基于以太网的压气站照明系统智能化改造

张演义，成建民，刘刚，唱君成，安永明，付强，孙达，马彦会，薛焱辉，王明东

基于以太网的压气站照明系统智能化改造

张演义，成建民，刘刚，唱君成，安永明，付强，孙达，马彦会，薛焱辉，王明东

(中石油北京天然气管道有限公司 榆林压气站，陕西 榆林 719000)

针对传统压气站照明系统分布范围广、控制方式复杂等问题，通过智能化改造实现整个压气站照明系统的智能控制。结合站控系统已有的工业以太网(Ethernet)架构，设计了基于工业Ethernet结构的计算机监控系统，系统由远程监控终端(RTU)、TCP/IP光电转换器、RS-485及其TCP/IP光电转换器、客户交换机和上位计算机组成。上位计算机根据所在场所的经纬度及日期判断天黑及天亮时间，每天均可实现对照明系统的定时开关。实施效果表明： 该改造方案具有智能化程度高、抗干扰能力强及性价比高等优点，对传统场站照明控制系统的改造有较强的借鉴意义。

压气站 以太网 照明系统 智能化

榆林压气站是陕京输气管道的首站，站场分布面积大，照明范围广，照明系统涉及1，2，3线及4个压缩机房的228个照明灯和室外14个高杆上的126个照明灯。整个照明系统统一使用250W的大功率灯泡，总功率合计88.5 kW。照明控制部分采用传统的手动控制，部分采用定时器分区域集中控制。传统的手动控制完全依靠人工进行开关操作，自动化程度低、人工操作工作量大、无故障识别能力。定时器分区域集中控制是在每个压缩机房加装1～2个定时器，每2～3个高杆灯加装1个定时器，虽具备定时开启的功能，但实际控制效果存在以下缺点：

1) 由于季节变换，昼夜时长不断变更，需要人为及时调整定时器的开关时间，如果调整不及时，不能及时开启时，会造成机房和站场照度不够，不利于巡检和摄像机的安防功能；不能及时关闭时，会造成电能资源的浪费。

2) 当因天气不正常光线强度不足时，需要人工切换定时器控制方式为手动开启照明，如果在天气正常时不能及时调整定时器的控制方式为自动状态时，会造成电能资源的浪费。

3) 如果现场有作业，需要更高照明度时，由于定时器控制照明开关，现场各支路照明开关失灵，需要电气工作人员到配电室切换定时器控制方式为手动开启照明，但有可能开启无现场作业区域的照明灯，从而造成电能资源的浪费。

本文以智能化和节能降耗为目标，利用站控系统现有的工业以太网(Ethernet)物理架构，对压缩机房和站场照明系统的控制方式进行改造，实现对整个压气站照明系统的供电和运行状态的实时监控，并利用计算机智能决策能力，通过编程自动识别季节，实时自动控制照明灯的开启和关闭，达到节约电能、减少工作人员的工作量、提高工作效率的目的，同时也将进一步提高照明灯的使用寿命，降低工作人员高空更换灯泡的劳动频次。

1 系统硬件结构设计

榆林压气站由于扩建和管理的需要有2个中心控制室(以下简称中控室)，旧中控室为传统的数据采集与监视控制(SCADA)结构实现对生产过程的数据采集和监视控制，新中控室采用Internet技术实现原SCADA系统与其他系统的集成，新、旧中控室之间通过TCP/IPs协议进行数据通信。

为实现性价比最大化和改造工程量的最小化，该次改造方案以现有的以太网结构为依托，整个智能照明系统由远程监控终端(PLC)、TCP/IP光电转换器、RS-485总线控制器、客户交换机和上位计算机组成。其硬件结构如图1所示，整个系统可视为一个基本结构为2层的总线型网络。

图1 榆林压气站照明控制系统结构示意

榆林压气站照明控制配电柜分布很广，为充分利用现有光纤备用通道，图1中采用了多种通信方式，其中1线配电室安装RS-485总线控制器，使用RS-485通信电缆与旧中控室的PLC进行通信；2，3线配电室利用已有的备用光纤通道；宿舍楼配电室通过无线数传模块，与原中控室的PLC进行通信。旧中控室到新控制室之间留有备用光纤，通过该备用光纤实现与新控制室的上位机进行通信。

2 系统软件设计

2.1 软件功能设计

监控软件以控制和实时监测现场设备各参数为中心，具有功能完善、操作简便、可视性好的特点，下面介绍具体功能。

2.1.1 照明系统运行状态的检测与显示

位于新中控室的上位机为管理层，可实时采集、显示各配电室和高杆灯的运行状态，集中显示于监控界面，便于对工作状态的查看，并通过时间数据处理，向现场控制终端PLC发布控制指令。

2.1.2 功能控制

控制方式分为手动控制和自动控制两种。手动控制即工作人员在配电室手动操作设备。自动控制指在系统运行模式为自动模式下，由PLC针对不同运行状态和需求对照明系统工作状态进行自动控制管理。

2.1.3 安全功能

该系统提供多种操作模式以及远程监控功能，为了避免在此过程中带来的现场操作的任意性和无序性，防止因误操作干扰系统的正常运行或导致系统瘫痪，造成不必要的损失，必须设置系统的安全功能。

