CN114760284A - 防爆控制柜、无人值守点供气化站远程控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防爆控制柜、无人值守点供气化站远程控制系统及方法；应用智能5G无线工业路由器异地组网技术，一方面解决对偏远无人值守的点供气化站进行远程控制的需求，另一方面对气化站的网络传输安全性、完整性、可靠方面进行优化，从而提高LNG气化站设备整体的性能，实现智能化。

Description

防爆控制柜、无人值守点供气化站远程控制系统及方法

技术领域

本发明涉及气化站技术领域，尤其是一种防爆控制柜、无人值守点供气化站远程控制系统及方法。

背景技术

LNG广泛应用于民用气化领域，LNG通过吸热气化，从－162℃的液态气化成气态的天然气，然后通过调压、加臭进入管道输送到千家万户，供居民使用。随着农村煤改气的战略实施，一些点供气化站点建设较为偏远，站点规模小，对于小站点而言使用有线网或专线网进行组网，组网费用高，且网络传输不稳定，数据传输易出错，导致远端控制效率低，影响安全性的问题。

发明内容

本发明的目的是，针对上述不足之处提供一种防爆控制柜、无人值守点供气化站远程控制系统及方法，解决了现有技术中对于偏远地区小规模站点需要有线网或专线网进行组网，组网费用高，且网络传输不稳定，数据传输易出错，导致远端控制效率低，影响安全性的问题。

本方案是这样进行实现的：

首先本方案提供一种防爆控制柜，包括防爆外壳、现场PLC、第一VPN路由器和单板电脑；所述现场PLC与第一VPN路由器连接，第一VPN路由器与单板电脑连接，现场PLC、第一VPN路由器和单板电脑均设置在防爆外壳内。

基于上述一种防爆控制柜的结构，所述防爆外壳内部设置有多个层级，所述现场PLC、第一VPN路由器和单板电脑均设置在最上层层级内。

本方案还提供一种无人值守点供气化站远程控制系统，包括远程控制端、防爆控制柜和现场监测控制组件；远程控制端与防爆控制柜通信连接，防爆控制柜与现场监测控制组件电连接。

基于上述一种无人值守点供气化站远程控制系统，其特征在于：所述远程控制端包括远程监控端和第二VPN路由器；远程监控端与第二VPN路由器通信连接。

本方案还提供一种无人值守点供气化站远程控制方法；

至少包括以下步骤：

VPN组网；

同步授时，现场控制端通过网络时间协议进行网络授时；

远近互联，远程监控端和现场控制端通过双重通信协议进行通讯；

优先级排序，在远程监控端和现场控制端的通信中进行通信通道优先级排序，从高到低的紧急顺序模式分别为：紧急状态下发模式、控制内容下发模式和数据传输下发模式；

数据交换，依照紧急顺序模式进行相应的数据交换；

完成数据交换。

在数据交换中，为紧急状态下发模式时，远程控制端向现场控制端传输指令，该条指令前端会有紧急类别的标引，在通信通道中进行传输时具有最高优先级，现场控制端接收到指令后控制所有阀门回到安全位置，直到现场控制端收到解除指令。

在数据交换中，为控制内容下发模式时，现场控制端接收远程控制端发出的指令，进入到远程操作模式，在远程操作模式下，现场控制端进行超时判断和数据验证及校对作业，当超时判断未达到预定值时，根据当前条件转入自动模式或者现场手动模式。

所述超时判断和数据验证及校对作业具体流程为，

远程控制端向现场控制端发送控制要求；

现场控制端向远程控制端返回确认信息；

远程控制端向现场控制端发送确切的指令；

在完成这3个步骤时，现场控制端对数据校对和验证步骤进行时间进行判断，如果整个过程的耗时超过预定时间，则判断该控制内容下发无效，现场控制端不执行上述指令，如果整个过程的耗时不超过预定时间，则判断该控制内容下发有效，现场控制端执行上述指令。

