燃氣輸配SCADA系統(tǒng)設(shè)計

摘要本文以赤峰燃氣公司建設(shè)的城市燃氣SCADA系統(tǒng)為例，介紹了SCADA系統(tǒng)在燃氣等工業(yè)行業(yè)中的重要作用。為滿足對城市燃氣生產(chǎn)過程的調(diào)度指揮，建立數(shù)字化，信息化城市，需要建立可靠的城市燃氣SCADA生產(chǎn)指揮系統(tǒng)。國內(nèi)各主要燃氣企業(yè)如北京、武漢、上海、徐州、紹興都在有計劃地推進或完成了生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)的建設(shè)。赤峰市是隨著赤峰煤礦工業(yè)的開發(fā)建設(shè)而誕生并逐步發(fā)展起來的新興工業(yè)城市。隨著赤峰城市建設(shè)快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對城市燃氣的供應(yīng)服務(wù)質(zhì)量和燃氣供應(yīng)量提出了越來越高的要求。在燃氣入戶工程的迅速發(fā)展的環(huán)境下，目前，在赤峰城市燃氣輸配管網(wǎng)中，各調(diào)壓箱、計量箱、商服計量間、CNG站地理位置分散，站場偏遠，地域廣闊，而且對各站（箱）的監(jiān)控仍采取人工記錄，逐級匯報的方法，所以存在著上報數(shù)據(jù)不及時，發(fā)現(xiàn)事故不及時等安全隱患?；诖饲闆r，建立一套SCADA系統(tǒng)來滿足對生產(chǎn)過程的調(diào)度指揮，將會實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集與監(jiān)控、保證安全平穩(wěn)供氣、完善應(yīng)急供氣方案。關(guān)鍵詞：調(diào)壓箱，監(jiān)控，通訊AbstractABSTRACTAsanexampletotheSCADAofthecitygasdevelopedbyDaqinggascompany,thispaperIntroducedtheimportanteffectoftheSCADAusedinthesourcesofenergyindustrylikegas.Inordertomeettheneedsofcitygasproductionprocessscheduling,establishmentofdigitalandinformationcity,requirestheestablishmentofcitygasSCADAproductioncommandsystemreliable.ThemaindomesticgasenterprisessuchasBeijing,Wuhan,Shanghai,Xuzhou,Shaoxingareinthebuildingthereareplanstopromoteorthecompletionofproductiondispatchingcommandsystem.ChifengcityisanewindustrialcitywithChifengindustrialdevelopmentwasbornanddevelopsgradually,isChina'simportantindustrialchemicalproductionbase.WiththerapiddevelopmentofChifengcityconstructionandtheimprovementofpeople'slivingstandard,putforwardhigherrequestpeopletothecitygassupplyservicequalityandgassupply.Withtherapiddevelopmentofgasintopeople'shomesprojectenvironment,atpresent,inChifengcitygaspipeline,thesurgetank,measuringtank,commercialmeasurement,geographicallydispersedCNGstation,stationremote,regionisvast,butthestation(box)monitorisadoptedbymanualrecording,methodreport,sotheexistenceofreporteddataisnottimely,foundthattheaccidentisnottimelysecurityrisks.Basedonthissituation,toestablishasetofSCADAsystemtosatisfytheschedulingcommandintheproductionprocess,willrealizethereal-timecollectionandmonitoring,toproductiondatatoensurethesafeandstablegassupply,improvetheemergencysupplyscheme.Keywords：regulatorbox，monitor，communication目錄目錄TOC\o"1-2"\h\u18030第1章赤峰市城市燃氣SCADA系統(tǒng)概述 第1章赤峰市城市燃氣SCADA系統(tǒng)概述1.1系統(tǒng)描述赤峰市城市燃氣生產(chǎn)指揮系統(tǒng)（SCADA），即在赤峰燃氣公司設(shè)置生產(chǎn)指揮中心；在各調(diào)壓箱和計量箱設(shè)立遠端RTU站；在CNG加氣站設(shè)立視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，以及建立生產(chǎn)指揮調(diào)度中心與遠端站之間的通訊系統(tǒng)，形成完整的生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)監(jiān)控體系，為生產(chǎn)指揮決策提供依據(jù)。