（热能工程专业论文）scada控制系统的研究和实现.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 本文主要介绍了如何通过使用s c a d a 系统应用于国内的天然气监控系统，阐 述目前流行的s c a d a 系统在国内天然气领域里结合的方式，通过s c a d a 系统的 方案的简介，列举式的说明了虚拟仪器控制在能源控制领域里的应用前景，并对 天然气监控系统在中国的发展提出了作者个人的看法。 课题结合实际工程，通过参加重庆市文星湾储配站s c a d a 控制系统的改造。 通过分析原有的天然气系统需要，对天然气监控系统进行了技术改造，系统采用 压差和温差控制，快速响应。针对天然气监控系统危险性高，易滞后的特点，采 用了p l c 模块控制，虚拟仪器控制界面直接操作。 s c a d a 系统是用于工业自动化和过程监视与控制的应用系统，通过使用各种 软件，操作人员能方便直观地获取现场实时数据，并适时下达控制命令，达到实 时监控与数据采集的目的。其中，程序如何与外部数据源进行数据交换或从现场 获得报警信息是s c a d a 软件的关键。s c a d a 软件通过i ，0 驱动程序从现场i ， o 设备获得实时数据，对实时数据进行必要的加工处理后，按照组态要求和操作 人员的指令将控制数据传送给i ，o 设备，对执行机构实施调整。远程监控站由测 量仪表、执行机构、隔离安全栅、远程终端单元p l c 及通信设备组成，p l c 和现 场的仪表及控制设备相连，实时采集所需要的各工艺参数，如燃气的压力、温度、 流量、泄漏浓度、阀门工作状态等等。远程监控站通过通信网络把所测得的数据 上传给主控中心，同时接受主控中心下达的指令，接受主控中心的监督及管理。 论文确定了s c a d a 控制系统的硬件组成，给出了控制系统的原理图和接线 图。本系统软件使用l a b v i e w 编写，稳定可靠，界面友好，具有工业应用强度。 整个系统改造只对原有系统进行了少量的改动和增加了部分设备，简单可靠，经 济性好。 关键词：s c a d a ；天然气监测系统，p l c ，虚拟仪器控制界面，l a b v i e w 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i sa r t i c l et e l l sa b o u th o wt ou s es c a d as y s t e mi nt h en a t u r a lg a sm o n i t o r i n g s y s t e mi nc h i n a i te x p a t i a t e st h ep o p u l a ru n i t sm o d eo fs c a d as y s t e mi nt h en a t u r a l g a sa p p l i c a t i o nd o m a i n b yi n t r o d u c eo f t h es c a d as y s t e m i te x p l a i n st h ef o r e g r o u n d o fv i r t u a ld e v i c ea p p l i c a t i o ni nt h ec o n t r o lf i e l do fe n e r g ys o u r c e sa n db r i n g sf o r w a r d h i so w na t t i t u d ei nt h en a t u r a lg a sa p p l i c a t i o nd o m a i n t h er e s e a r c hs u b j e c tl i n k sw i t hp r a c t i c ep r o j e c t ，t h et r a n s f o r mp r o j e c to fs c a d a s y s t e mi nc h o n g q i n gw e n x i n g w a n o w nt oa n a l y s et h en e e do fn a t u r e lg a s s y s t e m ，d o i n g t h et s c l m o l o l g i c a lt r a n s f o r m a t i o na b o u tt h en a t u r a lg a sm o n i t o r i n g s y s t e m a i m e da tt h ep e c u l i a r i t yo ft h en a t u r a lg a sm o n i t o r i n gs y s t e m ，h i g hf a t a l n e s s ， h y s t e r e s i sq u a l i t y , w ea d o p t e dt h ep l cm o d u l ec o n t r o l ，a n di n a k eu s eo ft h ev i r t u a l d e v i c ec o n t r o l e dt h ei n t e f f a c e t h es c a d a s y s t e mi su s e df o ri n d u s t r ya u