在数据交换中，为数据传输下发模式时，现场控制端中对数据类别进行判断，判断是历史数据还是实时数据；

若为判断数据类别为历史数据，则通过现场控制端向现场储存端发送数据，将历史数据暂存在现场储存端，在数据传递过程中，首先判断远程监控端和单板电脑的网络是否通畅，如果网络不通畅，则持续进行判断网络数据判断，不执行数据传递作业；如果网络通畅，现场储存端向远程监控端发送数据，数据发送完毕，则历史数据传输作业完成；

若判断数据类别为实时数据，则在实时数据加入时间序列号，接着现场控制端向远程监控端发送数据，发送数据完毕后，则实时数据传输作业完成。

在远程监控端接收数据时，还包括数据核验步骤；

远程监控端接收数据对数据进行完整性验证，验证正确后向现场储存端发送确认报文；确认报文中包括传输序号和确认字符；

现场储存端收到确认报文后，核对确认报文中的传输序号是否与已传输数据包中的传输序号一致；如果现场储存端收到的确认传输序号不正确或者超过预定时间未接受到确认报文，则重新发送该数据包；如果确认正确则进入下一包数据发送。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本方案中提供一种无人值守点供气化站远程控制系统，其通过第一VPN路由器、单板电脑和远程控制端进行组网，实现单线通信连接，不需要额外的专线网络敷设，降低了网络敷设费用；低成本的实现与远程控制端安全稳定的进行数据传输，由于第一VPN路由器、单板电脑和远程控制构造简单，可单独进行购买和更换，降低了小站点的维护和建设成本。

2、本方案提供一种无人值守点供气化站远程控制方法；其通过VPN组网，同步授时，远程监控端和现场控制端通过双重通信协议进行通讯；在远程监控端和现场控制端的通信中进行通信通道优先级排序和数据交换等步骤；实现现场端无需有线网络覆盖，远程端无需公网IP或专线铺设的情况下，实现设备异地组网，并且通过远程监控端和现场控制端通过双重通信协议进行通讯，同步授时等步骤，保证了数据传输时的高效性和稳定性，解决了偏远点供气化站无人值守现场数据传输、设备监控、远程控制等所出现的问题。

附图说明

图1是本发明中防爆控制柜整体的结构示意图；

图2是本发明中防爆控制柜整体的左视图：

图3是本发明中防爆控制柜整体的右视图；

图4是本发明中远程控制系统的逻辑连接示意图；

图5是本发明中整体的流程示意图；

图6是本发明中紧急状态下发模式的流程示意图；

图7是本发明中控制内容下发模式的流程示意图；

图8是本发明中数据传输下发模式的流程示意图。

图中标记：1、防爆外壳；2、现场PLC；3、第一VPN路由器；4、单板电脑；5、有地线排；6、单层端子；7、多层端子；8、固定端子；9、外接端；10、继电器；11、外插口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1～图3，本发明提供一种技术方案：

一种防爆控制柜，包括防爆外壳1、现场PLC2(Programmable Logic Controller，可编程控制器件)、第一VPN(Virtual Private Network，虚拟专用网)路由器3和单板电脑4；所述现场PLC2与第一VPN路由器3连接，第一VPN路由器3与单板电脑4连接。

现场PLC2、第一VPN路由器3和单板电脑4均设置在防爆外壳1内，所述防爆外壳1内部设置有多个层级，所述现场PLC2、第一VPN路由器3和单板电脑4均设置在最上层层级内。

在本实施例中，所述防爆控制柜设置为三层，在最底层设置有地线排5、单层端子6、多层端子7和固定端子8；单层端子6的数量和多层端子7的数量根据需求进行设置，固定端子8用于将单侧端子和多层端子7进行固定。

中间层中设置有外接端9和继电器10，外接端9和继电器10根据需求进行合理设置。

在防爆外壳1还设置有外插口11，外插口11沿防爆外壳1的侧壁位置均匀设置，通过外插口11与外界进行数据交换。

本实施例中提供的防爆控制柜可应用于LNG供气站站点的控制。本实施例以LNG供气站为例进行举例说明，示例的，防爆控制柜的防爆外壳1可以有力的保证内部器件的安全，防爆控制柜中的外接端9、继电器10、单层端子6和多层端子7根据现场器件进行合理设置，在使用时更加灵活。

