn)呼”“組呼”等多種組合報(bào)警方式，報(bào)警控制中心可以遠(yuǎn)程關(guān)閉、開啟任意一個(gè)、多個(gè)或全部室外報(bào)警站。整個(gè)系統(tǒng)采用規(guī)范、結(jié)構(gòu)化的命名方式，使操作員通過室外報(bào)警站點(diǎn)的編號(hào)可快速知道站點(diǎn)的物理位置。

操作界面設(shè)計(jì)為層級(jí)方式，系統(tǒng)包含4個(gè)層級(jí)：一級(jí)，總覽界面；二級(jí)，區(qū)域；三級(jí)，室外報(bào)警站；四級(jí)，變頻器狀態(tài)。通過層級(jí)可快速進(jìn)入需要操控的界面，減少無效操作。層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 層級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure

社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)分區(qū)/分組靈活，可以根據(jù)需要把室外報(bào)警站分成若干個(gè)區(qū)，稱為固定分區(qū)；軟件提供動(dòng)態(tài)分區(qū)功能，用戶根據(jù)使用需要可以把相關(guān)的室外報(bào)警站加到一個(gè)自命名的用戶分區(qū)內(nèi)。其可以創(chuàng)建多個(gè)用戶分區(qū)，每個(gè)用戶分區(qū)可以自由增加或減少室外報(bào)警站數(shù)量。不需要時(shí)，可以取消用戶分區(qū)。通過畫面的電子地圖回顯功能可監(jiān)控所有室外報(bào)警站報(bào)警器設(shè)備的工作狀態(tài)，不同顏色顯示具體狀態(tài)。電子地圖可以方便直觀地查看室外報(bào)警站的狀態(tài)信息。

2 室外報(bào)警站

室外報(bào)警站接收ANCC的報(bào)警命令，啟動(dòng)臥式電動(dòng)警笛。通過GPRS、Motorola Tetra兩種無線通訊方式實(shí)時(shí)反饋室外報(bào)警站點(diǎn)的信息給報(bào)警控制中心，并接收?qǐng)?bào)警控制中心的指令啟動(dòng)報(bào)警器。柴油發(fā)電機(jī)、市電通過ATS雙電源切換系統(tǒng)保證警笛啟動(dòng)時(shí)電源的可靠性。室外報(bào)警站主要包含CompactLogix PLC控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及通訊設(shè)備、變頻警笛驅(qū)動(dòng)器、臥式電動(dòng)警笛。

室外報(bào)警站采用CompactLogix 1769-L33ER可編程控制器作為處理核心。該系列控制器用于取代傳統(tǒng)PLC和多回路控制器，是真正意義上的一體化控制系統(tǒng)。內(nèi)置支持實(shí)時(shí)控制的100Mbps Ether Net/IP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多處理器/上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)以及分布式I/O控制。1769系列PLC最多可達(dá)30個(gè)模塊，完全滿足社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)需求。室外報(bào)警站配置了Prosoft公司的通信卡件——MVI69EMBS，利用RS485 MVI69E-MBS模塊的APP P1端口與柴油發(fā)電機(jī)的RS485通訊端口連接，通過Modbus的通訊協(xié)議可以在柴油發(fā)電機(jī)與CPU 1769-L33ER之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；MVI69E-MBS模塊的APP P2端口與變頻器的RS485通訊端口連接，通過Modbus的通訊協(xié)議可以在變頻器與CPU 1769-L33ER間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，發(fā)電機(jī)、變頻器的啟動(dòng)和停止通過硬接線來控制。系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)GPRS 4G、Motorola Tetra空開輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)來判斷相應(yīng)的供電回路是否正常，在報(bào)警控制中心產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警以提醒操作員做出相應(yīng)故障處理辦法。

室外報(bào)警站有兩種控制模式，本地控制模式和遠(yuǎn)程控制模式。這兩種模式在ANCC畫面上進(jìn)行選擇：當(dāng)選擇本地控制模式時(shí)，可以通過機(jī)柜內(nèi)門上的3個(gè)按鈕來啟動(dòng)警笛、停止警笛；當(dāng)選擇遠(yuǎn)程控制模式時(shí)，可以通過ANCC畫面上的3個(gè)按鈕來啟動(dòng)警笛、停止警笛。在機(jī)柜上的停止警笛按鈕，不論是本地控制模式還是遠(yuǎn)程控制模式都有效。在極端情況下，如果冗余的GPRS 4G、Motorola Tetra通信網(wǎng)絡(luò)都斷開，室外報(bào)警站將不能由報(bào)警控制中心進(jìn)行控制，此時(shí)室外報(bào)警站自動(dòng)切換為本地控制模式，可由現(xiàn)場進(jìn)行警笛的啟動(dòng)和停止。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，室外報(bào)警站的警笛通過變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過選用ABB ACS510低壓交流傳動(dòng)產(chǎn)品，可以方便安裝、配置和使用，節(jié)省時(shí)間。該驅(qū)動(dòng)器有普通用戶和程序接口與總線。變頻器的使用確保了報(bào)警區(qū)域的最大化，報(bào)警聲音能夠通知到需要撤離的區(qū)域。室外報(bào)警站通過以下功能模塊來保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全地運(yùn)行：