建成的SCADA生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，將會完成對各遠端站的監(jiān)控、調(diào)度管理和優(yōu)化運行等任務(wù)；各站在通常狀況下RTU系統(tǒng)獨立操作，實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)采集及處理，并向生產(chǎn)指揮調(diào)度中心上傳所采集的各種數(shù)據(jù)與信息，RTU也可執(zhí)行生產(chǎn)指揮調(diào)度中心指令實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表控制的作用。在有人值守站（CNG站）設(shè)置監(jiān)控、調(diào)度管理終端。一旦數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或上級系統(tǒng)發(fā)生故障，可以及時報警并自動切換到就地控制的安全模式工作狀態(tài)。SCADA系統(tǒng)的可靠性和可用性取決于從生產(chǎn)指揮調(diào)度中心到遠端RTU站及從遠端RTU站返回生產(chǎn)指揮調(diào)度中心的數(shù)據(jù)傳輸情況。在保證可靠性的前提下，為了節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸費用，在有人職守站（CNG）中，采用ADSL寬帶網(wǎng)作為通訊方式；在無人職守站中，采用無線SCDMA通訊方式。SCADA系統(tǒng)采用了開放性的接口設(shè)計，具備從其他系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)和向其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的功能，以便日后系統(tǒng)功能的擴展。赤峰燃氣生產(chǎn)指揮系統(tǒng)（SCADA）的組成如下圖所示：燃氣公司數(shù)據(jù)中心燃氣公司數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)指揮系統(tǒng)容災(zāi)備份中心生產(chǎn)指揮調(diào)度中心心生產(chǎn)指揮系統(tǒng)容災(zāi)備份中心生產(chǎn)指揮調(diào)度中心心預(yù)留第三方接口預(yù)留第三方接口地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)辦公自動化系統(tǒng)辦公自動化系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真系統(tǒng)ADSLSCDMA客戶服務(wù)綜合管理系統(tǒng)ADSLSCDMA客戶服務(wù)綜合管理系統(tǒng)站控系統(tǒng)站控系統(tǒng)(M&I+RTU）M&I+RTUM&I+RTU&I+RTUM&I+RTU(M&I+RTU）M&I+RTUM&I+RTU&I+RTUM&I+RTUM&I+RTUM&I+RTU&I+RTUM&I+RTUM&I+RTUM&I+RTUM&I+RTUM&I+RTUM&I+RTUI+RTUM&I+RTU計量+調(diào)壓RTU站調(diào)壓RTU站母站、門站CNGRTU站計量RTU站母站、門站CNGRTU站計量RTU站1.2系統(tǒng)規(guī)模根據(jù)目前情況，系統(tǒng)規(guī)模設(shè)定為：一個“生產(chǎn)指揮調(diào)度中心”，包括大屏幕系統(tǒng)；建立CNG母站和4個CNG子站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)；建立49個遠端RTU控制站；第2章赤峰市城市燃氣SCADA系統(tǒng)的原理及功能第2章赤峰市城市燃氣SCADA系統(tǒng)的原理與功能2.1系統(tǒng)原理為了使整個赤峰燃氣SCADA系統(tǒng)更可靠,安全,容易操作,我們把整個系統(tǒng)分成幾個功能層次，見下圖。核心數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)庫生產(chǎn)指揮中心軟件平臺接口遠程通訊民用燃氣數(shù)據(jù)監(jiān)控CNG監(jiān)控系統(tǒng)傳感單元控制單元視頻單元信息層控制層通訊層傳感單元設(shè)備層2.1.1信息層服務(wù)器為2個SunSolarisUnix機器，互為冗余備份，并安裝IASCADAmasterstations軟件。