物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控的應用

張 超

（江蘇方洋集團有限公司，江蘇 連云港222006）

城市燃氣一般經(jīng)長輸管線到達城市門站，然后通過城市高壓管網(wǎng)送到高/中壓力調(diào)壓站，降壓以后進入城市二級中壓管網(wǎng)，由二級中壓管網(wǎng)送入中/低壓調(diào)壓站和專用調(diào)壓站供應給居民用戶或直接供應給工業(yè)用戶。

某城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）主要包括門站、儲配站、LNG站、高中壓管網(wǎng)系統(tǒng)、調(diào)壓站和大用戶計量站。根據(jù)總體供氣方案和管理模式，要求建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）架構下完整的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集調(diào)度的SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括建立燃氣管網(wǎng)信息的采集和匯聚、分析和處理、以及交換和共享的感知層，建立適合燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測監(jiān)控的網(wǎng)絡層，建立整個城市燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息協(xié)同和信息資源共享的應用層，從而實現(xiàn)城市燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和輸配氣調(diào)度自動化等功能，保證燃氣輸配系統(tǒng)安全、可靠和高效運行。該系統(tǒng)主要建設內(nèi)容如下：（1）在市燃氣總公司新建調(diào)度管理中心MCC（主站）一個；（2）在門站、儲配站及LNG站設置有人值守監(jiān)控站共3個,系統(tǒng)已建設，需要將已采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心MCC；（3）在高中壓調(diào)壓站、大用戶計量站、小區(qū)調(diào)壓站,新建無人值守監(jiān)控站一期400個，采集流量、壓力、溫度和閥門等IO量。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)下城市燃氣系統(tǒng)規(guī)劃

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術在城市燃氣輸配自動化應用

物聯(lián)網(wǎng)作為智慧城市應用的一個分支，是近幾年熱炒的一個概念，它通過射頻識別（RFID）等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)結構有多種提法，普遍接受的是國際電信聯(lián)盟提出的感知層、網(wǎng)絡層和應用層如圖1所示三層結構。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，它由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關構成，如城市燃氣監(jiān)控常用的溫度、壓力、流量和燃氣泄露傳感器、以及管網(wǎng)設備RFID標簽、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用是局部區(qū)域內(nèi)完成物體識別和信息采集。網(wǎng)絡層由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，實質(zhì)就是信息與知識聚合，在城市燃氣監(jiān)控中用到的無線GPRS網(wǎng)和有線公用網(wǎng)；應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它需要與具體行業(yè)需求結合，如和城市燃氣結合，就實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在城市燃氣管理方面的應用。

在三層構架上采取開放式架構，實現(xiàn)智慧城市大量數(shù)據(jù)終端接入（含實體和虛擬終端，如已建的門站、儲配站和LNG站可以抽象為一個虛擬終端），解決了網(wǎng)絡傳輸異構協(xié)議的轉(zhuǎn)換，在應用層通過城市燃氣管網(wǎng)和各子站“集散控制”，實現(xiàn)城市燃氣輸配自動化調(diào)度和管理。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

1.2 某城市燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)結構

某城市新區(qū)燃氣管網(wǎng)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)主要由調(diào)度中心（MCC）、網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)、本地監(jiān)控站（SCC或SCS）即及現(xiàn)場檢測儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行機構等部分組成，實現(xiàn)主城區(qū)天然氣管網(wǎng)的實時中央監(jiān)控和統(tǒng)一調(diào)度管理的功能。主站與遠端有人值守站之間SCADA系統(tǒng)的通信采用租用電信部門專用電路；主站與遠端無人值守站之間采用GPRS通信信道。SCADA系統(tǒng)分三層，系統(tǒng)結構圖如圖2。

圖2 某市SCADA系統(tǒng)結構

第一層：調(diào)度中心應用層

主要由SCADA系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構成。SCADA系統(tǒng)：通過廣域網(wǎng)與各本地監(jiān)控站點建立通信，獲取燃氣管網(wǎng)運行的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個管網(wǎng)系統(tǒng)的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能，完成對全管網(wǎng)數(shù)據(jù)集中采集和監(jiān)控；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：將SCADA系統(tǒng)提供的管網(wǎng)運行狀況實時監(jiān)測數(shù)據(jù)非實時數(shù)據(jù)有機地統(tǒng)一起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息的無縫連接和交換，以及系統(tǒng)的跨平臺、跨系統(tǒng)、跨網(wǎng)絡、跨應用的集成。

第二層：網(wǎng)絡通信層

系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信包括局域網(wǎng)通信、廣域網(wǎng)通信兩部分。局域網(wǎng)通信：在中心調(diào)度層的各系統(tǒng)，采用千兆全交換式以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡，通信協(xié)議采用TCP/IP。廣域網(wǎng)通信：對于SCADA系統(tǒng)的廣域網(wǎng)通信，從中心調(diào)度層到各SCC之間的廣域網(wǎng)連接，通過GPRS或租用專業(yè)通信公司的信道，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳遞和交換。通信協(xié)議MODBUSTCP協(xié)議。

第三層：數(shù)據(jù)感知層

數(shù)據(jù)感知層由RTU/DTU、智能儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行機構等組成，獨立完成各本地監(jiān)控點的數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制功能。通過網(wǎng)絡通信，為調(diào)度中心提供可靠的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)，同時也能接受調(diào)度中心發(fā)來的控制和參數(shù)設定指令。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)下某城市燃氣管網(wǎng)SCADA詳細設計

操作人員在調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對全市天然氣管網(wǎng)的監(jiān)控和運行管理，無人值守站點可達到無人值守的水平。以下是該系統(tǒng)設計概括性的說明。

