城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

楊坤海

(福建省石油化學(xué)工業(yè)設(shè)計院,福州 350001)

0 引 言

2006年,福州市煤氣公司為了保證天然氣輸配管網(wǎng)的安全運行和穩(wěn)定供氣,提高供氣管理水平,建成一套自動化水平高、覆蓋范圍廣的燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 SCADA(Supervisory Control Aad Data Acquisition)系統(tǒng):其一實現(xiàn)生產(chǎn)和設(shè)備的管理;其二SCADA系統(tǒng)也可以作為調(diào)度中心,通過對歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)的分析及模型計算,為生產(chǎn)管理者提供決策。其主要功能是用于對地域廣闊的遠(yuǎn)程站點進(jìn)行監(jiān)控,包括對各站點各種數(shù)據(jù)的實時采集、各種設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測以及對遠(yuǎn)端設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制等。系統(tǒng)成功投入應(yīng)用,實現(xiàn)了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣現(xiàn)代化管理。

1 天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及設(shè)計規(guī)模

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

該公司天然氣管網(wǎng)主要包括:3個天然氣門站;1個調(diào)峰站;5個高低壓調(diào)壓站;5個線路閥室; 2個汽車加氣子站;10個中低壓調(diào)壓站;4個陰極保護(hù)站;5個管網(wǎng)不利點。過去這些站點由于所處位置比較偏僻,交通不便,每個站點專門配備巡檢員采用定期抄表上報方式進(jìn)行維護(hù),維護(hù)的工作量大、難度大,且實時性差。再者,隨著該公司供氣管網(wǎng)地域的不斷擴(kuò)大,配備巡檢人員也隨即增加,導(dǎo)致維護(hù)成本成倍上升,所以這種供氣管理模式已不能適應(yīng)新的形勢發(fā)展的要求,需要對原有的模式進(jìn)行全面升級。

1.2 設(shè)計規(guī)模

該燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模:1個數(shù)據(jù)存儲中心及主調(diào)度中心;1個數(shù)據(jù)容災(zāi)中心及應(yīng)急中心;3個門站;5個高中壓調(diào)壓站;5個線路閥室; 2個汽車加氣子站;10個中低壓調(diào)壓站;4個陰極保護(hù)站;5個管網(wǎng)不利點,共組成34個本地監(jiān)控站。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 福州市煤氣公司SCADA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主調(diào)度中心

主調(diào)度中心是該公司燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)的控制中樞,整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)最集中的地方,也是安全性要求最高的地方,因此系統(tǒng)設(shè)計采用全冗余配置,實現(xiàn)SCADA服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、通信和各功能環(huán)節(jié)等的冗余。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)按C/S結(jié)構(gòu)配置,操作員站、工程師站等均作為局域網(wǎng)上的一個節(jié)點,共享服務(wù)器的資源。

主調(diào)度中心系統(tǒng)采用國際上先進(jìn)成熟的SCADA軟件,結(jié)合該燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的具體情況,通過網(wǎng)絡(luò)與各監(jiān)控站點建立通信,獲取實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控功能,完成對燃?xì)夤芫W(wǎng)工藝過程數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和調(diào)度管理。

主調(diào)度中心局域網(wǎng)采用雙以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通信協(xié)議為 TCP/IP,通信速率為100 Mbit/s。主調(diào)度中心配置有2臺100 M核心交換機(jī)來分別完成各自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信和局域網(wǎng)的冗余管理,包括SCADA實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員站、工程師站及事件打印機(jī)、報表打印機(jī)等也均通過交換機(jī)同時掛接到兩個網(wǎng)絡(luò)上,從而實現(xiàn)了完全的數(shù)據(jù)通信雙網(wǎng)絡(luò)冗余。

主調(diào)度中心經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備接入光纖網(wǎng)絡(luò)與高壓管線上門站、高中壓調(diào)壓站及高壓閥室的遠(yuǎn)程終端單元RTU(Remote Terminal Unit)相連構(gòu)成該SCADA系統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),通信協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng) TCP/IP協(xié)議,通信接口為RJ-45, SCADA服務(wù)器通過以太網(wǎng)與RTU交換數(shù)據(jù)。

另外,主調(diào)度中心SCADA服務(wù)器通過前置通信處理機(jī)以碼分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)無線通信方式與遠(yuǎn)程控制站實現(xiàn)通信。CDMA無線通信方式既作為關(guān)鍵工藝場站(高壓管線上門站、高中壓調(diào)壓站及高壓閥室)的備用通信方式,也作為汽車加氣子站、中低壓調(diào)壓站、陰極保護(hù)站及管網(wǎng)不利點的主通信方式。SCADA系統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)能自動啟動無線通信網(wǎng)絡(luò)完成與關(guān)鍵工藝場站的數(shù)據(jù)交換,有線通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后,系統(tǒng)自動切換返回有線通信方式,整個切換過程無縫完成,不會造成數(shù)據(jù)丟失。切換由服務(wù)器來判斷和完成。

2.2 后備應(yīng)急中心

后備應(yīng)急中心是該SCADA系統(tǒng)的備用控制中樞。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)采用C/S與B/S相結(jié)合的結(jié)構(gòu)配置,配有數(shù)據(jù)服務(wù)器,操作員工作站、工程師工作站作為局域網(wǎng)上的一個節(jié)點,共享服務(wù)器的資源。應(yīng)急中心的容災(zāi)不僅是數(shù)據(jù)存儲中心的備份,也是SCADA系統(tǒng)的應(yīng)急。當(dāng)主調(diào)度中心正常工作時,應(yīng)急中心自動和主調(diào)度中心同步數(shù)據(jù);當(dāng)主調(diào)度中心出現(xiàn)故障時(如數(shù)據(jù)服務(wù)器故障、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器故障或通信處理器故障),應(yīng)急中心檢測到故障存在,在接管數(shù)據(jù)存儲的同時,還接管數(shù)據(jù)采集工作和SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