实施例2

请参阅图4，本发明提供一种技术方案：

一种无人值守点供气化站远程控制系统；包括远程控制端、防爆控制柜和现场监测控制组件；远程控制端与防爆控制柜通信连接，防爆控制柜与现场监测控制组件电连接。

远程控制端包括远程监控端和第二VPN路由器；远程监控端与第二VPN路由器通信连接。

防爆控制柜包括第一VPN路由器3、现场PLC2和单板电脑4；所述现场PLC2与第一VPN路由器3连接，第一VPN路由器3与单板电脑4连接；第一VPN路由器3通过5G无线网络模块连接到互联网；防爆控制柜和远程监控端通过VPN技术进行组网，使远程监控端、现场PLC2、单板电脑4可以在同一网段中自由通讯。

本方案应用智能5G无线工业路由器异地组网技术，不仅解决对偏远无人值守的点供气化站进行远程控制的需求，而且对气化站的网络传输安全性、完整性、可靠方面进行优化，从而提高LNG气化站设备整体的性能，实现智能化。

现场监测控制组件可以包括但不限于压力变送器、温度变送器、液位变送器、燃气探测器、紧急切断阀和声光报警器等终端设备。压力变送器、温度变送器、液位变送器、燃气探测器、紧急切断阀和声光报警器均与现场PLC2连接，使现场PLC2能够实现对上述终端设备的控制。

防爆控制柜设置在LNG气化站现场，在防爆控制柜内安装现场的各类控制器件，现场监测控制组件中的压力变送器、温度变送器、液位变送器、燃气探测器、紧急切断阀和声光报警器等根据站点实际情况进行设置。

在数据处理时，通过现场PLC2对现场的压力变送器、温度变送器、液位变送器、燃气探测器、紧急切断阀和声光报警器进行数据采集和逻辑控制；即压力变送器将其所在管路检测的压力数据传递给现场PLC2，温度变送器将其所在管路检测到的温度数据传递给现场PLC2，液位变送器将其所在位置的液面高度数据传递给现场PLC2，燃气探测器用于检测现场端可能存在的燃气泄漏，并将检测的数据传递给现场PLC2，紧急切断阀和声光报警器分别接收现场PLC2的控制实现管路紧急切断和对现场端进行报警的作用。

现场PLC2通过防爆控制柜内第二VPN路由器把历史数据传递给单板电脑4；远程监控端与现场PLC2通过网路进行连接，两者进行数据的交互，远程监控端可对现场PLC2进行控制。

同时远程监控端和单板电脑4进行历史数据的传递，保证数据的完整性。

实施例3

请参阅图5～图8，本发明提供一种技术方案：

本实施例还提供一种无人值守点供气化站远程控制方法，其具体包括以下步骤：

首先通过第一VPN路由器3、第二VPN路由器进行VPN组网，使防爆控制柜和远程控制端进行通信。

同步授时，现场PLC2通过SNTP(Simple Network Time Protocol，简单网络时间协议)协议进行网络授时，使现场PLC2的时间始终和网络时间保持同步，这样可保证所有消息的时间准确性，避免数据混乱。

同时现场PLC2建立UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)通讯客户端，并向NTP Server(Network Time Protocol Server，网络时间服务协议)发送授时报文，然后接收NTP Server的时间反馈；NTP Server可使用国家授时中心服务器，作为示例，IP地址可以选用：210.72.145.44。

在本方案中UDP协议是一种无连接的传输层协议，其控制选项较少，在数据传输过程中延迟小、数据传输效率高，因此应用到本方案中可以对不重要的信息进行传递，使通信速度更快。

远近互联，远程监控端和现场PLC2通过Modbus TCP(Modbus protocolTransmission Control Protocol，串行通信协议)协议和UDP报文进行通讯。

其中Modbus TCP协议负责现场实时数据传输、控制内容下发、紧急状态下发；UDP报文只有在设备需要进入紧急状态时才发送，UDP报文和Modbus TCP中的紧急状态下发形成冗余设计，避免TCP协议中出现网络堵塞时不能及时把消息下发到现场PLC2的情况；紧急状态的下发将使现场设备进入紧急状态，所有卸车、气化等工艺流程将停止，所有阀门进入安全状态。