2.1.2通訊層通訊層由赤峰工業(yè)通訊公司提供，包括兩種：有線部分(光纖,ADSL)無線部分(SCDMA)有線部分最終接口是RJ-45，固定IP，在同一個網(wǎng)段內(nèi)。中心和調(diào)壓站、計量站、調(diào)壓+計量站的通訊使用SCDMA無線通訊，SCADA系統(tǒng)要求完全透明通道。2.1.3控制層控制層由RTU控制單元和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成。RTU設(shè)置在現(xiàn)場，它由CPU模塊、I/O模塊、電源模塊、通信模塊等組成，可實現(xiàn)對各調(diào)壓箱、計量箱現(xiàn)場情況的監(jiān)控。CNG母站、CNG子站和供氣門站內(nèi)均設(shè)有由PLC和計算機組成的站控系統(tǒng)，實現(xiàn)對站內(nèi)數(shù)據(jù)的事實監(jiān)控。2.1.4設(shè)備層這一層由溫度變送器、壓力變送器、可燃氣體報警器和流量計等現(xiàn)場儀表和門禁開關(guān)等開關(guān)量信號組成傳感單元；由各類電動執(zhí)行機構(gòu)和繼電器輸出觸點組成控制單元，實現(xiàn)對調(diào)壓站、計量站、CNG站和門站的現(xiàn)場信號采集及控制指令執(zhí)行。2.2系統(tǒng)主要功能對各站數(shù)據(jù)的實時采集，處理和存儲；實時和歷史數(shù)據(jù)趨勢圖，棒狀圖和其它畫面顯示；對現(xiàn)場工藝變量，全線工藝設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)視；報警和事件管理；通信通道監(jiān)視及管理；SQL/ODBC關(guān)系數(shù)據(jù)庫鏈接，將SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)按要求寫入歷史數(shù)據(jù)庫，供其他系統(tǒng)使用；參數(shù)敲定畫面；系統(tǒng)自診斷；安全保護功能，可設(shè)置不同安全區(qū)和安全級別，用戶可以建立不同的安全功能區(qū)，和不同的功能級別；SCADA系統(tǒng)在接口設(shè)計上應(yīng)具備從共他系統(tǒng)(如GIS，CIS等)獲取數(shù)據(jù)和向其他系統(tǒng)(如GIS，管網(wǎng)仿真系統(tǒng)等)提供數(shù)據(jù)的功能，以便系統(tǒng)功能的擴展；能根據(jù)實時數(shù)據(jù)，觀看在擴展期內(nèi)的發(fā)展趨勢，至少可同時顯示出4個趨勢且每10秒掃描一次(掃描頻率可調(diào)節(jié))，圖形顯示要求和歷史數(shù)據(jù)顯示一致且每10秒掃描一次(掃描頻率可調(diào)節(jié))，哪一個模擬量要顯示趨勢，由操作員根據(jù)標志或其他鍵盤輸入確定，在要求時間段顯示；對于預(yù)設(shè)的重要事件，系統(tǒng)可發(fā)出聲、光報警，并預(yù)留能向特定人員發(fā)出短信通知的接口，以便系統(tǒng)擴展；系統(tǒng)可嵌入Webserver，頁面可以使用Web瀏覽器顯示瀏覽，支持圖形顯示和鏈接功能。2.3采集數(shù)據(jù)點2.3.1遠端RTU站調(diào)壓+計量RTU站需要采集數(shù)據(jù)：計量箱壓力、溫度、標況瞬時流量、累計流量、門禁信號；調(diào)壓箱入口壓力、出口壓力、門禁信號。調(diào)壓RTU站需要采集數(shù)據(jù)：調(diào)壓箱入口壓力、出口壓力、溫度、門禁信號。計量RTU站需要采集數(shù)據(jù)：計量箱壓力、溫度、標況瞬時流量、累計流量、門禁信號。2.3.2CNG子站1、4、5號CNG子站需要采集數(shù)據(jù)：單槍（1—8號）加氣時間、單次加氣量、本班加氣量、累計加氣量；每站日加氣量、累計加氣量、進氣壓力、一排壓力、二排壓力。2號液壓CNG子站需要采集數(shù)據(jù)：壓縮天然氣氣壓、液壓油油壓、電機溫度、注油溫度；單槍（1—6號）加氣時間、單次加氣量、本班加氣量、累計加氣量。2.3.3CNG母站各脫水機（1—3號）加熱器排氣溫度、再生氣排氣溫度、冷卻器排氣溫度；各壓縮機（1—6號）進氣系統(tǒng)壓力、一排壓力、二排壓力、三排壓力、四排壓力；各加氣柱（1—6號）加氣時間、單次加氣量、日加氣量、累計加氣量；由加氣機計算的總加氣量、由流量計讀出的總加氣量。2.4數(shù)據(jù)采集和處理在調(diào)度中心，操作員畫面上可以監(jiān)視現(xiàn)場狀態(tài)。由于配置實時數(shù)據(jù)庫,所以我們可以實時的監(jiān)視到各個站點的關(guān)鍵參數(shù)。遙測信號包括壓力、溫度、流量。2.4.1數(shù)據(jù)獲取在SCADA系統(tǒng)中，有一個FEP子系統(tǒng)，并且屬于IASCADA的一部分。它負責提供對所有現(xiàn)有設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取。