t o m a t i o na n dp r o c e s ss u r v e i l l a n c ea n d c o n t r o lo fa p p l i e ds y s t e m ，p a s st ou s ev a r i o u ss o f t w a r e , o p e r a t eap e r s o n n e la b i l i t yt h e c o n v e n i e n c ek e e pt h ev i e wg r o u n dt oo b t a i nt h es p o ts o l i dh o u rd a t a , a n dd e s c e n dt o r e a c hc o n t r o lt oo r d e r a n yi ng o o dt i m e ，a t t a i ns o l i dh o u rs u p e r v i s ea n dc o n t r o lt oc o l l e c t w i t hd a t ao fp u r p o s e a m o n gt h e m ，h o wp r o c e d u r ei sc a r r yo nt h ed a t ac o m m u t a t i o n w i t l le x t e r i o rd a t as o u r c eo rf r o mo nt h es c e n ei sr e p o r tt ot h ep o l i c ea ni n f o r m a t i o ni s t h ek e yo f t h es c a d as o f t w a r e t h es c a d as o f t w a r ed r i v 鹤p r o c e d u r et h r o u g ha ni o f r o mt h es p o td a t af o rt h ei ，0e q u i p m e n t st oa c q u i r es o l i d t os o l i dh o u rt h ed a t ac a r r y o nn e c e s s i t yo fp r o c e s sp r o c e s s i n ga r e r a c c o r d i n gt os e tt h er e q u e s ta n do p e r a t et h e p e r s o n n e l si n s t r u c t i o nt od e l i v e rt h ec o n t r o ld a t at ot h ei ，0e q u i p m e n t s ，t op e r f o r m a n c e o r g a n i z a t i o ni m p l e m e n ta d j u s t t h el o n gr a n g es u p e r v i s i o n s t a t i o nf r o m m e a s u r e a p p e a r a n c e ，c a r r yo u to r g a n i z a t i o na n di n s u l a t es a f eg r i d ，t h el o n gr a n g et e r m i n a lu n i t p l ca n dc o r r e s p o n db yl e t t e ra ne q u i p m e n t st oc o n s t i t u t e , t h ep l ca n dt h eg a u g ea n d t h ec o n t r o le q u i p m e n t so ft h es p o tc o n n e c tw i t he a c ho t h e r , s o l i dt h eh o u rc o l l e c te a c h c r a f tp a r a m e t e rn e e d ，i fs p i r i to fp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e , d i s c h a r g e , l e a kd e n s i t y , t h ev a l v e d o o rw o r ka p p e a r a n c ee t e t h el o n gr a n g es u p e r v i s i o ns t a t i o np a s s e st h ec o r r e s p o n d e n c e n e t w o r km e a s n r eo ft h ed a t ap a s s e sal o r dt oc o n t r o lc e n t e r1 】p ，a c c e p t i n gal o r dt o c e n t r e lt h ei n s t r u c t i o nt h a tt h ec e n t e rd e s c e n d st or e a c hi nt h em e a n t i m e , a c c e p t i n gt h e d i r e c