1) 用户权限设置。为了防止人为误操作的发生，上位机软件设计了对用户的级别和权限的限制，严格规定各类操作权限，使不具备操作资格的人员无法进行操作。

2) 优先级设置。对于手动操作与自动运行两种操作模式按照上述顺序进行优先级设置，避免两种操作模式混合运行。

2.2 PLC程序设计

PLC程序在STEP 7 MICRO-WIN操作平台上采用梯形图进行开发，首先进行高杆灯控制功能的划分，将现场PLC的控制分为3个功能块，即开关控制、通信和状态识别。程序编写采用模块化设计，增强了程序的可读性，便于维护。PLC控制程序较简单，主要功能包括上位机通信、运行方式判断、照明配电室接触器的控制。PLC与上位机通信是PLC程序设计的核心，在STEP7的界面中设置以太网模块CP243-1的IP地址，并通过CPU的MPI接口将IP地址下载到CPU中[1-2]。具体设计流程如图2所示。

图2 PLC与上位机通信流程示意

2.3 上位机监控程序设计

上位机位于新中控室，上位机监控软件采用西门子公司的WINCC 7.0，用以实现人机交互、图形界面设计以及与终端PLC的通信。具体包括以下几方面内容： 人机界面设计、时间数据处理模块、以太网通信接口模块、控制模块。

1) 人机交互界面。将窗体、命令按钮、文本框、选择框等对象按照用户的需要有机地组合在一起，通过和底层PLC通信，访问相关设备来获得各配电室和高杆灯的运行情况，并通过指示灯的形式显示出来。

2) 时间数据处理模块。实时读取PLC系统时间、时钟信息，并将时间数据进行分季节处理。

3) 以太网通信接口模块。实现与各PLC站点的通信，接收PLC传来的开关运行状态、向PLC发送控制指令。上位机与PLC通信结构如图3所示[3-4]。

a) 通过以太网，上位机向各PLC站点发送开关控制指令。

b) PC上位机与PLC的通信方式采用Modbus TCP/IP方式，可与不同厂商设备兼容，能实现远程访问、远程诊断，网络速度快，实时性强，系统安全性高，成本低等特点。

c) 在WINCC 7.0中添加驱动程序并进行配置，使通信设置与设备相匹配，无需编写复杂的通信程序，只需设置各设备的IP、子网掩码和网关。

图3 上位机与PLC通信结构示意

3 结 论

该项目已在榆林压气站运行近1 a，实现了从控制室对每个远控开关的手动或自动控制，并在开关状态非正常开启时，具有提醒的功能。改造后整个系统达到了如下效果：

1) 手动控制方式。可对高杆灯进行总控、组控和单独控制，手动控制方式分为远程控制和本地控制。

2) 自动控制方式。控制策略是在黄昏和凌晨按照时间优先的原则，通过中控室的上位机计算出时间对所有高杆灯进行控制。控制优先权遵循： 本地手动优于远程手动优于自动，保证了系统正常可靠运行和维护检修的安全。

3) 系统监视和控制功能。中控室的上位计算机能立即显示照明的完整构形，并标注所有的运行信息，显示画面可以是压气站的模拟效果图，也可以是系统信息表。在分类显示信息时，除一般的监视信息外，还可包括各设备的参数信息。

通过改造，榆林压气站的站场照明实现了按需开启和关闭，有利于设备巡检，节约了大量更换照明灯具和调整定时器的工作量。同时，榆林压气站站场及压缩机房照明总功率共计98 kW，如果1 a中有150 d提前开灯0.5 h，电费按0.5元/度计算，则1 a可节约电费7 350元，达到了降低人工工作量、减少电能浪费以及节约照明灯具消耗的作用，对传统场站照明控制系统的改造具有较强的借鉴意义。

[1] 崔坚．西门子工业网络通信指南[M]．北京： 机械工业出版社，2005： 110-132．

[2] 马丁．西门子PLC应用程序设计[M]．北京： 电子工业出版社，2008： 141-154．

[3] 胡惠玉．基于工业以太网实现上位机对远程PLC的监控[J]．长春工程学院学报(自然科学版)，2011，12(02)： 113-116．

[4] 吕华芳，杨汉波，丛振涛，等．基于PLC控制的室内降雨入渗自动测定系统[J]．农业机械学报，2014，45(09)： 144-149．

Intellectualized Reconstruction of Ethernet Based Lighting System in Gas Compressor Station

Zhang Yanyi， Cheng Jianmin， Liu Gang， Chang Juncheng， An Yongming， Fu Qiang， Sun Da， Ma Yanhui， Xue Yanhui， Wang Mingdong

(Yulin Gas Compressor Station， PetroChina Beijing Natural Gas Pipeline Co. Ltd.，Yulin， 719000， China)

s: Aiming at problems of wide range distribution， complex control mode and so on for traditional pressure station lighting system， intelligent control for whole pressure station lighting system is realized through intellectualized reconstruction. Combined with existing industrial Ethernet station control system architecture， computer monitoring and controlling system based on industrial Ethernet structure is designed. The system is composed of remote terminal unit(RTU)， TCP/IP photo-electric converter， RS-485 Bus and TCP/IP converter， client interchanger and host computer. The time of getting dark and daybreak is judged according to local latitude， longitude and date of the spot to achieve timing switch function of lighting system every day. The results show the scheme has advantages of high intelligence， strong anti-jamming capability and cost performance. It is of strong reference for upgrading lighting control system in traditional station.

gas compressor station; ethernet; lighting system; intelligent

张演义(1978—)，男， 2001年毕业于承德石油高等专科学校电气自动化专业，大专学历，现工作于中石油北京天然气管道有限公司榆林压气站，从事压气站自动控制原理与技术的研究工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2017)02-0031-03

稿件收到日期： 2016-10-19，修改稿收到日期： 2016-12-20。