黃軍，黃相迪

(1. 成都華氣厚普機(jī)電設(shè)備股份有限公司，四川 成都 610000；2. 西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

近年來，霧霾天氣的影響越來越嚴(yán)重，中國治理大氣污染的力度也不斷加強(qiáng)。除了研究新型的能源節(jié)約技術(shù)[1]，采用創(chuàng)新型的碳排放管理方式[2]，減少汽車尾氣排放也是一種重要的措施。由于天然氣不是絕對的環(huán)保燃料，在使用過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，造成溫室效應(yīng)，此外“煤改氣”造成了天然氣價格暴漲，致使其經(jīng)濟(jì)性變差。因此，近年來世界各國都致力于尋找一種既屬于環(huán)保燃料，又容易獲取的天然氣替代物，即氫能。

氫氣與氧氣反應(yīng)釋放能源的同時生成水，因此汽車?yán)脷淠芫褪钦嬲奈廴玖闩欧拧Ｖ袊壳耙寻讶剂想姵仄嚨南到y(tǒng)開發(fā)作為“863”計劃項目，但在該系統(tǒng)的研發(fā)中，通常都把精力放在汽車的改造上，忽略了加氫裝置的基礎(chǔ)設(shè)施研究及控制系統(tǒng)開發(fā)。加氫站裝置需要通過改進(jìn)工藝流程、優(yōu)化設(shè)備選型、提高模塊化程度和工廠預(yù)制化程度等措施，來提高設(shè)備的整體性能，減少設(shè)備安裝過程中的不可控因素。

1 加氫站的組成

按氫氣來源方式，加氫站可分為兩大類： 站外制氫(off-site)和站內(nèi)現(xiàn)場制氫(on-site)。站外制氫是指氫氣在制氫廠集中制取，然后通過高壓氫氣輸送、液氫輸送、管道輸送等輸送到加氫站，運輸成本目前較高。站內(nèi)制氫的技術(shù)路線主要是天然氣、甲醇等化石燃料重整制氫和電解水制氫[3-6]。加氫站系統(tǒng)流程如圖1所示，主要工藝設(shè)備包括： 站外制氫的卸氣區(qū)設(shè)備、站內(nèi)現(xiàn)場制氫區(qū)設(shè)備、壓縮增壓區(qū)設(shè)備、儲氫區(qū)設(shè)備、加氫設(shè)備、儀表風(fēng)氮氣系統(tǒng)等。

圖1 某加氫站系統(tǒng)流程示意

1) 卸氣區(qū)設(shè)備。卸氣區(qū)設(shè)備由卸車口管組及轉(zhuǎn)換操作閥門、卸車操作柱、卸車區(qū)火焰探測器、卸車區(qū)氫氣壓力變送器及現(xiàn)場指示儀表、氫氣泄漏探頭等組成。卸車區(qū)氫氣泄漏探頭、卸車區(qū)火焰探測器及現(xiàn)場指示儀表、壓力變送器等則實時監(jiān)測卸車區(qū)設(shè)備的工作狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況時會及時報警，聯(lián)鎖實現(xiàn)安全保護(hù)。

2) 壓縮增壓區(qū)設(shè)備。壓縮增壓區(qū)設(shè)備主要由壓縮機(jī)、壓縮機(jī)區(qū)氫氣泄漏探頭、壓縮機(jī)現(xiàn)場遠(yuǎn)傳儀表、現(xiàn)場緊急停車系統(tǒng)(ESD)按鈕及壓縮機(jī)區(qū)火焰探測器等組成。

3) 儲氫區(qū)設(shè)備。儲氫區(qū)設(shè)備由高壓儲罐、儲氫區(qū)氫氣泄漏探頭、儲氫區(qū)火焰探測器、儲氫區(qū)現(xiàn)場及遠(yuǎn)傳儀表及現(xiàn)場ESD的啟停按鈕等組成。

4) 加注機(jī)區(qū)設(shè)備。加注機(jī)區(qū)設(shè)備由加氫機(jī)、加注機(jī)區(qū)火焰探測器、加注機(jī)區(qū)氫氣泄漏探頭、壓力變送器及現(xiàn)場指示儀表等組成。

2 加氫站監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)架

加氫站監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)由氫壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、站控控制系統(tǒng)、火災(zāi)報警和氣體檢測系統(tǒng)FGS (fire alarm and gas detector system)、站控系統(tǒng)工作站和一卡通收費工作站組成[7-8]，加氫站SCADA系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 加氫站SCADA系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

1) 氫壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由西門子S200PLC，I/O模塊，Profibus通信模塊及現(xiàn)場變送器等組成，主要完成2臺氫壓縮機(jī)的啟?？刂啤⒆詣忧袚Q、過流過載保護(hù)、處理ESD信號及與SCADA系統(tǒng)工作站通信等。

