張鐵軍

（上海航天能源股份有限公司，上海201201）

深圳市自2006年開始引進(jìn)大鵬液化天然氣，整個(gè)能源結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的調(diào)整，天然氣在能源消費(fèi)構(gòu)成中所占比重越來越大。為了保證燃?xì)夤芫W(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)的供氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)全市天然氣各級(jí)輸配管網(wǎng)用氣調(diào)度、事故應(yīng)急、系統(tǒng)調(diào)峰、安全儲(chǔ)氣以及安全監(jiān)控，需要建立一套高起點(diǎn)、高質(zhì)量、具有國際先進(jìn)水平的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）。深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)在2006年之前先后建立了次高壓（0.4MPa＜p≤1.6MPa）和中壓（0.01MPa≤p≤0.4MPa）兩套獨(dú)立的SCADA系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)次高壓管網(wǎng)和中壓管網(wǎng)進(jìn)行安全監(jiān)控。隨著深圳市燃?xì)飧邏汗芫W(wǎng)的逐步完善，原有的兩套SCADA系統(tǒng)已不能滿足深圳市燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配調(diào)度及安全監(jiān)控的要求。因此，需要建立一套統(tǒng)一的燃?xì)廨斉湔{(diào)度及安全監(jiān)控管理平臺(tái)（SCADA系統(tǒng)），對(duì)高壓（1.6MPa＜p≤4.0MPa）、次高壓及中壓管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一。

1 系統(tǒng)功能

SCADA系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于化工、石油、燃?xì)?、水利、電力等大范圍長距離的工藝數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中?；谌?xì)夤芫W(wǎng)的SCADA系統(tǒng)主要通過實(shí)時(shí)采集燃?xì)夤芫W(wǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市管網(wǎng)的安全監(jiān)控；通過遠(yuǎn)程控制場站及管線電動(dòng)閥門等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市管網(wǎng)多氣源、不同壓力等級(jí)管網(wǎng)的輸配調(diào)度管理，保證城市管網(wǎng)負(fù)荷平衡。根據(jù)燃?xì)夤芫W(wǎng)的管理特點(diǎn)，筆者總結(jié)了基于燃?xì)釹CADA系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的主要功能。

a）生產(chǎn)管理功能。1）顯示城市管網(wǎng)總圖的重要工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)，調(diào)壓站工藝流程，工藝數(shù)據(jù)趨勢顯示，關(guān)鍵設(shè)備的操作；2）應(yīng)急調(diào)峰分析功能，通過計(jì)算液化天然氣調(diào)峰站內(nèi)每個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)存儲(chǔ)的氣量值，計(jì)算出該調(diào)峰站內(nèi)的總儲(chǔ)氣量，然后根據(jù)每個(gè)調(diào)峰站內(nèi)每個(gè)儲(chǔ)罐的氣化能力來計(jì)算出當(dāng)前所有液化天然氣調(diào)峰站內(nèi)的儲(chǔ)罐總量可以持續(xù)使用的估測情況；3）計(jì)算全市次高壓管網(wǎng)和高壓管網(wǎng)儲(chǔ)氣量，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)來估算當(dāng)發(fā)生供氣事故時(shí)，保障重要用戶供氣的時(shí)間，以制定相應(yīng)的調(diào)峰方案，保證安全穩(wěn)定供氣；4）通過SCADA系統(tǒng)的控制設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)整管網(wǎng)天然氣的體積流量和壓力，動(dòng)態(tài)平衡天然氣管網(wǎng)供氣。

b）安全管理功能。根據(jù)生產(chǎn)需要將報(bào)警分為一般報(bào)警、重要報(bào)警和嚴(yán)重報(bào)警，系統(tǒng)通過報(bào)警顏色和聲音區(qū)別不同報(bào)警的級(jí)別。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出報(bào)警畫面，報(bào)警記錄具有查詢功能。