2.1 城市SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心設計

2.1.1 SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心功能設計

調(diào)度中心實時采集遠端各有人/無人值守站點的工藝運行參數(shù),實現(xiàn)對天然氣管網(wǎng)和工藝設備運行情況進行自動、連續(xù)的監(jiān)視、管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為管網(wǎng)平衡、安全運行提供必要的輔助決策信息。其主要功能：

1）數(shù)據(jù)采集和處理

2）數(shù)據(jù)維護，對有些無法直接從SCADA系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)，可以人工錄入；該功能納入生產(chǎn)數(shù)據(jù)發(fā)布、查詢系統(tǒng)，采用B/S結構錄入與查看

3）工藝流程的動態(tài)顯示

4）報警顯示、管理以及事件的查詢、歸檔、打印

5）歷史數(shù)據(jù)的歸檔、管理以及趨勢圖顯示

6）生產(chǎn)統(tǒng)計報表的生成和打印

7）流量計算、管理

8）管道事故處理，如管道發(fā)生泄漏、設備運行異常等

9）安全保護

10）控制權限的確定

11）對系統(tǒng)進行時鐘同步

12）為MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)

13）與企業(yè)自動化管理系統(tǒng)平臺連接、進行數(shù)據(jù)交換

（1）SCADA系統(tǒng)運行機制

①各站無線路由器與通訊前置機通訊，建立通訊鏈路

②通訊服務器通過MODUBS協(xié)議與現(xiàn)場RTU進行通訊，讀取各站數(shù)據(jù)

③SCADA服務器與通訊服務器交換數(shù)據(jù)（通過建立虛擬串口，將TCP/IP網(wǎng)絡接收到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到虛擬串口上），管理處理數(shù)據(jù)

④SCADA服務器將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫服務器；報表系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫服務器獲取數(shù)據(jù)，生成生產(chǎn)過程報表與統(tǒng)計報表

⑤操作員工作站，維護員工作站作為SCADA系統(tǒng)的客戶端，從SCADA服務器獲取實時信息，報警信息，歷史趨勢等

⑥區(qū)域網(wǎng)內(nèi)各辦公室可以通過瀏覽器訪問WEB服務器，查看報表

（2）門站/儲備站/LNG站系統(tǒng)設計

門站/儲備站/LNG站的現(xiàn)場站控系統(tǒng)已由業(yè)主建設完畢。SCADA系統(tǒng)對門站/儲備站/LNG站功能如下：

14）與原有門站/儲備站/LNG站站控系統(tǒng)通訊，將數(shù)據(jù)讀到SCADA系統(tǒng)

15）與調(diào)度中心通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心

系統(tǒng)實現(xiàn):

經(jīng)過調(diào)查分析，目前門站/儲備站/LNG站站控系統(tǒng)實現(xiàn)技術路徑相同，其RTU與現(xiàn)場監(jiān)控計算機之間采用基于TCP/IP的Modbus協(xié)議實現(xiàn)。因此門站/儲備站/LNG站要各設置1套通訊RTU，通訊RTU接入現(xiàn)有場站站控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡，與監(jiān)控計算機一樣通過基于Modbus協(xié)議的OPC方式與現(xiàn)有門站/儲備站/LNG站RTU通訊獲取數(shù)據(jù)。

門站/儲備站/LNG站RTU實現(xiàn)的ModbusTCP協(xié)議地址和數(shù)據(jù)字段定義已經(jīng)得到，通訊RTU編程與調(diào)試可在線進行，不用對門站/儲備站/LNG站RTU進行特別處理，不影響下現(xiàn)有系統(tǒng)運行。

例如，遠端無人站設計遠端無人站點可以分為包含了高中壓調(diào)壓站/區(qū)域調(diào)壓站/用戶計量站。這些站點通過歸類總結，可以設計成為三類標準化站控系統(tǒng)，即：高中壓調(diào)壓計量站控；區(qū)域調(diào)壓站站控；用戶流量計量站控。

高中壓調(diào)壓計量站控和區(qū)域調(diào)壓站站控配置一套RTU控制器和壓力、流量、溫度、泄露報警探頭若干；RTU內(nèi)置ModBus RTU協(xié)議可以取得總線流量計數(shù)據(jù)，每種流量計通訊程序只需開發(fā)一次即可標準化應用。RTU完成對所在場站的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控任務外，還要完成與調(diào)度中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息傳遞。RTU和調(diào)度中心通信選用內(nèi)置基于GPRS/CDMA的sim卡DTU，DTU通過設置調(diào)度中心IP等參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳給調(diào)度中心。

用戶流量計量站控，由于采取數(shù)字儀表，所以無I/O輸出，選用內(nèi)置多種燃氣計量數(shù)據(jù)協(xié)議采集單元的DTU，通過RS232或RS485通訊，采集每種流量計溫度、壓力、瞬時和累積流量等實時數(shù)據(jù)，通過無線與主控中心通訊。

以上各無人站由于取電不便，其供電采取太陽供電。

16）后記

該項目的實施是運用物聯(lián)網(wǎng)理念解決城市燃氣管網(wǎng)監(jiān)測監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集成功案例。該系統(tǒng)自投運后，實現(xiàn)對全市燃氣各級輸配管網(wǎng)遠程抄表、用氣調(diào)度、事故應急、系統(tǒng)調(diào)峰、安全儲氣以及安全監(jiān)控，建立一套高起點、高質(zhì)量、具有國內(nèi)先進水平物聯(lián)網(wǎng)構架下城市燃氣SCADA系統(tǒng)，提高了該市燃氣的管理水平并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］張鐵軍.城市燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].石油化工自動化，2012（2）：49-52.

［2］張世寶.城市燃氣管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的設計[J].煤氣與熱力，2005（7）：35-37.