1）室外報(bào)警站接收來自報(bào)警控制中心的報(bào)警指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)警笛的觸發(fā)和柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)。

2）室外報(bào)警站將本站的狀態(tài)及報(bào)警信息通過冗余通信電路上傳至報(bào)警控制中心。

3）現(xiàn)場啟動(dòng)、停止警笛（任何情況下現(xiàn)場停止警笛功能可用）。

4）室外報(bào)警站的控制系統(tǒng)通過RS485通訊接口可以和柴油發(fā)電機(jī)、變頻器進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柴油發(fā)電機(jī)和變頻器的狀態(tài)信息，采用硬接線對(duì)柴油發(fā)電機(jī)、變頻器進(jìn)行啟、?？刂啤?/p>

5）ATS電源自動(dòng)切換開關(guān)確保主電源可用性。

6）PLC供電電池預(yù)報(bào)警功能。

7）多路PLC 24VDC電源電池充電。

8）通訊超時(shí)自動(dòng)切換為本地模式，以便于本地啟動(dòng)警笛。

3 氣體檢測(cè)儀表

氣體檢測(cè)儀可檢測(cè)硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）等有毒氣體和甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、氫氣（H2）等可燃?xì)怏w，廣泛應(yīng)用在石化、煤炭、冶金、化工、市政燃?xì)?、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種場所現(xiàn)場檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)特殊場合測(cè)量需要，可對(duì)坑道、管道、罐體、密閉空間等進(jìn)行氣體濃度探測(cè)或泄漏探測(cè)。

氣體檢測(cè)儀從工作原理上可以分為3大類：①以電化學(xué)性質(zhì)為主要工作原理的氣體傳感器：如隔膜離子電極式、定電位電解式、固定電解質(zhì)式、迦伐尼電池式等；②以物理性質(zhì)為主要工作原理的氣體傳感器：如紅外吸收式、光干涉式、熱傳導(dǎo)式等；③以物理化學(xué)性質(zhì)為主要工作原理的氣體傳感器：如半導(dǎo)體式（表面控制型、表面電位型、體積控制型）、固體熱導(dǎo)式、催化燃燒式等。

控制中心操作員可以通過氣體檢測(cè)儀檢測(cè)到的氣體泄漏情況來決定是否激活區(qū)域內(nèi)報(bào)警站點(diǎn)，也可以根據(jù)需要設(shè)置成檢測(cè)到氣體泄漏自動(dòng)激活報(bào)警站點(diǎn)。

4 網(wǎng)絡(luò)通訊

采用兩種獨(dú)立的通信方式構(gòu)建企業(yè)專屬VPN通訊網(wǎng)絡(luò)，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)完成報(bào)警控制中心對(duì)室外報(bào)警站管理和控制。這兩種網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)營商提供的無線4G網(wǎng)絡(luò)、Motorola TETRA集群網(wǎng)。根據(jù)室外報(bào)警站安裝位置，采用冗余通信方式，提高系統(tǒng)的安全性。4G公網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)是最易實(shí)施的，除了在室外報(bào)警站點(diǎn)架設(shè)天線外，該方法不需要其他的戶外設(shè)備設(shè)施，如敷設(shè)光纜等?，F(xiàn)在IPsec VPN技術(shù)的成熟和數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用日益降低，這些使得4G公網(wǎng)VPN 成為社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)的第一選擇。為長期運(yùn)營考慮，利用現(xiàn)有氣田的摩托羅拉TETRA運(yùn)營費(fèi)用更低。社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