c）輔助管理功能。軟件能自動(dòng)記錄系統(tǒng)運(yùn)行記錄，包括用戶登錄及系統(tǒng)操作信息，方便用戶對(duì)事故進(jìn)行分析和追溯；為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，系統(tǒng)的權(quán)限管理以多用戶和密碼的方式實(shí)現(xiàn)；SCADA系統(tǒng)能自動(dòng)生成各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)列表、日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表，供氣和用氣供銷差分析報(bào)表等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造后的SCADA系統(tǒng)需要同時(shí)對(duì)高壓、次高壓和中壓管網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“多氣源、一張網(wǎng)”管理模式。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，除了考慮SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、安全監(jiān)控及集成輸配調(diào)度管理功能外，重點(diǎn)考慮系統(tǒng)本身運(yùn)行的安全性、可靠性、可擴(kuò)展性。

深圳市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)規(guī)模包括主備2個(gè)調(diào)度中心、3個(gè)高壓門站、8個(gè)電廠計(jì)量站、1個(gè)高壓次高壓調(diào)壓站、4個(gè)高壓中壓調(diào)壓站、2個(gè)次高壓門站、27個(gè)次高壓中壓調(diào)壓站、7個(gè)LNG氣化調(diào)峰站、26個(gè)高壓截?cái)嚅y室、50個(gè)次高壓截?cái)嚅y室、1個(gè)共同溝以及81個(gè)中壓站點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)控的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)達(dá)到15 000個(gè)，設(shè)計(jì)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)可達(dá)50 000個(gè)。

SCADA系統(tǒng)主要通過采集各站點(diǎn)壓力、差壓、溫度、流量、氣體組分、管網(wǎng)儲(chǔ)量等運(yùn)行參數(shù)以及泄漏、閥門狀態(tài)、備用電源、門禁等設(shè)備狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)全市管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)通過調(diào)度中心遠(yuǎn)程控制場站閥門，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)調(diào)度管理。調(diào)度中心對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析，為地理信息系統(tǒng)（GIS）、管網(wǎng)仿真、負(fù)荷預(yù)測等信息化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

深圳市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)由主調(diào)度中心、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)程站控系統(tǒng)組成，主調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)軟件采用客戶機(jī)／服務(wù)器（C／S）和瀏覽器／服務(wù)器（B／S）架構(gòu)。主調(diào)度中心操作員工作站和服務(wù)器采用C／S架構(gòu)，其他應(yīng)用管理部門管理人員訪問SCADA系統(tǒng)采用B／S架構(gòu)。

主調(diào)度中心的中心機(jī)房是SCADA系統(tǒng)的最高指揮部，所有采集命令、控制命令、報(bào)警、報(bào)表等功能均由此處發(fā)出。故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如何有效利用軟件（通信軟件），硬件（服務(wù)器、通信設(shè)備），網(wǎng)絡(luò)組成穩(wěn)定可靠的中心機(jī)房是SCADA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步和UPS配置的穩(wěn)定性和時(shí)效性對(duì)中心機(jī)房接口設(shè)計(jì)非常重要，主調(diào)度中心機(jī)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 主調(diào)度中心機(jī)房結(jié)構(gòu)

調(diào)度指揮中心是整個(gè)SCADA系統(tǒng)的窗口，主調(diào)度中心值班人員通過SCADA系統(tǒng)中監(jiān)控界面的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣有人值守場站和無人值守場站的管理。在主調(diào)度中心設(shè)計(jì)中，采用冗余配置的操作員站和用于系統(tǒng)維護(hù)的工程師站，針式打印機(jī)用于實(shí)時(shí)打印報(bào)警和事件，投影大屏作為輔助展示手段，對(duì)天然氣管網(wǎng)進(jìn)行全方位展示，圖2為調(diào)度指揮中心結(jié)構(gòu)示意。