ta n dt h em a n a g e m e n tt h a tt h e1 0 r dc o n t r o l sc e n t e r t h i sa r t i c l ec o n f i r m e dt h eh a r d w a r ec o m p o s i t i o no ft h es c a d ac o n t r o l i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s y s t e m ，a n dp r o t r a c t e dt h es c h e m a t i cd i a g r a m a n dt h ec o n n e c t i o nd i a g r a mo ft h ec o n t r o l s y s t e m t h es y s t e ms o f t w a r ei sc o m p o s e db yl a b v l e w i to n l ya l t e r e dal i t t l ea b o u tt h e i n t r i n s i cs y s t e ma n da d d e ds o m ee x t u i p m c n t s c a d a , t h e n a t u r a lg a sm o n i t o r i n gs y s t e m , p l c ，v i r t u a ld e v i c e t h ea p p l i c a t i o no f l a b v i e w i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 三嗣 签字日期：2 ，7 年歹月2 乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位做作者躲五岗 导师躲田似纽 签字日期： 沙刁年乡月址日签字日期：l - 彳年歹月1 - l e 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 天然气是重要的工业原料和燃料，准确计量与合理使用、分配供气与费用计 算，对能源管理具有重要意义。目前天然气流量的测量多数仍采用标准孔板与双 波纹管的测量方式，其检测精度极易受压力、温度、流量系数、流束膨胀系数、 气体压缩系数及人为因素的影响【l 】，难以满足目前日趋精确的计量要求。随着天然 气日益广泛的使用，具有储存、调峰、计量及调压功能的燃气储配站必将发挥重 要作用。目前多数较大型的储配站，其充、放气过程以及压缩机的启、停过程都 还处在比较落后的人工操作阶段，需要先进的技术引入。 s c a d a ( s c a nc o n t r o l a l a r md a t a a c q u i s i t i o n ) 意为通过扫描报警控制数 据库软件，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合，具有丰富的i ，0 服务程序【2 】，针对国际上大多数p l c 都有相应的驱动程序；实时数据由性能高、 速度快的s c a d a 系统软件中的驱动程序通过不同方式采集到过程数据库中，它的 i o 驱动程序软件将从i 0 设备中读取的数据传入到驱动程序映像表的地址中， 扫描、报警、控制程序从驱动程序映像表中读取数据，并将处理后的数据传输到 过程数据库中，再通过内部数据库访问功能将这些数据传输至s c a d a 系统软件内 核中。充分使用了当前先进的软件技术。设计工程师能方便快捷地组成系统，现 场工程师对系统的维护、升级和扩展也很方便。系统软件的图形功能非常强大， 现场情景能形象直观地反映到监控站的画面上，将检测的数据清晰明了地显示在 显示器上；内嵌v b a ( v i s u a l b a s i cf o r a p p l i e a t i o n ) 的编程功能，能实现不同控 制系统的特殊功能。s c a d a 是现代工业自动控制发展的产物，可用于远程监视和 过程控制，监控诸如管线、水利和电力传送网和天然气管理设施。应用中，操作 者可身处离被监控点几公里或者几百公里以外的地方，s c a d a 使之成为可能。 重庆市文星湾储配站s c a d a 控制系统的改造从天然气储配系统实际需求出 发，跟踪自控技术发展的方向，采用先进的软、硬件产品，在系统设计上充分考 虑了系统的先进性、可靠性、安全性、实用性、可扩展性以及管理方便性。其天 然气计量采用在线全自动补偿算法，自动计算出标准状态下天然气的流量，流量 计算公式符合石油天然气总公司颁布的石油天然气行业标准s y 6 1 4 3 - 1 9 9 6 及国际 标准i s 0 5 1 6 7 。同时，设计在配置了网络通讯选件的条件下，可作为天然气管理调 度控制中心s c a d a 系统的一个远程控制单元站点，可被远程控制，并能随时向远 控中心提供场站的所有工况及运行参数信息。并通过虚拟仪器技术直观的反映运 行状况和进行安全控制。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2s c a d a 控制系统的发展历史及现状 2 1 1 9 6 8 年，安布瑞基管道公司使用自行研究开发的s c a d a 系统，使其成为世界上 最早实现管道运行自动化的管道公司之一。