室外報(bào)警站和報(bào)警控制中心站之間采用冗余的VPN通道，通過選用思科的C2900系列路由器為報(bào)警控制中心的網(wǎng)關(guān)路由器；選擇英翰通的IR900系列為室外報(bào)警站的VPN路由器，支持運(yùn)行環(huán)境溫度-20℃～70℃，完全滿足室外報(bào)警站地處山區(qū)的惡劣環(huán)境。室外報(bào)警站安裝位置條件選用中國聯(lián)通、中國電信兩種GPRS 4G信號(hào)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，通過可配置的無線路由器配置成冗余鏈路，并通過VPN的方式進(jìn)行通訊以確保加密安全的數(shù)據(jù)傳輸。該條鏈路承載AB控制器專有的MSG通訊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場室外報(bào)警站站點(diǎn)與報(bào)警控制中心通訊。在報(bào)警控制中心可配置遠(yuǎn)程連接室外報(bào)警站PLC，進(jìn)行實(shí)時(shí)PLC程序監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)提前分析，解決室外報(bào)警站點(diǎn)故障。

TETRA是數(shù)字集群系統(tǒng)的公開標(biāo)準(zhǔn)，由于采用了數(shù)字技術(shù)TETRA可以在25KHz的帶寬內(nèi)提供4個(gè)通信信道，因而大大提高了頻率的利用率。通過開發(fā)專有的消息處理軟件及硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PLC工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議MODBUS與Motorola TETRA網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。該條鏈路以現(xiàn)有無線對(duì)講機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，大大節(jié)約了硬件成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)TETRA網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的全覆蓋。氣田當(dāng)前建設(shè)的Motorola Dimetra系統(tǒng)提供了SDS服務(wù)，支持移動(dòng)臺(tái)之間互發(fā)短信以及計(jì)算機(jī)和移動(dòng)臺(tái)之間的短信（每條信息的最大長度為140個(gè)ASCII字符）。Dimetra系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)使得社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸成為可能，但是社區(qū)報(bào)警和Dimetra系統(tǒng)之間不能直接通訊。通過定制的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的短信Agent能夠?qū)崿F(xiàn)雙方接口的轉(zhuǎn)換，解決系統(tǒng)互聯(lián)問題。TETRA網(wǎng)絡(luò)的接口定義如下：

由報(bào)警控制中心發(fā)送的基于MODBUS TCP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，被中心短信Agent接收后，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，從機(jī)地址、功能碼和數(shù)據(jù)部分被Dimetra系統(tǒng)發(fā)送到遠(yuǎn)端短信Agent，遠(yuǎn)端短信Agent通過基于RS232連接的MODBUS RTU的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到室外報(bào)警站。由于室外報(bào)警站點(diǎn)較多，傳輸數(shù)據(jù)量大，報(bào)警控制中心通過輪詢的方式發(fā)送和接收室外報(bào)警站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖3 TETRA網(wǎng)絡(luò)的接口定義Fig.3 Interface definition of TETRA network

5 系統(tǒng)供電

室外報(bào)警站電源有3種：市電、柴油發(fā)電機(jī)供電及太陽能供電。電壓等級(jí)主要分成380V交流電源、24V直流電源。

380 VAC 50Hz電源供電用于警笛驅(qū)動(dòng)器、照明供電；380 VAC 50Hz的電源有兩路，一路來自市電，一路來自柴油發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)提供這兩路電源的工業(yè)插座和插頭；通過ATS雙電源切換系統(tǒng)正常情況下由市電來供電，當(dāng)市電失電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到柴油發(fā)電機(jī)輸出電源供電。工業(yè)級(jí)的ATS開關(guān)能夠滿足主電源-市電掉電的情況下，系統(tǒng)快速恢復(fù)供電?？紤]到部分市電可能來自居民用電，電壓可能存在不穩(wěn)定的情況，可安裝穩(wěn)壓器以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

24VDC電源通過24VDC電池負(fù)責(zé)給PLC控制系統(tǒng)、交換機(jī)、路由器等設(shè)備提供電源，24VDC電池通過冗余的充電回路：一路來自市電的電池充電器，一路來自太陽能板。當(dāng)電池充電器失電時(shí)，太陽能板給電池充電。通過PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電壓，當(dāng)市電丟失或太陽能供電不足導(dǎo)致電池電壓低于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，及時(shí)提醒操作員并可手動(dòng)、自動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)對(duì)電池進(jìn)行充電，確保24VDC供電正常。

6 結(jié)語

基于PLC的社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)為氣田的安全生產(chǎn)提供了有力的保障，自投用以來系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作性好，自動(dòng)化集成度高。PLC系統(tǒng)的易擴(kuò)展特性滿足氣田采氣井站的建設(shè)，與傳統(tǒng)的通過廣播、短消息等實(shí)現(xiàn)社區(qū)報(bào)警系統(tǒng)相比，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，易操作。運(yùn)行結(jié)果表明，該套系統(tǒng)可以在其他油氣田推廣，應(yīng)用前景廣闊。