圖2 調(diào)度指揮中心結(jié)構(gòu)示意

遠(yuǎn)程站控系統(tǒng)主要考慮該站的類型是有人站還是無人站、場站自身的重要性如何、是否帶遠(yuǎn)程控制、與調(diào)度中心通信是否需要采用冗余網(wǎng)絡(luò)配置等?；谝陨蠗l件，在常規(guī)站控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有人站選用冗余PLC設(shè)備，無人站選用耐溫－40～＋80℃的設(shè)備?？紤]站控需要在通用的Modbus協(xié)議中支持網(wǎng)絡(luò)授時(shí)、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳和報(bào)警主動(dòng)上傳功能，故與PLC通信側(cè)增加專用通信SIXNET RTU設(shè)備，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)統(tǒng)一，減少了系統(tǒng)管理和維護(hù)的難度，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖3所示為遠(yuǎn)程站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中通信網(wǎng)絡(luò)采用主信道自建光纖，中國電信的VPDN CDMA網(wǎng)絡(luò)作為備用信道，保證調(diào)度中心與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

圖3 遠(yuǎn)程站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 通信管理

SCADA系統(tǒng)中的通信管理軟件負(fù)責(zé)在調(diào)度中心和遠(yuǎn)程站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析、解包、封裝、協(xié)議轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)，是SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶和核心，通信管理軟件的穩(wěn)定運(yùn)行是SCADA系統(tǒng)完整性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的重要保障。該項(xiàng)目每個(gè)場站由于采用雙線路通信方式，監(jiān)控的站點(diǎn)多、數(shù)據(jù)采集量大，對(duì)高壓、次高壓管網(wǎng)各站點(diǎn)要實(shí)施遠(yuǎn)程調(diào)度功能等，對(duì)管理軟件要求很高。為滿足燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)輸配調(diào)度管理功能要求，設(shè)計(jì)了以下功能：

a）支持多站點(diǎn)、多變量采集功能，每個(gè)站點(diǎn)相互獨(dú)立，不會(huì)因?yàn)檎军c(diǎn)多而影響數(shù)據(jù)掃描周期。

b）通信協(xié)議采用通用的Modbus TCP／IP。

c）當(dāng)主通信信道出現(xiàn)故障時(shí)，通信管理軟件能自動(dòng)切換到備用通信信道。

d）當(dāng)主通信服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，通信管理軟件能自動(dòng)切換到備用通信服務(wù)器上。

e）通信管理軟件將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步至備調(diào)度中心通信軟件服務(wù)器中。

f）支持?jǐn)?shù)據(jù)補(bǔ)傳和報(bào)警主動(dòng)上傳功能。

g）為保證控制閥門指令的實(shí)時(shí)性，通信管理軟件優(yōu)先處理控制指令。

因Modbus協(xié)議具有數(shù)據(jù)幀長度短、響應(yīng)時(shí)間快、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)PLC和RTU設(shè)備均支持該協(xié)議，但該協(xié)議自身并不支持時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)報(bào)警上傳、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳等在SCADA系統(tǒng)中必須要求具備的功能。在開發(fā)過程中如何在Modbus標(biāo)準(zhǔn)格式中嵌入時(shí)鐘同步、逢變上報(bào)、數(shù)據(jù)補(bǔ)傳、雙通信信道、雙通信服務(wù)器和雙數(shù)據(jù)中心等功能，同時(shí)又不改變Modbus協(xié)議自身的特點(diǎn)成為該通信軟件開發(fā)的難點(diǎn)。根據(jù)對(duì)Modbus協(xié)議幀的分析，在Modbus協(xié)議應(yīng)用層，進(jìn)行時(shí)間標(biāo)簽等狀態(tài)的二次封裝；同時(shí)利用Modbus TCP協(xié)議自身特點(diǎn)，進(jìn)行了逢變上報(bào)和數(shù)據(jù)補(bǔ)傳的開發(fā)；雙通信信道、雙通信服務(wù)器和雙中心的開發(fā)工作借鑒成熟的國際工控組態(tài)軟件對(duì)通信管理模式進(jìn)行開發(fā)，通信軟件結(jié) 構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 通信軟件結(jié)構(gòu)示意

