看看PLC无线通信模块如何挑战世界海拔最高的“格拉输油管线”

本文选自《宝贝回家4》活动中，一位用户的来稿~

一、项目背景

随着西部高原地区经济的发展以及中印关系的持续紧张，格尔木-拉萨输油管线简称格拉管线，这条当今世界上海拔最高的输送成品油固定管线，于2020年由中国石油天然气管道局开始动工建设。该工程全长1080公里，北起青海格尔木，南至西藏拉萨，沿青藏公路铺设，穿越楚玛尔河和沱沱河等108条河流，翻越昆仑山和唐古拉山等十余座大山，900多公里管线处在海拔5000米以上的严寒地区（如图1）。该管线建成后，一方面满足西部地区的经济发展所需，另一方面，能够为我中国人民解放军提供最大的军事保障能力，尤其面对南面某印国的军事挑衅，具有很重要的战略意义。

随着科技的日新月异，网络化、数字化、智能化已成为社会发展的大趋势，油气管道建设也步入了“智慧管道”时代。为顺应管道建设发展趋势，中国石油集团公司适时提出了“标准化设计、工厂化预制、模块化施工、机械化作业、信息化管理”的“五化”及“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”的“三全”建设目标，继中俄石油天然气管线后，决心将格拉管线打造成国内第二条智慧管道。

全自动化内焊机推动了格拉管线管道焊接的机械化流水作业，有效提升了焊接质量及施工效率。为实现管道焊接过程中的质量严格管控及全数字化数据移交，避免人为篡改以保证关键施工数据的真实性、完整性及可追溯性，中国石油天然气管道科学研究院有限公司分析确定了影响管道焊接质量的关键因素与施工数据，通过研发数据采集与无线传输系统，对影响质量的关键施工数据进行自动采集、存储及与数据接收终端的实时无线远程传输。

二、系统设计

1.设计原理

系统设计分三步走：

1.1 利用扫码枪读取管口、人员和设备的二维码信息，通过电流传感器和电压传感器分别采集焊接电流和焊接电压等数据信息（如下图）

1.2 将采集到的数据传递给PLC，通过程序进行数据加工、整理及存储在相应的寄存器中（如下图）

1.3 上位机通过Modbus RTU协议，以数据收发模块组建的无线渠道，定时采集数据，实时显示在上位机界面并将数据打包发送给远程服务器端（如下图）

2. 系统设计

2.1 控制单元

控制器采用三菱FX系列PLC，直流24V供电，共有8个输入点，8个输出点，采用继电器输出方式。利用PLC作为控制器，一方面可大大提高系统的稳定性，增强抗干扰能力，另一方面，方便功能扩展，不改变硬件接线，直接通过修改程序即可实现。

此外，PLC通过A/D模块扩展口连接A/D转换模块，通过通讯扩展口依次232串口模块和485串口模块。

2.2 数据采集单元

A：扫码枪 利用扫码枪读取管口二维码、操作工二维码、设备二维码，并将信息通过232通信模块传递给PLC。

B：传感器 采用24v供电，4-20mA电流信号模式的电流传感器和电压传感器，通过二线制接线方式，分别采集焊接电流和焊接电压信息，并上传给A/D模块。

2.3 数据传输单元

数据传输单元包括发射端和接收端两部分，采用西安达泰公司的DTD434MC模块，通过433MHZ的无线电磁波进行数据传输。发射端通过485端口与PLC相连，并装于施工现场，接收端通过232端口和控制室的PC机相连，将接收到的信息传递并存储于主机中（如下图）。

3. 软件设计

系统利用GX-Works 2软件进行PLC程序编写，分电流、电压采集和二维码采集两部分，具体流程图如下图6所示：

三、成果应用

2020年至今，无线数据采集控制系统已在格拉东线应用46套（如图7）。实践证明，该系统安装方便、操作简单、数据传输稳定可靠、最大传输距离可达3km，能够经得起高海拔、低温、低压等恶劣高原环境，有效地保证格拉管线全自动化焊接的关键施工数据的全数字化移交，进一步提升智慧管道建设的数字化与智能化。

版权问题：请勿盗图和盗文。（我知道有时候加了水印也没啥用）如果需要转载，请联系小编添加白名单。让我们共同保护原创吧~

西藏海拔5000米以上也实现智慧供热啦

一、背景介绍

众所周知，世界屋脊的青藏高原，高海拔，冬季严寒，氧气稀薄。过去，烧牛粪、柴火过冬的取暖，是大多数牧民冬季的常态。但近年来，智慧供热的理念和方案，已经陆续步入到自治区的各个农牧区。