由于当时s c a d a 工业尚不存在，所以 该管道公司不得不自行建立管道运行自动化的简易系统。第一个s c a d a 系统是在 i b m 3 6 0 4 0 计算机上运行的，此系统在1 9 7 1 年被数字设备计算机所替代。替代的 计算机类型从最初的数字设备计算机系统1 0 ，到8 0 年代的大量虚拟地址扩充系统 计算机( 1 1 7 8 0 和8 5 0 0 ) 。这个以虚拟地址扩充为基础的系统是由巨大的f o r t r a n 代码组成的，其数据库包括大量的内部结构。但是，由于这个系统变得越来越难 以维护，硬件也十分昂贵，此外，系统还极大地限制了图像处理能力，因此安布 瑞基管道公司决定用一个在惠普计算机上运行的系统来替代以虚拟地址扩充为基 础的系统。 9 0 年代初，s c a d a 工业已经发展成熟，管道公司可根据自己的需求购买相应 的产品。但是，安布瑞基管道公司还是决定再一次开发自己的s c a d a 系统，因为 安布瑞基管道公司不仅需要一个稳定可靠的s c a d a 系统，而且为了满足公司的发 展变化，还必须不断地修改s c a d a 系统。因为s c a d a 系统一旦发生故障，就会 造成公司的重大经济损失，所以，安布瑞基管道公司不愿在制定和修改s c a d a 系 统方案问题上受制于人，尤其是在安布瑞基管道公司必须与其他使用s c a d a 系统 的对手竞争的情况下。 1 9 9 1 年，安布瑞基管道公司开始建立新的管道控制系统，该系统建立在惠普 实时应用平台之上。这个专为管道运行设计的惠普实时应用平台，为安布瑞基管 道公司的工程师们提供了研制现代化管道控制系统的工具。新建的管道控制系统 应用了惠普实时应用平台程序和用c 及c + + 语言编写的新程序。由于使用了上述 开发工具，工程师们建立的这个不可缺的图像和数据分析收集装置所需的时间节 约了一半。研制的成果是一个带点击功能的稳定而易于使用的程序，并新增了一 些老系统没有的功能。此外，这个改进了的新管道控制系统还具有收集巨量数据 的功能，这是原系统无法实现的。 在中国，随着计算机技术的不断发展，计算机监控系统已经广泛应用在天然气 管网的自动控制系统中。其中，可编程控制器p l c 由于采用了计算机技术，具有 通信、计时控制、数据采集、数据运算和逻辑控制等多种先进功能。具有编程灵 活，可靠性高，能适应较恶劣的环境等特点，在水电厂计算机监控系统和油、水、气等 辅助设备的控制系统中起着重要作用。由于“三遥”( 遥测、遥信、遥控) 的流行， s c a d a 在长输管线中有着更多的应用，8 0 年代以前，我国长输管道基本上是常规 仪表检测、就地控制。8 0 年代中期以来，在铁i 岭一大连输油管线和东营黄 岛输油管道复线上引进了国外先进技术，填补了我国管道应用s c a d a 系统的空 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 白，达到国外8 0 年代水平。在铁岭秦皇岛输油管线和轮南库尔勒输油管 线上采用了我国自行设计的s c a d a 系统。目前，s c a d a 系统已广泛应用于我 国天然气管道以及相关场站控制工程之中。 1 3 虚拟仪器技术 3 卅 1 3 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v d 是现代计算机技术和仪器技术深层次结 合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具 有虚拟面板，测试功能由钡9 试软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或 键盘操作虚拟面板，就如同使用台专用测量仪器。虚拟仪器的出现使测量仪器 与个人计算机的界线模糊了。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面 板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的 运算、分析和处理，利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各 种测试功能的种计算机仪器系统。“虚拟”主要包含以下两方面的含义。 1 1 虚拟的仪器面板 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种按键和旋钮相对应的。 如各种开关、按键等实现仪器电源的“通”、“断”，被测信号“输入通道”、“放大倍 数”等参数设置，测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是实物，而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟 仪器面板控件是外形与实物相像的图标，“通”、“断”、“放大”等对应着相应的软件 程序，控件由计算机的鼠标来对其进行操作。 因此，设计虚拟面板的过程就是在面板窗口中摆放所需的控件，然后编写相 应的程序。 2 ) 由软件编程来实现的虚拟仪器测量功能 在以p c 为核心的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实 现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测 试功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与 计算机技术深层次的结合。 