以下的項目都是由FEP來管理的：通訊通道,通訊量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)交換支持實時的配置FEP對象，包括與現(xiàn)場站點RTU的通訊配置錯誤檢測,和重試2.4.2數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)在SCADA上的指示是比較重要的一部分，數(shù)據(jù)的質(zhì)量的好壞又各種原因，所以對每一個點都要有一個質(zhì)量標記表，工程師可以從這個表中獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，并能快速的確定到底是整個數(shù)據(jù)采集的哪一個環(huán)節(jié)出了問題。當現(xiàn)場的儀表本身出了問題，那么調(diào)度中心的數(shù)據(jù)無法顯示，這時我們需要人為的干預(yù)系統(tǒng)。例如，一個傳感器傳來的數(shù)據(jù)是明顯錯誤的，操作人員可以手動的將遠傳的儀表值越過，并且自己可以鍵入一個合理的值，同時系統(tǒng)會記錄這個操作過程，把它當成是一個發(fā)生的事件記錄在案同時產(chǎn)生報警，這時調(diào)度人員可以通知現(xiàn)場維護儀表的人員對儀表進行維修，等儀表維修好以后操作員在去除這個越過，這時系統(tǒng)又可以通過正常的采集獲得儀表數(shù)據(jù)。第3章主要硬件描述第3章主要硬件描述3.1服務(wù)器服務(wù)器是計算機系統(tǒng)的核心，運行各種軟件，采集各站的過程數(shù)據(jù)，擔負著整個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)庫和事件數(shù)據(jù)庫的管理，網(wǎng)絡(luò)管理等重要工作，主要的服務(wù)器采用冗余配置，其性能適合工業(yè)用硬件和軟件的標準，具有容錯和自診斷能力。所有服務(wù)器均配置標準的機柜，機柜內(nèi)配置電源插座，同赤峰燃氣公司原有機柜造型和顏色統(tǒng)一。本項目服務(wù)器包括2臺SCADA服務(wù)器和1臺歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。3.2工作站根據(jù)所完成工作不同，生產(chǎn)指揮調(diào)度中心配置不同的工作站，所有工作站計算機均選用國際知名品牌（如DELL，IBM），并且是該品牌中的中高檔配置。本項目工作站包括2臺操作員工作站、1臺工程師工作站、1臺視頻工作站、2臺無線通訊前置機和1臺便攜式工作站。3.3大屏幕DLP大屏幕顯示系統(tǒng)由8臺60英寸的DLP的投影單元，多屏拼接控制器及控制軟件三大部分構(gòu)成。其中投影單元采用全鈑金結(jié)構(gòu)的精密箱體，以4×2的組合方式拼接成大屏幕顯示屏，單屏的尺寸為1217mm×912mm，拼接后屏體的尺寸為4868mm（寬）×1824mm（高）x690mm（厚）。3.4網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備生產(chǎn)指揮調(diào)度中心的局域網(wǎng)(LAN)支持網(wǎng)絡(luò)上連接的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，滿足實時，多任務(wù)，多參數(shù)的要求。采用標準的，開放型局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。按雙網(wǎng)冗余設(shè)置，能與上位計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并進行數(shù)據(jù)交換，能兼容異種機型工作，與異種局域網(wǎng)或同類局域網(wǎng)的互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)連接采用網(wǎng)絡(luò)交換機，其速率為100Mbps。與服務(wù)器連接為1000Mbps，且易于升級，網(wǎng)上所有設(shè)備，均可交互訪問，支持TCP/IP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)媒介采用6類雙絞線或光纖。網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備配置機柜需同燃氣大廈計算機房內(nèi)原有機柜規(guī)格、顏色等統(tǒng)一，機柜內(nèi)配置電源插座。3.5RTU共有遠端RTU控制單元49套。RTU設(shè)置在現(xiàn)場，它由CPU模塊、I/O模塊、電源模塊、通信模塊等組成。除完成對所在場站的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控任務(wù)外，還要通過無線通訊完成與生產(chǎn)指揮調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息傳遞。同時，現(xiàn)場RTU各I/O點的屬性在生產(chǎn)指揮調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)中均能根據(jù)實際情況進行定義，這樣在新增監(jiān)測點時，生產(chǎn)指揮調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)只需進行相關(guān)配置，即可完成對這些監(jiān)測點的通訊、監(jiān)控和管理，而不需要對SCADA服務(wù)器端增設(shè)任何硬件。