今天，东东有幸与大家分享一下我们在西藏海拔最高的城市所做的智慧供热项目。

（该市现场图片）

概述，该市市政具有40余个换热站，为主城区居民、办公场地等区域集中供热，项目实施前，项目完全处于有人值守状态，不能远程监测，不能调控，维护困难，能源浪费严重。

其他痛点：

多平台共存：现有供热系统由多个平台构成，缺乏数据共享和交换机制，形成数据孤岛，导致运营数据分散，难以融合利用，无法发挥数据的最大价值。人工调控依赖：热网监控系统主要依赖人工经验进行单站或单环路调节，调控精度低，难以实现自动优化和平衡调节，导致系统整体运行效率低下。数据利用不足：室温监测和热计量系统的数据未能与生产系统集成，无法进行有效的数据分析和利用，智慧供热的目标难以实现。难于维护：专业人士少，难于构建专业平台，需要更直观便捷的实现方式。

（换热站图）

为了提升供热效率，在应对西藏地区特殊的地理和气候条件的前提下，供热系统需要通过智能化调控和优化管理来提升供热效率。这包括采用先进的技术手段对供热系统进行全方位的监控和调控，减少能源浪费，降低运营成本。具体需求包括：

智能化调控：利用智能算法和大数据分析，实现对供热系统的自动调节，优化供热参数，提高热能利用率。负荷预测：根据历史数据和气象预测，准确预测未来的供热需求，合理安排供热资源，避免能源浪费。全网平衡：通过实时监控和调控，确保供热系统各部分的热量平衡，提高供热系统的整体效率。

二、解决方案

（一）方案概述

整个方案由数据中心端、网络传输端和现场终端三部分组成。

（二）方案组成

1、调度中心

调度中心采用东用科技供热云平台，功能包括监控平台、数据库服务器、Web页面展示等，支持移动端APP、微信小程序等。

东用科技供热云平台是兼具基础监控和AI智能调控的轻量化、标准化智慧供热云平台，可为热力企业提供运行数据（如温度、压力、流量等）实时采集及自动控制、数据查询、报警管理、能耗报表、气象管理、室温评价、电子地图等基础功能，也可提供AI智能调控及故障诊断等功能，为中小型热力企业提供用得上、用得起、用得好的智慧供热解决方案。

功能特点：SAAS平台，支持按点付费，灵活扩容，免部署免维护。

系统架构：

（1）运行监控

运行监控模块给运行调度人员提供一种全局性监控热力站运行状态的能力，有利于提高整个企业生产系统的应用效率，主要包括实时全面地监控热力站的运行状态和参数，通过对运行参数设定与现场自控系统交互从而实现热力站的远程调控，通过监控画面集成热力站相关的室温、能耗等数据，总览多维度数据等功能。

（监控模块）

（2）数据查询

提供多种形式的数据查询，如多站的实时、历史报表，单站的实时和历史报表、实时和历史和曲线，跨站的自由报表和自由曲线；支持数据钻取，在实时报表页面可右键选择参数，查询历史数据和曲线，实时数据和曲线，进行报警配置；报表和曲线支持自由配置数据列和数据时间间隔；通过报表记录控制指令的指令内容、下发时间、执行时间、指令状态；可快速根据实体名称、指令状态、日期等快速查询控制指令。

（多形式的数据查询）

（3）报警管理

列表展示实时报警信息和历史报警信息，可针对实时报警信息人工确认；支持多种报警配置方式：如单参数报警、多参数报警、波动报警等；支持报警分级，不同级别显示方式不同，如弹窗或语音方式等；支持采暖季结束时关闭全部报警或批量关闭报警。

（实时报警）

（多种报警配置）

（4）气象管理

以图形和文字的方式展示当天及未来3天天气预报，以曲线的方式展示昨天、今天和明天的室外温度、气象及风力等信息；记录存储和查询历史预报信息、调度室外温度和实测室外温度，同时比较预测与实测室外温度的偏差。支持查询历史每天气象和小时气象信息。

（气象实况）

（5）AI智能调控

基于深度学习人工智能算法，通过实时获取热力站运行状态、气象参数、用户室温等数据，建立热力站至热用户的动态模型，决策出可保持用户室温恒定、舒适的热力站目标供水温度，进而调节热力站自控系统运行。