調(diào)度中心通信服務(wù)程序通過Modbus TCP Client讀取現(xiàn)場RTU時(shí)間標(biāo)簽和工藝數(shù)據(jù)，提供給SCADA服務(wù)器使用，同時(shí)現(xiàn)場RTU設(shè)備在中心掃描周期之外有事件報(bào)警發(fā)生或通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，主動(dòng)將帶有時(shí)間標(biāo)簽的工藝數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)度中心TCP Server端，供SCADA服務(wù)器報(bào)表和報(bào)警使用。

該通信軟件開發(fā)的意義在于如何利用現(xiàn)有成熟的通信平臺(tái)，構(gòu)建適合燃?xì)庑袠I(yè)的通信管理軟件?？煽康碾p通信網(wǎng)絡(luò)、雙通信服務(wù)器、雙數(shù)據(jù)中心的冗余熱備，在深圳燃?xì)忭?xiàng)目中，利用GPRS APN／CDMA VPDN通信網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)改造前，其控制命令下達(dá)信號(hào)傳輸需要50s左右；改造后，在3s內(nèi)遠(yuǎn)程切斷無人值守閥室閥門，系統(tǒng)效率大幅提升。同時(shí)，在10s內(nèi)創(chuàng)造了對(duì)15 000點(diǎn)的全系統(tǒng)工藝變量進(jìn)行掃描的記錄。

2.2.2 監(jiān)控界面

監(jiān)控界面設(shè)計(jì)本著界面簡單、友好、易于操作的原則，從監(jiān)控界面功能上劃分為管網(wǎng)圖、系統(tǒng)流程圖、歷史趨勢、報(bào)警總覽、報(bào)表打印、參數(shù)設(shè)定、登錄系統(tǒng)、幫助等功能菜單。

管網(wǎng)圖主要包含站點(diǎn)的地理及管網(wǎng)信息、站點(diǎn)重要參數(shù)、重要報(bào)警等內(nèi)容。系統(tǒng)流程圖包含調(diào)壓計(jì)量區(qū)工藝流程及工藝數(shù)據(jù)，具體功能設(shè)計(jì)時(shí)要求可以對(duì)有輸出信號(hào)的閥門進(jìn)行控制操作。點(diǎn)擊畫面上所有的模擬量，將彈出相應(yīng)的趨勢界面；畫面上有反饋信號(hào)的閥門通過顏色變化來區(qū)分閥門是開還是關(guān)；鼠標(biāo)點(diǎn)擊任意一個(gè)流量計(jì)的圖標(biāo)，可以彈出流量計(jì)詳細(xì)信息的放大界面；在界面上放置布置圖按鈕，點(diǎn)擊此按鈕可進(jìn)入布置圖界面；歷史趨勢主要針對(duì)調(diào)度人員關(guān)注的場站工藝參數(shù)，定制關(guān)聯(lián)比較趨勢圖，從中發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)壓力、流量的相關(guān)性，對(duì)安全事故進(jìn)行預(yù)警和事后事故分析等。

3 結(jié)束語

在整個(gè)SCADA系統(tǒng)的開發(fā)過程中，須充分結(jié)合天然氣輸配工藝、天然氣管網(wǎng)和場站的設(shè)備特性。無人值守站的電液聯(lián)動(dòng)閥門安全控制，輸配管網(wǎng)管理的儲(chǔ)氣計(jì)算模塊，流量分析和預(yù)警模塊均很好地應(yīng)用到SCADA系統(tǒng)中。同時(shí)，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫接口對(duì)第三方系統(tǒng)提供了良好的支持（例如GIS，氣量管理系統(tǒng)等）。

深圳市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)建成后，實(shí)現(xiàn)了在同一輸配調(diào)度管理平臺(tái)上對(duì)高壓、次高壓和中壓三級(jí)管網(wǎng)進(jìn)行安全監(jiān)控和輸配調(diào)度管理。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采用多項(xiàng)國內(nèi)領(lǐng)先設(shè)計(jì)理念和措施，保障燃?xì)夤芫W(wǎng)安全、持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，提高了深圳燃?xì)獾墓芾硭?，?chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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