1 3 2 虚拟仪器的优点 虚拟仪器与传统仪器相比，有以下几个优点： 1 ) 虚拟面板的设计比传统面板更加人性化，从而提高操作的正确性与便捷性，且 虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受零件标准加工工 重庆大学硕士学位论文1 绪论 艺的限制。 2 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 3 ) 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。 4 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需购买新的仪器。 5 ) 研制周期较传统仪器大为缩短。 6 ) 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的优点的根本原因在于：虚拟仪器 的关键是软件。 1 3 3 虚拟仪器开发工具 虚拟仪器的开发工具比较广泛，目前比较流行的软件开发技术是面向对象的 编程技术和图形编程技术，两者在虚拟仪器开发中都有应用。 可视化编程语言环境：美国微软公司( m i c r o s o f t ) 的v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 和 美国国家仪器公司i ) 的l a b w i n d o w s c 等均可以用来开发虚拟仪器的配套软 件，但相比较图形编程语言来说，编程难度较大，开发周期较长且不易进行更改、 升级和维护等。 而图形编程语言在这方面具有无可比拟的优势，它具有简单易学，开发周期 短，开发出的应用程序界面美观，功能强大。常用的编程语言有美国国家仪器公 司( n o 的l a b v i e w 和美国安捷伦公司( a g i l e n t ) 的v e e 等。其中应用最为广泛的是 l 曲v i e w ，目前版本已经发展到8 0 版。 此外，美国t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 和t e k - t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a r t c r 平台，也是公认的优秀虚拟仪器开发平台。 1 4 课论文意义和成果 本文从天然气储配系统实际需求出发，跟踪自控技术发展的方向，采用先进的 软、硬件产品，在系统设计上充分考虑了系统的管理方便性。同时，设计在配置 了网络通讯选件的条件下，可作为天然气管理调度控制中心s c a d a 系统的一个 p l c e 习( 远程控制单元) 站点，可被远程控制，并能随时向远控中心提供场站的所有 工况及运行参数信息。软件方面也采用了较为新颖的l a b v l e w 软件进行编程和建 立监测系统，测诊系统通过流量、温度等信号的变化，采用经验常数和计算要求 相结合的诊断方法进行分析，现场人员能实时掌握整个场站的运行状态，合理地 安排检修，从而大大地排除了重大事故发生的可能性，节约运行成本和提高了安 全系数。 4 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 2 1 重庆市天然气公司文星湾s c a d a 系统的基本组成 依据重庆燃气公司信息中心提供的工艺过程和控制要求，并考虑系统可靠性 及公司未来s c a d a 系统的需要，文星湾工程储配站( s c c ) 自动化系统由三级设备 构成【6 l ，即监控计算机站、主控站和p l c 控制站，以主控站为s c c 监控核心。系 统的构成示意图2 1 。 1 ) 场控制站和操作站( 计算机) 采用高速以太网进行数据交换，加快了数据刷新速 度。该数据交换网络通过交换机实现，这样场站数据可以很方便地与s c a d a 系统进行网络数据交换。 2 ) 可编程控制器作为现场控制站负责采集现场仪表信号和设备运行状态，并按工 艺要求进行自动调节、设备启停和异常时的联锁保护。 3 ) m c c 调度中心系统根据工况自动完成设备的启停、调节控制。遥控和就地控 制方式的切换由就地控制箱完成，自动方式和遥控方式的切换由计算机操作站 和调度中心m c c 完成。 图2 1 文星湾s c a d a 系统结构 f i g 2 1w e n x i n g g u l f s c a d as y s t e ms t r u c t m o 5 重庆大学硕士学位论文 2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 2 1 1 文星湾天然气储配站原有设备及其功能 文星湾储配站由井北线和帅家堡站供气，分别向c n g 加气站和公用管网配气。 已有设备： 3 台1 0 0 0 m 3 储气球罐( 储气压力0 7 5 m p a ) ，储存和供应天然气，城市储气备 用。 一组调压系统，调节压力，满足民用、工用不同要求的压力。 2 组低压压缩机。 3 组高压压缩机( 含控制屏) ：进口压力 0 3 m p a ，出口压力2 5m p a 。 出站流量采用一套涡轮流量计，测量以及传输简单数据。 其他：供配电、防雷接地、消防系统等。 