（6）微信小程序

通过移动端随时随地查看系统实时运行状态和参数、报警信息、历史曲线、室温和能耗数据。

（程序界面）

2、网络传输端：云加端便捷组网

网络传输端是整个联网系统的枢纽，为了实现运行数据的集中监测和实时监控，必须建立连接所有站点的通讯网络。网络传输端采用 ORC305工业级无线路由器作为数据通信载体，ORC305工业级无线路由器通过4G/5G蜂窝拨号与数据中心端云服务器（上云助手软件）建立VPN数据传输隧道。部署再云服务器的智慧供热平台与站内PLC进行数据交互都是在专网内搭建的VPN隧道进行传输，能够有效保证数据传输的安全性。

（1）换热站：可根据换热站情况，灵活组网，不管是光纤、ADSL、还是完全无网的条件，都可以提供对应的产品。

以工业路由器ORC305为例：路由器的特点，优势，适应高原环境。

（2）服务器端：安装东用科技自主开发的专门针对市政场站组网的上云助手软件。上云助手（Device Control Center）是一款VPN Server软件，主要用于实现远程设备的网络管理和数据通信。

（上云助手软件）

IP 地址规划

整个系统网络通过服务器端上云助手和无线路由器建立VPN连接，由于建立VPN，每个路由器的网段和VPN服务器的网段不能在同一网段。如果有多个工业路由器都要连接到同一个VPN服务器，那么每个路由器的LAN地址都必须占用一个唯一的网段，不能重复。

站点编号

网段

掩码

路由器LAN IP

设备地址

1号站

192.168.1.0/24

255.255.255.0

192.168.1.1

192.168.1.X

2号站

192.168.2.0/24

255.255.255.0

192.168.2.1

192.168.2.X

3号站

192.168.3.0/24

255.255.255.0

192.168.3.1

192.168.3.X

4号站

192.168.4.0/24

255.255.255.0

192.168.4.1

192.168.4.X

备注：X 代表 2-254 任意数字。

网络安全设置

针对网络安全要求比较高的客户，通过设置IP和MAC地址绑定后，只有主机MAC地址和设置的IP地址和设备绑定的一致才能接入网络，其他用户接入网络不能通过设备访问任何资源，可以有效阻止非法用户登录设备，实现安全接入。接口关闭设置可以关闭不使用的接口，有效防止非法接入。

3、换热站现场

（机组图）

（电控柜图）

电控柜、变频柜

自控柜PLC（可编程逻辑控制器）负责对现场设备的自动化控制和数据采集。采集一次网、二次网的水温、水压、水箱液位等参数。实现本地自控。

（电控柜图）

触摸屏（HMI）为操作人员提供友好的人机界面，实现对供热系统的实时监控和控制。操作人员可以通过触摸屏查看和调整供热系统的参数。HMI界面能够提供直观的用户界面和实时显示系统状态和报警信息的功能，实时显示供热站点的运行状态，包括各个传感器的数据、调节阀的位置、泵的运行状态等。通过这种图形化的界面，操作人员可以清晰地了解供热系统的实时运行状况，进行有效的监控和调控，使操作人员能够及时了解和处理供热系统的各种状况。

循环泵控制：循环泵的启停控制、定变频运行；循环泵的转速控制；循环泵的控制模式（手动/自动），循环变频器数据的采集与控制。我公司提出了如下三种变频器频率控制方案，用户可以根据需要自行选择：

(1)直接给定频率

(2)压差或压力定频率

(3)室外温度定频率

安防摄像头

摄像头用于为中心和现场提供视频监控功能，确保供热系统的安全运行。摄像头通过网络接口与工业路由器连接，实现视频数据的实时传输。高分辨率摄像头具备夜视功能，能够在各种光照条件下提供清晰的视频监控，确保供热站点的安全和稳定。

（三）方案特点

云平台服务：云平台可解决本地服务器及专用网络的成本及服务问题，且云平台由专业服务商保障，提高系统运行的可靠性及安全性；云平台按需付服务费，无需一次性巨大投资，且能优化资源配置，降低运营成本。远程监控：主要包括“运行监控”、“报警管理”、“能耗报表”、“室温评价”等基础功能，足不出户即可全盘掌握供热系统运行状况。智能决策：基于大数据分析及人工智能技术开发了“故障诊断”及“AI智能调控”模块，指导和优化系统运行策略，实现供热系统由自动化向智能化转变升级。操作简便：智慧供热云平台支持通过Modbus、OPC等多种接口与现有自控系统进行对接，即可实现热力站与软件平台的通讯；支持通过微信小程序随时随地查看热力站运行状况，操作简便。

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