本方案中紧急状态下发是指，当站点出现意外情况时，如发生火灾，自然灾害等情况，人为的输入紧急指令进入到传输通道中进行传递。

本方案中控制内容下发是指，通过远程控制端向现场PLC2直接下发控制指令，实现对于各个阀门或器件的控制。

本方案中数据传输是指，LNG供气站中各类不需实时数据交换和不太重要的各类数据的传递，可以是远程控制端向现场PLC2传输数据，也可以是现场PLC2向远程控制端进行数据传递。

且在本方案中Modbus协议是一个master/slave架构的协议，有一个节点是master节点，其他使用Modbus协议参与通信的节点是slave节点，每一个slave设备都有一个唯一的地址。在串行和MB+网络中，只有被指定为主节点的节点可以启动一个命令；因此通过Modbus TCP可以使数据更加完整。

在本方案中，现场PLC2程序的控制部分分为：自动模式、现场手动模式、远程操作模式、紧急状态模式；在远程操作模式时，现场PLC2对时间序列号进行监测。示例的，如果超过2S未更新，则退出远程操作模式，根据当前条件转入自动模式或者现场手动模式。

优先级排序，在远程监控端和现场PLC2的Modbus TCP通讯中进行优先级排序，从高到低的紧急顺序模式分别为：紧急状态下发模式、控制内容下发模式和数据传输下发模式：优先级排序是为了方便数据传输的先后顺序。

由于在远程监控端和现场PLC2端是通过一条线路进行信息交换，在同一时间内在线路中只能有一条信息进行传递；因此需要多各类情况进行分级，方便对于LNG气化站的安全控制。

其中关于紧急状态下发模式，该模式是人为判断模式，即当LNG供气站内出现意外情况或紧急状态时，人为的通过远程控制端向现场PLC2传输指令，该条指令前端会有紧急类别的标引，因此在Modbus TCP协议和UDP报文进行传输时，会停止传输其他信息，直到紧急类别的指令传输完成后，在开始传输其他指令。

在紧急状态下发模式时，是通过Modbus TCP协议和UDP报文双重协议传输，保证紧急类别指令到达现场PLC2的安全性和准确性。

当紧急类别指令到达现场PLC2时，现场PLC2自动进入紧急状态，同时现场PLC2控制所有阀门回到安全位置，等待远程控制端进行下一步解除指令；如果现场PLC2收到远程控制端发出的解除紧急状态指令，现场PLC2恢复之前工作状态；如果未接收到远程控制端发出的解除紧急状态指令，现场PLC2持续控制所有阀门在安全位置。

其中关于控制内容下发模式；该模式也是人为进行选择，当作业人员将选择进入控制内容下发模式时，现场PLC2接收到远程控制端的指令，自动进入到远程操作模式；在远程操作模式下，现场PLC2首先进行超时判断和数据验证及校对，

其具体流程为：

远程控制端向现场PLC2发送控制要求。

现场PLC2向远程控制端返回确认信息，其中还包含了现场对应该操作的可执行性。

远程控制端向现场PLC2发送确切的指令；这时现场PLC2执行来自远程控制端的控制要求。

在完成这3个步骤时，现场PLC2需要对数据验证及校对步骤进行时间进行判断。示例的，如果整个过程的耗时超过2S，则判断该控制内容下发无效，现场PLC2不执行上述指令，如果整个过程的耗时不超过2S，则判断该控制内容下发有效，现场PLC2执行上述指令；根据当前条件转入自动模式或者现场手动模式。当然，根据现场各类器件的精准度不同，数据验证的时间也可以设置为1S、3S等，本方案并不对数据验证的时间做具体的限定。

在本方案中控制内容下发是准确性要求很高的一个环节，不当的处理会使现场设备出现失控的状态，而无线网络的连接特性也加大了该种情况发生的可能性；所以在控制内容下发时，本方法中远程监控端和现场PLC2进行3次数据校对和验证。

