楊坤海

(福建省石油化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)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(yùn)行和穩(wěn)定供氣,提高供氣管理水平,建成一套自動(dòng)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(shí)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(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析及模型計(jì)算,為生產(chǎn)管理者提供決策。其主要功能是用于對(duì)地域廣闊的遠(yuǎn)程站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,包括對(duì)各站點(diǎn)各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、各種設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)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(shí)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(jì)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(gè)天然氣門站;1個(gè)調(diào)峰站;5個(gè)高低壓調(diào)壓站;5個(gè)線路閥室; 2個(gè)汽車加氣子站;10個(gè)中低壓調(diào)壓站;4個(gè)陰極保護(hù)站;5個(gè)管網(wǎng)不利點(diǎn)。過(guò)去這些站點(diǎn)由于所處位置比較偏僻,交通不便,每個(gè)站點(diǎn)專門配備巡檢員采用定期抄表上報(bào)方式進(jìn)行維護(hù),維護(hù)的工作量大、難度大,且實(shí)時(shí)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(shì)發(fā)展的要求,需要對(duì)原有的模式進(jìn)行全面升級(jí)。

1.2 設(shè)計(jì)規(guī)模

該燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模:1個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心及主調(diào)度中心;1個(gè)數(shù)據(jù)容災(zāi)中心及應(yīng)急中心;3個(gè)門站;5個(gè)高中壓調(diào)壓站;5個(gè)線路閥室; 2個(gè)汽車加氣子站;10個(gè)中低壓調(diào)壓站;4個(gè)陰極保護(hù)站;5個(gè)管網(wǎng)不利點(diǎn),共組成34個(gè)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(jì)

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(gè)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(jì)采用全冗余配置,實(shí)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(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn),共享服務(wù)器的資源。

主調(diào)度中心系統(tǒng)采用國(guó)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(guò)網(wǎng)絡(luò)與各監(jiān)控站點(diǎn)建立通信,獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)的遙測(cè)、遙信、遙控功能,完成對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)工藝過(guò)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(tái)100 M核心交換機(jī)來(lái)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員站、工程師站及事件打印機(jī)、報(bào)表打印機(jī)等也均通過(guò)交換機(jī)同時(shí)掛接到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)上,從而實(shí)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(guò)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(guò)前置通信處理機(jī)以碼分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)無(wú)線通信方式與遠(yuǎn)程控制站實(shí)現(xiàn)通信。CDMA無(wú)線通信方式既作為關(guān)鍵工藝場(chǎng)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(diǎn)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(shí),系統(tǒng)能自動(dòng)啟動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)完成與關(guān)鍵工藝場(chǎng)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(dòng)切換返回有線通信方式,整個(gè)切換過(guò)程無(wú)縫完成,不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。切換由服務(wù)器來(lái)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(jì)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(gè)節(jié)點(diǎn),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(chǔ)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(shí),應(yīng)急中心自動(dòng)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(shí)(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(cè)到故障存在,在接管數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí),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(gè)本地監(jiān)控站。各本地監(jiān)控站主要完成本地?cái)?shù)據(jù)的采集和控制,并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳主調(diào)度中心,同時(shí)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(yùn)行。當(dāng)本地監(jiān)控站與主調(diào)度中心通信中斷時(shí)它能獨(dú)立完成站內(nèi)監(jiān)控,確保生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行;個(gè)別本地監(jiān)控站發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)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(shí)時(shí)采集到的各站點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)上傳給主調(diào)度中心,為管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)。

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

c)本地監(jiān)控站參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定。每個(gè)本地監(jiān)控站能獨(dú)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(cè)站進(jìn)行遙控操作。

d)圖形顯示測(cè)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(chǔ)。所測(cè)參數(shù)可在線存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存當(dāng)前24 h的數(shù)據(jù),歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的正常運(yùn)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?？奢敵龆〞r(shí)報(bào)表(日、月、季、年及任意時(shí)間段報(bào)表)、報(bào)警匯總表、操作記錄報(bào)表、系統(tǒng)維護(hù)報(bào)表等。

g)畫面顯示?？奢敵鋈休斉湎到y(tǒng)總圖、區(qū)域圖、調(diào)壓站、儲(chǔ)配站工藝流程圖,地形地貌圖及報(bào)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(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

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(wú)線兩類,其中有線通信主要包括租用電信光纖或ADSL,無(wú)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(jià)較低、建設(shè)期短、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比較高的無(wú)線通信在 SCADA系統(tǒng)中逐漸成為一種趨勢(shì)。CDMA網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)通信部門的建設(shè),近年來(lái)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(dòng) GPRS網(wǎng)絡(luò),十分符合SCADA系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、安全、可靠的特點(diǎn)。

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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性比傳統(tǒng)的GPRS快很多。由于無(wú)線的接入,所以維護(hù)非常方便,只要CDMA信號(hào)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(shí)時(shí)性能的提高提供了充分條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

該SCADA系統(tǒng)平臺(tái)已成功搭建,大部分站點(diǎn)已成功運(yùn)行,小部分還在建設(shè)中。自投運(yùn)以來(lái),系統(tǒng)工作正常,性能穩(wěn)定,能較好地實(shí)現(xiàn)中心集中監(jiān)控任務(wù),保障了供氣管網(wǎng)的正常運(yùn)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(gè)企業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)效率和管理水平跨上了新臺(tái)階。

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