2 1 2 重庆市天然气公司文星湾天然气储配站s c a d a 系统控制点分布 低咖低嘲纽 y y 2 1y y 2 2 图2 2 文星站控制点分布 f i g 2 2 mr i n gg u l f c o n t r o lp o i n td i s t r i b u t e 6 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 整理如下表所列： 输配区 序号位号说明仪表系统要求及p l c 模块备注 l儿l 井北线气源输入计量涡轮流量计媪压补偿 q r t 2p 1 1 井北线气源输入压力压力变送器 m t 含在i 中 3t l l 井北线气源温度 一体化温变s b w z m - t 含在l 中 4t j f l l 球罐向公用管网供气调节阀电动调节阀 ca i 模块、a o 模块已有 5t j f l 2 球罐向公用管网供气调节阀电动调节阀 ca i 模块、a o 模块已有 6d d f l l 井北线向c n g 供气电动阀电动阀 cd i 模块 7p 1 2 公用管线进出口压力压力变送器 i a k ta i 模块 已有 球罐区 序号位号说明仪表系统要求 li 4 i 球罐压力压力变送器 t a r ta i 模块 应有3 个 2t 4 1 l # 球罐温度一体化温变s b w z i a r a i 模块 已有 3t 4 2 2 # 球罐温度一体化温变s b w z i a r a i 模块已有 4t 4 3 3 # 球罐温度一体化温变s b w z i a r a i 模块已有 5d d f 4 l压缩机向球罐供气控制阀电动阀cd i 模块 已有 6d d f 4 2 球罐向输配区供气控制阀电动阀 cd i 模块 已有 低压压缩机 序号位号说明仪表系统要求 l t j f 2 l 进口压力调节阀电动调节阀 cd i 模块、a o 模块已有 2p 2 l进口压力压力变送器l a ra i 模块已有 3d d f 2 3 供水控制阀电磁阔 cd i 模块 新增 4d d f 2 l l # 机进口控制阀电动阀 cd i 模块 新增 5t j f 2 2 1 # 机加压调节阀 电动调节阀ca i 模块、a o 模块新增 6p 2 2 l # 机出口气压力压力变送器 t a ra i 模块 新增 7y y 2 1 l # 供油压力压力变送器 t a ra i 模块 已有 8s y 2 l l # 机供水压力 压力变送器i a ra i 模块 新增 91 1 2 l l # 机一级排气温度一体化温变s b w z a ra i 模块 新增 1 0r 2 2 1 # 机二级排气温度一体化温变s b w z t a ra i 模块 新增 1 lt 2 3 1 # 机冷却后温度一体化温变s b w z j a ra i 模块 新增 1 2d d f 2 2 2 # 机进口控制阀电动阀 cd i 模块 新增 1 3t j f 2 3 2 # 机加压调节阀电动调节阀 ca i 模块、a o 模块新增 1 4p 2 3 2 # 机出口气压力 压力变送器 i a ra i 模块 新增 1 5y y 2 2 2 # 机供油压力压力变送器 i a ra i 模块 已有 1 6s y 2 22 # 机供水压力压力变送器 i a ra i 模块 新增 1 7t 2 4 2 # 机一级排气温度 一体化温变s b w zi a ra i 模块 新增 1 8t 2 5 2 # 机二级排气温度一体化温变s b w z i a ra i 模块 新增 1 9t 2 62 # 机冷却后温度一体化温变s b w z i a ra i 模块 新增 c n g 站 序号位号说明仪表 系统要求 11 4 1 c n g 站计量苍南t d s 一1 0 0 b已有 2d c f l l # 机供水控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 3d c f 2 1 # 机一级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 4d c f 3 l # 机二级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 7 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 续前表： 5d c f 4 l # 机三级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 6d c f 51 # 机四级排污控制阀 电磁阀 cd o 模块 新增 7d c f 6 2 # 机供水控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 8d c f 7 2 辅l 一级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 9d c f 82 # 机二级排污控制阀 电磁阀 cd o 模块 新增 1 0d c f 9 2 # 机三级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 l l d c f l o2 # 机四级排污控制阀 电磁阀 cd o 模块 新增 1 2d c f l l 3 # 