2.3.1 本地監(jiān)控站

該燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)目前有34個本地監(jiān)控站。各本地監(jiān)控站主要完成本地數(shù)據(jù)的采集和控制,并通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳主調(diào)度中心,同時響應(yīng)主調(diào)度中心的指令,監(jiān)督及管理本地監(jiān)控站運行。當(dāng)本地監(jiān)控站與主調(diào)度中心通信中斷時它能獨立完成站內(nèi)監(jiān)控,確保生產(chǎn)安全可靠運行;個別本地監(jiān)控站發(fā)生故障不會影響整個SCADA系統(tǒng)的正常工作。

2.3.2 主調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)

主調(diào)度中心主要完成全線監(jiān)視和控制,其主要功能:

a)數(shù)據(jù)采集處理。RTU將實時采集到的各站點的運行參數(shù)及狀態(tài)上傳給主調(diào)度中心,為管網(wǎng)的運行調(diào)度提供依據(jù)。

b)設(shè)備管理。對門站、高中壓調(diào)壓站、高壓閥室等設(shè)施的主要設(shè)備實施監(jiān)控管理。

c)本地監(jiān)控站參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定。每個本地監(jiān)控站能獨立完成數(shù)據(jù)采集、處理、控制、上傳等任務(wù),主調(diào)度中心可進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定,在一般情況下并不參與控制,僅在特殊情況下,由主調(diào)度中心向本地監(jiān)測站進(jìn)行遙控操作。

d)圖形顯示測量參數(shù)。采用曲線圖、直方圖、餅圖等圖形方式顯示輸出。

e)數(shù)據(jù)存儲。所測參數(shù)可在線存入實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫,實時數(shù)據(jù)庫儲存當(dāng)前24 h的數(shù)據(jù),歷史數(shù)據(jù)庫的正常運行數(shù)據(jù)存放1a以上,故障數(shù)據(jù)存放3a以上。

f)制表打印。可輸出定時報表(日、月、季、年及任意時間段報表)、報警匯總表、操作記錄報表、系統(tǒng)維護(hù)報表等。

g)畫面顯示。可輸出全市輸配系統(tǒng)總圖、區(qū)域圖、調(diào)壓站、儲配站工藝流程圖,地形地貌圖及報警全貌圖。

h)具備故障分析、處理的功能。

i)各職能科室按權(quán)限大小可調(diào)閱輸配系統(tǒng)的運行參數(shù)。j)具備向上聯(lián)網(wǎng)的能力。k)全系統(tǒng)24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)特點

3.1 通信能力強(qiáng)

該燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)通信可分為有線和無線兩類,其中有線通信主要包括租用電信光纖或ADSL,無線通信主要為CDMA通信。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展完善,組網(wǎng)靈活、造價較低、建設(shè)期短、運行維護(hù)簡單、性價比較高的無線通信在 SCADA系統(tǒng)中逐漸成為一種趨勢。CDMA網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過通信部門的建設(shè),近年來覆蓋范圍不斷擴(kuò)大,已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò),通信速度明顯優(yōu)于移動 GPRS網(wǎng)絡(luò),十分符合SCADA系統(tǒng)的實時、準(zhǔn)確、安全、可靠的特點。

3.2 開放性與可擴(kuò)展性強(qiáng)

該SCADA產(chǎn)品支持各種規(guī)范協(xié)議,如OPC, ODBC,ActiveX,SQL等,可以非常方便地與 GIS等系統(tǒng)通信。另 RTU通信采用開放的 TCP/IP協(xié)議,并且所有配置和源程序都是開放的,因此可以很方便地增加系統(tǒng)功能與增加RTU的數(shù)量,以滿足今后供氣管網(wǎng)不斷擴(kuò)大的需求。

3.3 實時性與維護(hù)性快

該SCADA系統(tǒng)采用Modbus TCP協(xié)議,除了支持通常的輪詢方式,還支持RTU定向服務(wù)器傳輸方式。而且組網(wǎng)采用光纖方式,備用網(wǎng)絡(luò)也采用CDMA方式,實時性比傳統(tǒng)的GPRS快很多。由于無線的接入,所以維護(hù)非常方便,只要CDMA信號有覆蓋的地方,均可以在線維護(hù)。隨著3G牌照的發(fā)放,作為下一代的CDMA2000,速度有了質(zhì)的飛躍,為系統(tǒng)實時性能的提高提供了充分條件。

4 結(jié)束語

該SCADA系統(tǒng)平臺已成功搭建,大部分站點已成功運行,小部分還在建設(shè)中。自投運以來,系統(tǒng)工作正常,性能穩(wěn)定,能較好地實現(xiàn)中心集中監(jiān)控任務(wù),保障了供氣管網(wǎng)的正常運行及調(diào)度管理,促進(jìn)了節(jié)能降耗,完成了信息管理與遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度一體化,為公司管理層提供了燃?xì)夤芫W(wǎng)的大量信息,使整個企業(yè)運轉(zhuǎn)效率和管理水平跨上了新臺階。

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