燃气输配SCADA系统设计

摘要本文以赤峰燃气公司建设的城市燃气SCADA系统为例，介绍了SCADA系统在燃气等工业行业中的重要作用。为满足对城市燃气生产过程的调度指挥，建立数字化，信息化城市，需要建立可靠的城市燃气SCADA生产指挥系统。国内各主要燃气企业如北京、武汉、上海、徐州、绍兴都在有计划地推进或完成了生产调度指挥系统的建设。赤峰市是随着赤峰煤矿工业的开发建设而诞生并逐步发展起来的新兴工业城市。随着赤峰城市建设快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对城市燃气的供应服务质量和燃气供应量提出了越来越高的要求。在燃气入户工程的迅速发展的环境下，目前，在赤峰城市燃气输配管网中，各调压箱、计量箱、商服计量间、CNG站地理位置分散，站场偏远，地域广阔，而且对各站（箱）的监控仍采取人工记录，逐级汇报的方法，所以存在着上报数据不及时，发现事故不及时等安全隐患。基于此情况，建立一套SCADA系统来满足对生产过程的调度指挥，将会实现对现场生产数据的实时采集与监控、保证安全平稳供气、完善应急供气方案。关键词：调压箱，监控，通讯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目录目录TOC\o"1-2"\h\u18030第1章赤峰市城市燃气SCADA系统概述 第1章赤峰市城市燃气SCADA系统概述1.1系统描述赤峰市城市燃气生产指挥系统（SCADA），即在赤峰燃气公司设置生产指挥中心；在各调压箱和计量箱设立远端RTU站；在CNG加气站设立视频监控和数据上传系统，以及建立生产指挥调度中心与远端站之间的通讯系统，形成完整的生产调度数据监控体系，为生产指挥决策提供依据。建成的SCADA生产指挥系统，将会完成对各远端站的监控、调度管理和优化运行等任务；各站在通常状况下RTU系统独立操作，实现站内数据采集及处理，并向生产指挥调度中心上传所采集的各种数据与信息，RTU也可执行生产指挥调度中心指令实现对现场仪表控制的作用。在有人值守站（CNG站）设置监控、调度管理终端。一旦数据通信系统或上级系统发生故障，可以及时报警并自动切换到就地控制的安全模式工作状态。SCADA系统的可靠性和可用性取决于从生产指挥调度中心到远端RTU站及从远端RTU站返回生产指挥调度中心的数据传输情况。在保证可靠性的前提下，为了节省数据传输费用，在有人职守站（CNG）中，采用ADSL宽带网作为通讯方式；在无人职守站中，采用无线SCDMA通讯方式。SCADA系统采用了开放性的接口设计，具备从其他系统获得数据和向其他系统提供数据的功能，以便日后系统功能的扩展。赤峰燃气生产指挥系统（SCADA）的组成如下图所示：燃气公司数据中心燃气公司数据中心生产指挥系统容灾备份中心生产指挥调度中心心生产指挥系统容灾备份中心生产指挥调度中心心预留第三方接口预留第三方接口地理信息系统地理信息系统办公自动化系统办公自动化系统仿真系统仿真系统ADSLSCDMA客户服务综合管理系统ADSLSCDMA客户服务综合管理系统站控系统站控系统(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计量+调压RTU站调压RTU站母站、门站CNGRTU站计量RTU站母站、门站CNGRTU站计量RTU站1.2系统规模根据目前情况，系统规模设定为：一个“生产指挥调度中心”，包括大屏幕系统；建立CNG母站和4个CNG子站的视频监控系统；建立49个远端RTU控制站；第2章赤峰市城市燃气SCADA系统的原理及功能第2章赤峰市城市燃气SCADA系统的原理与功能2.1系统原理为了使整个赤峰燃气SCADA系统更可靠,安全,容易操作,我们把整个系统分成几个功能层次，见下图。核心数据库核心数据库生产指挥中心软件平台接口远程通讯民用燃气数据监控CNG监控系统传感单元控制单元视频单元信息层控制层通讯层传感单元设备层2.1.1信息层服务器为2个SunSolarisUnix机器，互为冗余备份，并安装IASCADAmasterstations软件。2.1.2通讯层通讯层由赤峰工业通讯公司提供，包括两种：有线部分(光纤,ADSL)无线部分(SCDMA)有线部分最终接口是RJ-45，固定IP，在同一个网段内。中心和调压站、计量站、调压+计量站的通讯使用SCDMA无线通讯，SCADA系统要求完全透明通道。2.1.3控制层控制层由RTU控制单元和站内监控系统两大部分组成。RTU设置在现场，它由CPU模块、I/O模块、电源模块、通信模块等组成，可实现对各调压箱、计量箱现场情况的监控。CNG母站、CNG子站和供气门站内均设有由PLC和计算机组成的站控系统，实现对站内数据的事实监控。