3.6SCDMA數(shù)據(jù)采集模塊SCDMA數(shù)據(jù)通信模塊可以提供快速、穩(wěn)定、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。利用SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的透明傳輸，能夠在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)。SCDMA數(shù)據(jù)通信模塊優(yōu)點如下：采用低功耗、高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)；具有語音、數(shù)據(jù)優(yōu)先級設(shè)置功能，可以根據(jù)用戶的需求設(shè)定各種業(yè)務(wù)的優(yōu)先級，可以令數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先于語音業(yè)務(wù)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性，這一點是其他運營商的網(wǎng)絡(luò)不可比擬的；提供兩種工作模式，隨機附帶PC配置軟件，供用戶靈活配置工作模式和參數(shù)（永遠在線模式和輪詢模式，燃氣公司可以根據(jù)RTU所采集參數(shù)的數(shù)據(jù)量和對實時性要求來選擇數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髂Ｊ?，這一點也是其他運營商的網(wǎng)絡(luò)不可比擬的）；支持全透明方式下多中心數(shù)據(jù)傳輸；具有自我檢測功能，它與外接的RTU設(shè)備具有心跳機制，在工作過程中互相監(jiān)視、互相復位；抗干擾設(shè)計，適合各種惡劣環(huán)境的應(yīng)用需求；方便的系統(tǒng)配置和維護接口；支持串口軟件升級和遠程維護。生產(chǎn)指揮調(diào)度中心具備可選的備用冗余功能，設(shè)一主一備兩個通訊站，平時RTU端的SCDMA數(shù)據(jù)通信模塊只與調(diào)度中心主通訊站聯(lián)系，當主通訊站聯(lián)系不上時，RTU端的SCDMA數(shù)據(jù)通信模塊能自動與備用通訊站聯(lián)系，切換到備用系統(tǒng)進行工作，當主通訊站系統(tǒng)恢復正常，關(guān)閉備用通訊站系統(tǒng)時，能恢復到主IP地址系統(tǒng)進行工作。第4章系統(tǒng)人機界面（HMI）第4章系統(tǒng)人機界面(HMI)4.1概述人機界面主要是提供給用戶一個進入系統(tǒng)的接口，無論是操作還是配置，操作員和工程師都可以通過全圖形的畫面進入系統(tǒng)進行操作。為了防止操作人員眼部長時間看屏幕導致眼部疾病，所以使用背景顏色主色為黑色（國際標準建議使用黑色），明亮顏色會給操作人員造成較大傷害。4.2系統(tǒng)界面結(jié)構(gòu)考慮到赤峰燃氣系統(tǒng)的整個大的地理區(qū)域上面有3個小區(qū)域（東風、乘分、龍南），點擊地圖上的區(qū)域，我們都可以進入相應(yīng)的區(qū)域畫面，每一個區(qū)域都包含不同的調(diào)壓、計量站點，分別點擊就可以進入到具體的每一個現(xiàn)場站點。如下，用樹狀圖給出整個畫面的結(jié)構(gòu)：地理總貌圖地理總貌圖龍南分公司乘風分公司東風分公司CNG母站1-4#CNG子站流程圖報表調(diào)壓站計量站調(diào)壓+計量站加氣機壓縮機脫水機4.3相關(guān)HMI界面實例4.3.1SCADA系統(tǒng)主界面4.3.2調(diào)壓箱流程圖界面4.3.3CNG加氣子站流程圖界面4.3.4報表界面生產(chǎn)運行報表又分為日報表、周報表、月報表。報表系統(tǒng)可以選擇性的添加需要報表的相關(guān)數(shù)據(jù)（管理人員需要什么數(shù)據(jù)，只要在系統(tǒng)報表所列出的項目當中選擇就可以進行生成相應(yīng)的報表）。4.3.5趨勢分析界面趨勢分析可分為實時趨勢和歷史趨勢，可以同時使溫度、流量、壓力等8條監(jiān)測點的趨勢曲線在同一界面顯示。比如流量趨勢圖，我們可以找出一段時間的歷史趨勢進行分析，供氣的情況是不是有異常情況，如果某個時段流量突然非常大而且一直保持這樣的趨勢下去，我們可以初步判斷，可能是有漏氣情況發(fā)生。4.3.6報警和事件顯示界面系統(tǒng)能產(chǎn)生不同級別，如高（H）、高高（HH）、低（L）、低低（LL）等報警。報警主要在超高、超低報警，這個閥值可以調(diào)節(jié)。報警的設(shè)置應(yīng)通過簡單的組態(tài)即可完成。具有報警確認功能，該功能是在操作員發(fā)出報警確認信號后，系統(tǒng)將停止報警，改變報警顯示的顏色（停止閃爍）。至于事件，比如誰登陸到了系統(tǒng)可以作為一個事件來記錄，誰使用了什么命令等等。允許事件歸類和分組屏蔽。第5章總結(jié)第5