机供水控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 1 3d c f l 2 3 # 机一级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 1 4d c f l 3 3 # 机二级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 1 5d c f l 4 3 # 机三级排污控制阀 电磁阀cd o 模块 新增 1 6d c f l 5 3 # 机四级排污控制阀电磁阀 cd o 模块 新增 1 7 h 2 s 在线检测 【 a i 模块 已有 水分析仪【a i 模块 已有 备注：系统要求栏内的字母含义如下 i = 显示a = 报警r = 记录 q = 累计c = 控制t = 远传 a i = 模拟量输入模块a o = - 模拟量输出模块d i - 数字量采集模块d o = 数字量输出模块 2 2 重庆天然气公司文星湾s c a d a 数采系统 2 2 1 重庆文星湾s c a d a 系统数据传输层原理 文星湾s c a d a 系统的数据传输层8 1 的结构如图2 3 ： 图2 3 文星湾s c a d a 系统信号传输结构 f i g 2 3w e nx i n gg u l fs c a d a s c a d as y s t e ms i g n a ld e l i v e r ss l r u c t u r o 8 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 天然气场站由于测量项目比较多，不同测试项目中测试信号的性质不同，对 测试的采样率要求也不一致，为了满足不同项目的测试要求，设计数据采集软件 时可以采用动态连接库d l l 技术。o p c 技术完全支持分布式应用和异构环境下 应用程序之间软件的无缝集成和互操作性，给工业控制系统应用程序间的通信建立 一套符合工业控制要求的通信接口规范，使控制软件可以高效、稳定地对硬件设 备进行，o p c 技术采用开放式数据交互【9 】，能使出自不同公司的软硬件组成一个 有机的整体。它传输可靠，速度快，而且适于大批量数据交换，目前已经成为工 控行业新的通讯标准。并可对设备进行配置和数据读取的函数做成动态连接库， 然后在运行主程序中通过加载动态连接库，获取其函数指针来调用函数，从而实 现对设备的操作。为方便对不同测试项目的数据进行不同的处理、分析，系统也 可以应用s q l 建立一个描述存入内存的数据与数据库之间关系的表格，然后将读 取的数据存入数据库。最后利用数据库技术，就可以更方便地对数据进行处理分 析，可以很方便地对要显示的数据进行定位以及选择不同测试项目进行显示。本 系统通过p l c 收集现场信息，并将现场信息传送到控制中心进行显示和报告，进 行监控、调度、管理和故障诊断f 1 0 1 。还可使用c 语言编程建立动态链接的数据库， 通过应用软件( 本系统为l a b v i e w ) 可以较为直观的实现对数据库的访问。 2 2 2p l c 工作流程 系统中的通讯大体分为三标准通讯协议：中心到通讯网络、通讯网络到分站 以及分站到现场设备( h ps c a d a 系统中的底层通讯) ，关注的主点在于底层通讯。 在s c a d a 系统的底层通讯部分【1 1 1 ，传统的方式采用的是4 2 0 m a 或者l 5 v 的 模拟信号来传输信息，模拟信号往往只能传输某一待测量的当前值，难以做到多 个测量值及累计量的传输。p l c 是s c a d a 系统的基础，是一个能够独立运行、 完成全部设定功能的单元。随着对通讯技术的发展，p l c 越来越多的采用 r s 2 3 2 r s 4 8 5 等标准，靠数字信号来传输现场信息，其可以很好地向上位同时传 输多个测量值及累计量，并方便统计历史数据。工程应用中的p l c 基本上都固化了 m o db u s a s c i i m o db u sr t u d f l d n p 3 等通用的标准通讯协议。如图2 4 ，p l c 通过分布于管网的主要调压站、管网不利点的各测量传感器，s c a d a 系统能连续 获取管网的运行信息，如压力、流量。通过对这些信息的采集、整合得到整个管 网的运行状况。超过上限或下限时报警，提高了信息反馈速度和广度，提高了工 作效率【。数据的及时性、准确性与手工统计相比，既快又好，并且为决策层提 供了更多层次的信息。 9 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 图2 4p l c 工作流程图 f i g 2 4 p l cw o r k f l o wd i a g r a m 2 3 重庆文星湾s c a d a 系统p l c 的编程【1 3 】 本系统根据不同的情况采用了不同的p l c ，高压机组控制的是通过德国西门 子公司的s - 2 0 0 系列的p l c 实现，干燥器的控制是两台日本欧姆龙公司的p l c 实 现，各个公司的p l c 出厂都附有相应产品的编程说明，使用的软件也各不相同， 但是梯形图的基本结构和原理还是一样的。 2 3 1 模拟量的平均值滤波 1 4 - 1 5 】 模拟量信号如压力、电流值等，常常会因为现场瞬时干扰而产生较大波动， 如果仅用瞬时采样值进行控制计算，就会产生较大误差，因此要采用数字滤波， 可以使用平均值法。 