2.1.4设备层这一层由温度变送器、压力变送器、可燃气体报警器和流量计等现场仪表和门禁开关等开关量信号组成传感单元；由各类电动执行机构和继电器输出触点组成控制单元，实现对调压站、计量站、CNG站和门站的现场信号采集及控制指令执行。2.2系统主要功能对各站数据的实时采集，处理和存储；实时和历史数据趋势图，棒状图和其它画面显示；对现场工艺变量，全线工艺设备运行状态进行监视；报警和事件管理；通信通道监视及管理；SQL/ODBC关系数据库链接，将SCADA系统实时数据库数据按要求写入历史数据库，供其他系统使用；参数敲定画面；系统自诊断；安全保护功能，可设置不同安全区和安全级别，用户可以建立不同的安全功能区，和不同的功能级别；SCADA系统在接口设计上应具备从共他系统(如GIS，CIS等)获取数据和向其他系统(如GIS，管网仿真系统等)提供数据的功能，以便系统功能的扩展；能根据实时数据，观看在扩展期内的发展趋势，至少可同时显示出4个趋势且每10秒扫描一次(扫描频率可调节)，图形显示要求和历史数据显示一致且每10秒扫描一次(扫描频率可调节)，哪一个模拟量要显示趋势，由操作员根据标志或其他键盘输入确定，在要求时间段显示；对于预设的重要事件，系统可发出声、光报警，并预留能向特定人员发出短信通知的接口，以便系统扩展；系统可嵌入Webserver，页面可以使用Web浏览器显示浏览，支持图形显示和链接功能。2.3采集数据点2.3.1远端RTU站调压+计量RTU站需要采集数据：计量箱压力、温度、标况瞬时流量、累计流量、门禁信号；调压箱入口压力、出口压力、门禁信号。调压RTU站需要采集数据：调压箱入口压力、出口压力、温度、门禁信号。计量RTU站需要采集数据：计量箱压力、温度、标况瞬时流量、累计流量、门禁信号。2.3.2CNG子站1、4、5号CNG子站需要采集数据：单枪（1—8号）加气时间、单次加气量、本班加气量、累计加气量；每站日加气量、累计加气量、进气压力、一排压力、二排压力。2号液压CNG子站需要采集数据：压缩天然气气压、液压油油压、电机温度、注油温度；单枪（1—6号）加气时间、单次加气量、本班加气量、累计加气量。2.3.3CNG母站各脱水机（1—3号）加热器排气温度、再生气排气温度、冷却器排气温度；各压缩机（1—6号）进气系统压力、一排压力、二排压力、三排压力、四排压力；各加气柱（1—6号）加气时间、单次加气量、日加气量、累计加气量；由加气机计算的总加气量、由流量计读出的总加气量。2.4数据采集和处理在调度中心，操作员画面上可以监视现场状态。由于配置实时数据库,所以我们可以实时的监视到各个站点的关键参数。遥测信号包括压力、温度、流量。2.4.1数据获取在SCADA系统中，有一个FEP子系统，并且属于IASCADA的一部分。它负责提供对所有现有设备的数据获取。以下的项目都是由FEP来管理的：通讯通道,通讯量的统计数据交换支持实时的配置FEP对象，包括与现场站点RTU的通讯配置错误检测,和重试2.4.2数据的属性数据在SCADA上的指示是比较重要的一部分，数据的质量的好坏又各种原因，所以对每一个点都要有一个质量标记表，工程师可以从这个表中获得相关数据，并能快速的确定到底是整个数据采集的哪一个环节出了问题。当现场的仪表本身出了问题，那么调度中心的数据无法显示，这时我们需要人为的干预系统。例如，一个传感器传来的数据是明显错误的，操作人员可以手动的将远传的仪表值越过，并且自己可以键入一个合理的值，同时系统会记录这个操作过程，把它当成是一个发生的事件记录在案同时产生报警，这时调度人员可以通知现场维护仪表的人员对仪表进行维修，等仪表维修好以后操作员在去除这个越过，这时系统又可以通过正常的采集获得仪表数据。第3章主要硬件描述第3章主要硬件描述3.1服务器服务器是计算机系统的核心，运行各种软件，采集各站的过程数据，担负着整个系统的实时数据库，历史数据库和事件数据库的管理，网络管理等重要工作，主要的服务器采用冗余配置，其性能适合工业用硬件和软件的标准，具有容错和自诊断能力。所有服务器均配置标准的机柜，机柜内配置电源插座，同赤峰燃气公司原有机柜造型和颜色统一。本项目服务器包括2台SCADA服务器和1台历史数据库服务器。3.2工作站根据所完成工作不同，生产指挥调度中心配置不同的工作站，所有工作站计算机均选用国际知名品牌（如DELL，IBM），并且是该品牌中的中高档配置。本项目工作站包括2台操作员工作站、1台工程师工作站、1台视频工作站、2台无线通讯前置机和1台便携式工作站。3.3大屏幕DLP大屏幕显示系统由8台60英寸的DLP的投影单元，多屏拼接控制器及控制软件三大部分构成。其中投影单元采用全钣金结构的精密箱体，以4×2的组合方式拼接成大屏幕显示屏，单屏的尺寸为1217mm×912mm，拼接后屏体的尺寸为4868mm（宽）×1824mm（高）x690mm（厚）。