其中关于数据传输下发模式；该模式是输出传输的常规运行模式，LNG供气站点中各类不需实时数据交换和不太重要的各类数据的传递，现场实时数据传输包含：现场仪表实时数据、报警实时数据、设备状态、时间序列号；现场仪表实时数据、报警实时数据、设备状态由现场PLC2监测收集后向远程控制端传输，时间序列号为远程控制端向现场PLC2传输。

在本实施例中时间序列号可以为16位二进制数的整数(0－65535)，在进行时间序列计数时，每隔500ms加1。

其具体为：首先在现场PLC2中对数据类别进行判断，判断是历史数据还是实时数据。

若为现场PLC2判断数据类别为历史数据，则通过现场PLC2向单板电脑4发送数据，将历史数据储存在控制柜中的单板电脑4中进行暂存，在数据传递过程中，首先判断远程监控端和单板电脑4的网络是否通畅，如果网络不通畅，则持续进行判断网络数据判断，不执行数据传递作业；如果网络通畅，单板电脑4执行向远程监控端发送数据，数据发送完毕，则历史数据传输作业完成。

若为现场PLC2判断数据类别为实时数据，则在实时数据加入时间序列号，接着现场PLC2向远程监控端发送数据，发送数据完毕后，则实时数据传输作业完成。

在上述步骤中，如果判断远程监控端和单板电脑4的网络是不通畅，则对历史数据进行断网储存，在现场PLC2的控制过程中产生的历史数据包括：仪表历史数据、报警历史数据、操作记录等。

在上述步骤中，在执行实时数据传输时，现场PLC2利用TCP/IP协议，按照产生的时间顺序把历史数据写入单板电脑4中，并建立数据队列；单板电脑4按照队列的先进先出原则向远程监控端发送数据。

在本方案中，单板电脑4用于储存和传输历史数据，解决断网时历史数据的缓存问题；

本方案中，还是设置有数据核验及传输步骤，单板电脑4对现有队列中的历史数据进行打包，然后放入待传输空间中，等待传输。

打包内容包括传输序号、数据条数、时间、内容、结束符，最为可行的实施例方案，传输序号可以为16位二进制数的整数(0－65535)，数据条数可以为8位无符号整数，一个时间和一个内容为一条数据，每包的最大数据量为100，结束符为＂\r\n＂(0x0D、0x0A)。

远程监控端在接受到数据包时，对数据进行完整性验证，验证正确后向单板电脑4发送收到确认报文；确认报文中包括传输序号和“OK”字符。

单板电脑4收到确认报文后，核对报文中的传输序号是否和刚传输的数据包中的传输序号是否一致；如果单板电脑4收到的确认传输序号不正确或者超过2S未接受到确认报文，则重新发送该数据包；如果确认正确则进入下一包数据发送。

单板电脑4通过TCP/IP协议把历史数据传输给远程监控端时；远程监控端作为服务器，并建立网络连接监听；在连接断开时，单板电脑4作为客户端定时对服务器发送请求连接；当TCP连接建立后，数据传输开始。

在本方法中还包括通信质量监测和维护步骤，对远程监控端和现场PLC2的ModbusTCP通讯进行监测，对Modbus TCP通讯失败次数进行统计，以反应通讯质量；单位时间内的失败次数作为通讯质量指数，长时间的过低通讯质量指数将提示维修人员进行维修处理，同时利用同网段网络，远程监控端可对现场PLC2进行程序维护、程序升级和调试。

通过本方案，现场端无需有线网络覆盖，远程端无需公网IP或专线铺设的情况下，实现设备异地组网，可解决偏远点供气化站无人值守现场数据传输、设备监控、远程控制等问题。并对网络传输、数据缓存、时间校对等方面提供了新的方案，对无人值守的点供气化站稳定运行提供了保障。

同时本方案通过对通信过程应用Modbus TCP协议和UDP报文进行下发，并且对通讯进行优先级划分和校验以及现场控制模式的自动切换，一方面解决对偏远无人值守的点供气化站进行远程控制的需求，另一方面对气化站的网络传输安全性、完整性、可靠方面进行优化，从而提高LNG气化站设备整体的性能，实现智能化。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防爆控制柜，包括防爆外壳、现场PLC、第一VPN路由器和单板电脑；所述现场PLC与第一VPN路由器连接，第一VPN路由器与单板电脑连接，现场PLC、第一VPN路由器和单板电脑均设置在防爆外壳内。