平均值法是用1 1 次采样值的平均值来代替当前值。这种方法有两个特点：第 一是当前值总与历史值有关，削弱了瞬时干扰的影响。第二，和每采样n 次求平 均值一次的方式相比，反映速度快。如图2 6 ，电磁阀的平均滤波程序与其变量表 相对应。 l o 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 内存地址 计算用变量 r 0 0 0 1当前采样输入值 r 0 0 0 2第五次采样值 r 0 0 0 3第四次采样值 r 0 0 0 4第三次采样值 r 0 0 0 5第二次采样值 r 0 0 0 6第一次采样值 r 0 0 0 7计算暂用 r 0 0 0 8计算暂用 r 0 0 0 9第五次采样值和数的低1 6 住 r 0 0 1 0第五次采样值和数的高1 6 住 r 0 0 1 1采样时间计时器累加器值 r 0 0 12采样时间计时器预置 r 0 0 1 3平均值，即有效的当前值 r 0 0 1 4计算暂用 r 0 0 1 5计算暂用 启动定时器0 定时时间 为9 8 2 秒 当前采样值，及前几次 采样值移位 采样和减去第一次采样 值 采样和加当前采样值 置采样次数为5 求有效当前值，存入 r 0 0 1 3 图2 5 电磁阀平均滤波程序梯形图 m g 2 5 t h ee l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ea v e r a g ew a v ep r o c e m ：l u mt r a p e z o i dd i a g m m 2 3 2 闭环系统中p i d 调节 p i d 方程是指能实现p i d 调节功能的数字方程表达式。所谓p i d 调节功能是 指系统输出的控制量是输入变量的放大、积分和微分的函数。 邱，( e + 击肛+ t d 詈m 其中e 可一y 误差函数 f ：输入的设定值 y 系统输出的反馈值 k ：系统放大倍数 t i ：积分时间常数 t d ：微分时间常数 m ：系统偏移量 由方程式可知，系统输出与三部分有关： l 【。e ：比例部分，即和输入误差函数成比。 雕。鼢lll lll。黼涨。 r r r ，a r r r r r r rr#rl 0 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 k - - - - l vj e e d t = k ；f e d t ：积分部分，即和输入误差函数的积分成比例，k 称为积 分常数。 k p t d 罢= k 。罢：微分部分，即和输入误差函数的微分成比例，瞄称为微分 常数。 为了适应数字方式运算，利用数学中的差分原理将议程离散化。 k ir e d t = k i 娄e t k 。a 出e = k 。訾 当f 为常量时，。e = r y ， “k 。d 班e ”畅鼍= 咆鼍笋 - p _ k d n k 蒿ne & 喝净+ mf = 0 u 由方程可知，比例部分对输出的作用是误差涵数的放大，即和误差函数成比 例，随误差函数的存在而存在；当误差函数消失后对输出的作用也立即消失。对 输出影响之大小决定于比例放大系数l ( o 及误差值e 。积分部分对输出的作用是与 误差函数的大小与作用时间之乘积成比例，因此作用的时间越长其作用的影响也 越大。误差函数消失，但它的作用并不随之消失，只是作用的增长消失，作用增 长的快慢既决定于误差的大小，也决定于系统参数所决定的与t i 值。微分部分 对输出的作用是比例于误差的变化率，因此当误差处于一个稳定状态，即使有误 差存在，它对系统输出亦无影响；其次它对输出的影响是反作用的。 2 3 3 模拟量输出模块功能 由于本系统采样数据多样话，要求也各不相同，模拟量输出的i o 单元模块选 择就要相对特殊，可实现以下几种功能；直接输出、输出限幅、上下限报警和脉 冲输出。 1 ) 直接输出 电磁阀模拟量输出单元号设置为l ，要求当输入接点0 0 0 0 0 闭和时向输出单元 第一路输出一个数字量，该数据存在于h r l 0 通道中，程序段如图2 6 。 重庆大学硕士学位论文2 重庆市文星湾储配站s c a d a 监控系统的基本组成 苜 图2 6p l c 直接输出梯形图 f i g 2 6 p l cd i r e c tf f x p o r tt r a p e z o i dd i a f a m 2 ) 输出限幅 可自行确定输出信号的上下限值，并以二进制数据方式分别存入不同的通道 中，若输入的数字量超出了限幅值，则按照限幅值输出，并且在m 区中相应的状 态位置位。限幅功能如图2 7 ，附有电磁阀限幅输出梯形图相对应。 模拟量输出 模拟量袖 上晨 模拟量输 下限 图2 7p l c 限幅输功能及其对应梯形图 f i g 2 7 t h ep l cl i m i tl o s e sf u n c t i o na n di tc h e c k sa g a i n s tt r a p e z o i dd i a g r a m 3 ) 上下限报警 和输出限副功能有相同之处，准许对输出模拟信号设定上、下限值，所不同 的是，当输入的数字超出了上、下限值时仍可按数字量对应的模拟量信号输出， 但是同时向报警输出端子输出信号，使用可监测，并且将r 区中对应的报警标志 为o n 。另外，上限值和下限值可以包含死区。上、下限报警功能如图2 8 ，附有 电磁阀上下限报警梯形