3.4网络通讯设备生产指挥调度中心的局域网(LAN)支持网络上连接的所有设备的数据交换，满足实时，多任务，多参数的要求。采用标准的，开放型局域网结构。按双网冗余设置，能与上位计算机系统联网并进行数据交换，能兼容异种机型工作，与异种局域网或同类局域网的互联，网络连接采用网络交换机，其速率为100Mbps。与服务器连接为1000Mbps，且易于升级，网上所有设备，均可交互访问，支持TCP/IP协议，网络媒介采用6类双绞线或光纤。网络交换设备配置机柜需同燃气大厦计算机房内原有机柜规格、颜色等统一，机柜内配置电源插座。3.5RTU共有远端RTU控制单元49套。RTU设置在现场，它由CPU模块、I/O模块、电源模块、通信模块等组成。除完成对所在场站的数据采集和监控任务外，还要通过无线通讯完成与生产指挥调度中心计算机监控系统之间的信息传递。同时，现场RTU各I/O点的属性在生产指挥调度中心SCADA系统中均能根据实际情况进行定义，这样在新增监测点时，生产指挥调度中心SCADA系统只需进行相关配置，即可完成对这些监测点的通讯、监控和管理，而不需要对SCADA服务器端增设任何硬件。3.6SCDMA数据采集模块SCDMA数据通信模块可以提供快速、稳定、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。利用SCDMA无线网络平台可以实现数据信息的透明传输，能够在网络结构上实现虚拟数据专用网。SCDMA数据通信模块优点如下：采用低功耗、高性能的嵌入式处理器，可高速处理协议和大量数据；具有语音、数据优先级设置功能，可以根据用户的需求设定各种业务的优先级，可以令数据业务优先于语音业务，以保证数据传输的实时性、可靠性，这一点是其他运营商的网络不可比拟的；提供两种工作模式，随机附带PC配置软件，供用户灵活配置工作模式和参数（永远在线模式和轮询模式，燃气公司可以根据RTU所采集参数的数据量和对实时性要求来选择数据传输的工作模式，这一点也是其他运营商的网络不可比拟的）；支持全透明方式下多中心数据传输；具有自我检测功能，它与外接的RTU设备具有心跳机制，在工作过程中互相监视、互相复位；抗干扰设计，适合各种恶劣环境的应用需求；方便的系统配置和维护接口；支持串口软件升级和远程维护。生产指挥调度中心具备可选的备用冗余功能，设一主一备两个通讯站，平时RTU端的SCDMA数据通信模块只与调度中心主通讯站联系，当主通讯站联系不上时，RTU端的SCDMA数据通信模块能自动与备用通讯站联系，切换到备用系统进行工作，当主通讯站系统恢复正常，关闭备用通讯站系统时，能恢复到主IP地址系统进行工作。第4章系统人机界面（HMI）第4章系统人机界面(HMI)4.1概述人机界面主要是提供给用户一个进入系统的接口，无论是操作还是配置，操作员和工程师都可以通过全图形的画面进入系统进行操作。为了防止操作人员眼部长时间看屏幕导致眼部疾病，所以使用背景颜色主色为黑色（国际标准建议使用黑色），明亮颜色会给操作人员造成较大伤害。4.2系统界面结构考虑到赤峰燃气系统的整个大的地理区域上面有3个小区域（东风、乘分、龙南），点击地图上的区域，我们都可以进入相应的区域画面，每一个区域都包含不同的调压、计量站点，分别点击就可以进入到具体的每一个现场站点。如下，用树状图给出整个画面的结构：地理总貌图地理总貌图龙南分公司乘风分公司东风分公司CNG母站1-4#CNG子站流程图报表调压站计量站调压+计量站加气机压缩机脱水机4.3相关HMI界面实例4.3.1SCADA系统主界面4.3.2调压箱流程图界面4.3.3CNG加气子站流程图界面4.3.4报表界面生产运行报表又分为日报表、周报表、月报表。报表系统可以选择性的添加需要报表的相关数据（管理人员需要什么数据，只要在系统报表所列出的项目当中选择就可以进行生成相应的报表）。4.3.5趋势分析界面趋势分析可分为实时趋势和历史趋势，可以同时使温度、流量、压力等8条监测点的趋势曲线在同一界面显示。比如流量趋势图，我们可以找出一段时间的历史趋势进行分析，供气的情况是不是有异常情况，如果某个时段流量突然非常大而且一直保持这样的趋势下去，我们可以初步判断，可能是有漏气情况发生。4.3.6报警和事件显示界面系统能产生不同级别，如高（H）、高高（HH）、低（L）、低低（LL）等报警。报警主要在超高、超低报警，这个阀值可以调节。报警的设置应通过简单的组态即可完成。具有报警确认功能，该功能是在操作员发出报警确认信号后，系统将停止报警，改变报警显示的颜色（停止闪烁）。至于事件，比如谁登陆到了系统可以作为一个事件来记录，谁使用了什么命令等等。允许事件归类和分组屏蔽。第5章总结第5