2.根据权利要求1所述的一种防爆控制柜，其特征在于：所述防爆外壳内部设置有多个层级，所述现场PLC、第一VPN路由器和单板电脑均设置在最上层层级内。

3.一种无人值守点供气化站远程控制系统，其特征在于：包括远程控制端、如权利要求1或2所述的防爆控制柜和现场监测控制组件；远程控制端与防爆控制柜通信连接，防爆控制柜与现场监测控制组件电连接。

4.根据权利要求3所述的一种无人值守点供气化站远程控制系统，其特征在于：所述远程控制端包括远程监控端和第二VPN路由器；远程监控端与第二VPN路由器通信连接。

5.一种无人值守点供气化站远程控制方法，其特征在于：

至少包括以下步骤：

VPN组网；

同步授时，现场控制端通过网络时间协议进行网络授时；

远近互联，远程监控端和现场控制端通过双重通信协议进行通讯；

优先级排序，在远程监控端和现场控制端的通信中进行通信通道优先级排序，从高到低的紧急顺序模式分别为：紧急状态下发模式、控制内容下发模式和数据传输下发模式；

数据交换，依照紧急顺序模式进行相应的数据交换；

完成数据交换。

6.根据权利要求5所述的一种无人值守点供气化站远程控制方法，其特征在于：在数据交换中，为紧急状态下发模式时，远程控制端向现场控制端传输指令，该条指令前端会有紧急类别的标引，在通信通道中进行传输时具有最高优先级，现场控制端接收到指令后控制所有阀门回到安全位置，直到现场控制端收到解除指令。

7.根据权利要求5所述的一种无人值守点供气化站远程控制方法，其特征在于：在数据交换中，为控制内容下发模式时，现场控制端接收远程控制端发出的指令，进入到远程操作模式，在远程操作模式下，现场控制端进行超时判断和数据验证及校对作业，当超时判断未达到预定值时，根据当前条件转入自动模式或者现场手动模式。

8.根据权利要求7所述的一种无人值守点供气化站远程控制方法，其特征在于：所述超时判断和数据验证及校对作业具体流程为，

远程控制端向现场控制端发送控制要求；

现场控制端向远程控制端返回确认信息；

远程控制端向现场控制端发送确切的指令；

在完成这3个步骤时，现场控制端对数据校对和验证步骤进行时间进行判断，如果整个过程的耗时超过预定时间，则判断该控制内容下发无效，现场控制端不执行上述指令，如果整个过程的耗时不超过预定时间，则判断该控制内容下发有效，现场控制端执行上述指令。

9.根据权利要求5所述的一种无人值守点供气化站远程控制方法，其特征在于：在数据交换中，为数据传输下发模式时，现场控制端中对数据类别进行判断，判断是历史数据还是实时数据；

若为判断数据类别为历史数据，则通过现场控制端向现场储存端发送数据，将历史数据暂存在现场储存端，在数据传递过程中，首先判断远程监控端和单板电脑的网络是否通畅，如果网络不通畅，则持续进行判断网络数据判断，不执行数据传递作业；如果网络通畅，现场储存端向远程监控端发送数据，数据发送完毕，则历史数据传输作业完成；

若判断数据类别为实时数据，则在实时数据加入时间序列号，接着现场控制端向远程监控端发送数据，发送数据完毕后，则实时数据传输作业完成。

10.根据权利要求9所述的一种无人值守点供气化站远程控制方法，其特征在于：在远程监控端接收数据时，还包括数据核验步骤；

远程监控端接收数据对数据进行完整性验证，验证正确后向现场储存端发送确认报文；确认报文中包括传输序号和确认字符；

现场储存端收到确认报文后，核对确认报文中的传输序号是否与已传输数据包中的传输序号一致；如果现场储存端收到的确认传输序号不正确或者超过预定时间未接受到确认报文，则重新发送该数据包；如果确认正确则进入下一包数据发送。

Images