2) 站控控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC和I/O模塊、現(xiàn)場變送器等組成，主要完成加氫站工藝管線上閥門的控制，實現(xiàn)氫氣壓縮、卸車及加氫流程和應(yīng)急保護(hù)，現(xiàn)場工藝參數(shù)的顯示、報警，處理ESD信號及與SCADA系統(tǒng)工作站通信等。

3) FGS。FGS是針對火災(zāi)和氣體探測的安全管理系統(tǒng)，由現(xiàn)場檢測元件、邏輯運算、執(zhí)行元件、模擬報警盤及不間斷電源等組成。通過對加氫站現(xiàn)場的消防按鈕、氫氣氣體檢測終端等的檢測信號的采集，輸出控制信號，實現(xiàn)報警燈、報警鈴等的控制。

4) 一卡通收費系統(tǒng)。一卡通收費工作站與2臺加氫機(jī)同時通信，完成加氫流量、壓力、溫度、加注時間等參數(shù)的采集，實現(xiàn)加注量控制和記費功能，并具有車輛信息登記、車輛卡發(fā)行、充值、掛失、注銷等業(yè)務(wù)，提供卡余額信息、車輛信息、黑名單信息、鋼瓶到期檢驗日期等信息查詢功能。

3 加氫站控制系統(tǒng)存在的問題

加氫站管理分散，數(shù)據(jù)、信息資源存在一個個信息“孤島”，數(shù)據(jù)統(tǒng)計等手工操作不僅增大了工作量，而且無法避免人工錯誤。針對加氫站信息管理現(xiàn)狀，企業(yè)加氫裝置管理過程中面臨如下問題：

1) 公司總部無法實時監(jiān)控加氫裝置的運行狀態(tài)，出現(xiàn)緊急情況時，無法做到及時統(tǒng)一調(diào)度。

2) 加氫裝置之間數(shù)據(jù)孤立，總部統(tǒng)計運行數(shù)據(jù)時，收集數(shù)據(jù)的流程繁瑣。

3) 加氫裝置的卸氣量、氫氣的存儲量及氫氣的售賣量分散、凌亂，無法做到方便快捷的收集，不能實時進(jìn)行綜合性和系統(tǒng)性的分析。

4) 手工抄錄運行數(shù)據(jù)，歸檔管理不方便且容易遺失。

5) 設(shè)備健康狀態(tài)缺乏了解。

4 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)概述

根據(jù)目前加氫站站控控制系統(tǒng)存在的問題，提出加氫站智能遠(yuǎn)程控制方案。該方案可實現(xiàn)高效、快捷的設(shè)備管理和安全生產(chǎn)監(jiān)管，方便相關(guān)人員對各加氫裝置進(jìn)行全面的掌握和了解，提高了公司總部對各個加氫站的設(shè)備管理水平。

4.1 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)

智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)云平臺采用多級架構(gòu)模式，主要由設(shè)備層、傳輸層、云平臺、應(yīng)用端等層級組成，具備遠(yuǎn)程設(shè)備實時監(jiān)控、設(shè)備運行報表查詢、設(shè)備報警實時推送等多元化管理功能[8-11]，智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

1) 設(shè)備層。設(shè)備層是對加氫站設(shè)備數(shù)據(jù)和現(xiàn)場儀表設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)管，儀表設(shè)備數(shù)據(jù)涉及儲罐、橇內(nèi)工藝閥門控制點、各工藝檢測點的壓力和溫度數(shù)據(jù)，還包括卸車、氣體壓縮、調(diào)壓、待機(jī)、儲存、輸出等各種工藝過程狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

2) 傳輸層。設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸主要有兩種方式： 有線網(wǎng)絡(luò)傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，兩種網(wǎng)絡(luò)傳輸同時并存，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，則通過站級數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給云平臺設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)；當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)斷開時，則自動通過3G/4G智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3) 云平臺。云平臺是設(shè)備數(shù)據(jù)處理中心，其中部署了1套云平臺設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，該云平臺可匯總各加氫站站點傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析、計算后，形成可視化的設(shè)備管理數(shù)據(jù)和報表，并可在移動終端設(shè)備APP或PC端Web頁面進(jìn)行展示和報警信息推送等。

4) 應(yīng)用端。應(yīng)用端主要提供設(shè)備數(shù)據(jù)的多種展示，即手機(jī)、PAD等移動終端設(shè)備，可通過APP進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；筆記本電腦、大屏投影等PC終端可通過Web方式進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖3 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4.2 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)優(yōu)點

在總結(jié)傳統(tǒng)控制模式缺點的基礎(chǔ)上，廣泛調(diào)查加氫站經(jīng)營企業(yè)在設(shè)備監(jiān)管、設(shè)備維護(hù)、報警處理上的需求，開發(fā)的智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1) 設(shè)備狀態(tài)及數(shù)據(jù)監(jiān)管功能。

2) 設(shè)備預(yù)警、報警推送功能。

3) 減少了非計劃停機(jī)時間，減少了生產(chǎn)損失。

4) 增加了平均故障時間間隔(MTBF)。

5) 減少了平均修復(fù)時間(MTTR)。

6) 改善了設(shè)備可靠性、優(yōu)化了設(shè)備故障分析(FTA)和失效分析(FMECA)。

4.3 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)創(chuàng)新性

在傳統(tǒng)PLC加SCADA系統(tǒng)模式上，應(yīng)用云技術(shù)和先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)，使智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1) 采用物聯(lián)網(wǎng)及云平臺等先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的加氫站點聯(lián)網(wǎng)方式。

2) 采用三層系統(tǒng)構(gòu)架，運用C/S和B/S模式，把核心運用程序布置在高可靠的云服務(wù)器上，提高了系統(tǒng)的可靠性、安全性。

3) 不僅能對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，還能對設(shè)備自身的健康狀態(tài)及供、銷、存進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

4) 具有一定的故障自診斷和故障定位功能，可以在加氫站加氫裝置出現(xiàn)故障后，迅速查明故障類型及部位，減少了故障停機(jī)時間。

4.4 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)核心功能及界面展示

云平臺作為智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了設(shè)備的接入、配置、管理、展示和數(shù)據(jù)處理。無論身處何地，使用者通過Web網(wǎng)頁和手機(jī)APP即可實現(xiàn)對設(shè)備狀況、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的查看，報警推送，設(shè)備資產(chǎn)管理等；同樣通過手機(jī)也可以遠(yuǎn)程控制加氫裝置；實現(xiàn)遙控、遙測功能。

1) 流程圖展示。智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過工藝流程圖的展示，讓客戶對整個加氫站的工藝設(shè)備、工藝參數(shù)及狀態(tài)有個直觀的了解，方便加氫站的整體管理與調(diào)控。

2) 報警推送。當(dāng)加氫站加氫裝置有故障報警時，系統(tǒng)將報警推送到手機(jī)APP端、Web端、平板電腦端，分別顯示報警級別、報警原因、報警值、報警開始時間、報警持續(xù)時間等；報警級別分為特別緊急、緊急、一般緊急，并用不同顏色表示。

3) 設(shè)備資產(chǎn)管理。系統(tǒng)可以記錄并管理相關(guān)數(shù)據(jù)，包括臺賬、制造商、型號、序列號、物料清單，服務(wù)開始時間、供應(yīng)商合同，設(shè)備圖紙、安裝說明書、設(shè)備相關(guān)圖片等。

4) 工單管理。工單是企業(yè)監(jiān)管維護(hù)人員完成日常工作的重要依據(jù)，根據(jù)檢修、巡檢、保養(yǎng)、改進(jìn)等不同類型的工作，可以輕松創(chuàng)建工單，并根據(jù)區(qū)域、設(shè)備和專業(yè)對工單進(jìn)行管理，直至歸檔。

5) 維護(hù)管理。通過現(xiàn)場拍照、錄音、儀表讀數(shù)和保修，可監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，有效地執(zhí)行現(xiàn)場點巡檢工作；同時可訪問后臺歷史數(shù)據(jù)庫，協(xié)助評估診斷。通過二維碼或RFID強(qiáng)行掃描，確保按照規(guī)程保質(zhì)、保量完成相應(yīng)的工作。

6) 加氫裝置所需備品備件的庫存管理。創(chuàng)建備品備件的物料清單(BOM)，進(jìn)庫、入庫、調(diào)整和采購申請，備品備件數(shù)量查詢，安全庫存量、備件短缺統(tǒng)計等。

7) 報表管理。讓維護(hù)管理回歸到“事實”和“數(shù)據(jù)”上來。幫助企業(yè)針對工單中的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)分析，衡量MTBF和MTTR等維護(hù)關(guān)鍵指標(biāo)。通過圖表完成故障分析并驗證想法，快速地做出準(zhǔn)確的決策。

5 結(jié)束語

應(yīng)用基于云技術(shù)的智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，既能通過實時狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備故障預(yù)警提高加氫裝置的可靠性，解決信息孤島問題；也能有效地解決加氫裝置的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、安全預(yù)警、運營數(shù)據(jù)采集與分析、氫源的調(diào)度管理等問題；還可以提高資產(chǎn)使用率，降低維護(hù)成本，減少非計劃停機(jī)時間，降低MTTR，增加MTBF；此外還能為以后實現(xiàn)無人值守積累寶貴的經(jīng)驗。

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