于 歡，周 聰

(北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100032)

1 概述

對(duì)于燃?xì)庥?jì)量器具的檢定，相比空氣流檢定方式，天然氣實(shí)流檢定更準(zhǔn)確，應(yīng)用更廣泛。目前國(guó)內(nèi)的實(shí)流檢定站多服務(wù)于壓力級(jí)制10 MPa及以上計(jì)量?jī)x表的檢定，適用于城鎮(zhèn)燃?xì)庥?jì)量?jī)x表的實(shí)流檢定市場(chǎng)需求很大。建設(shè)城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域的計(jì)量檢定站，適應(yīng)我國(guó)燃?xì)饬髁苛恐邓菰大w系建設(shè)和國(guó)家計(jì)量管理體制的要求，有利于技術(shù)進(jìn)步。為從根本上保證檢定站的正常、安全、智慧運(yùn)行，需要建立一套穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)、靈敏、完善的安全管理監(jiān)控平臺(tái)和體系。本文結(jié)合智慧控制功能，對(duì)城鎮(zhèn)天然氣實(shí)流檢定站(簡(jiǎn)稱檢定站)內(nèi)的燃?xì)夤に囅到y(tǒng)、配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安防及報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2 檢定站工藝流程與基礎(chǔ)系統(tǒng)

檢定站氣源接自高壓A(設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa)天然氣管網(wǎng)。工藝流程為：天然氣經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量、調(diào)壓穩(wěn)壓后，首先進(jìn)入檢定區(qū)的待檢流量計(jì)，之后進(jìn)入移動(dòng)車(chē)載檢定裝置區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)表流量計(jì)，兩流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)，表示待檢流量計(jì)計(jì)量精度符合要求，否則需調(diào)校后重新檢定。再次檢定仍不合格，按照?qǐng)?bào)廢處理。天然氣出站壓力為高壓B(設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa)，出站后進(jìn)入下游天然氣管網(wǎng)。

檢定站主要包含燃?xì)夤に囅到y(tǒng)、配電及照明系統(tǒng)、安防及報(bào)警系統(tǒng)。安防及報(bào)警系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、周界入侵報(bào)警系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)。

3 檢定站智慧控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)概述

檢定站智慧控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱智慧系統(tǒng))利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)，把燃?xì)夤に嚒⑴潆?、照明、安防及?bào)警不同系統(tǒng)和不同智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集成，檢定站內(nèi)任一系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)都可與智慧系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)系，通過(guò)匯集分析各種數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)高效、便捷的集中自動(dòng)化管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交流共享。檢定站借助智慧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，上級(jí)調(diào)度中心管理人員通過(guò)該系統(tǒng)監(jiān)視檢定站運(yùn)行參數(shù)，并在權(quán)限范圍內(nèi)輔助站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行。

檢定站智慧系統(tǒng)見(jiàn)圖1，圖1下虛線框內(nèi)設(shè)備和線纜設(shè)置在檢定站內(nèi)。首先將反映燃?xì)忾y門(mén)、燃?xì)庠O(shè)備、配電設(shè)備、燈具、監(jiān)控感應(yīng)設(shè)備等狀態(tài)的數(shù)據(jù)，以及各種探測(cè)器或傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制面板、控制模塊、I/O模塊實(shí)現(xiàn)初步整合，與移動(dòng)車(chē)載系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)一起，分別上傳至智慧燃?xì)夤に嘡TU控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱RTU控制系統(tǒng))、智慧配電系統(tǒng)、智慧照明系統(tǒng)和智慧安防及報(bào)警系統(tǒng)。這4個(gè)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)控制器，物聯(lián)網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、控制、儲(chǔ)存、處理等指令，并配合其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)大屏顯示、計(jì)算機(jī)記錄、打印、手機(jī)APP(工作人員隨身攜帶)和觸摸屏的移動(dòng)端顯示，并與上級(jí)調(diào)度中心進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

智慧系統(tǒng)具有開(kāi)放性和連通性。通過(guò)合適的硬件配置和搭建，將檢定站內(nèi)各系統(tǒng)集成，達(dá)到集中顯示、連鎖、控制的功能，減少運(yùn)營(yíng)成本，針對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集孤立以及難以聯(lián)動(dòng)的問(wèn)題，提出了有效的解決方案，并達(dá)到智能、高效、安全、節(jié)能、環(huán)保的目的。

圖1 檢定站智慧系統(tǒng)

智慧系統(tǒng)主要功能包括：保證正常生產(chǎn)過(guò)程持續(xù)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)度人員及時(shí)了解當(dāng)前檢定站運(yùn)轉(zhuǎn)情況。通過(guò)快速傳遞并反饋設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)快速定位、業(yè)務(wù)處理和故障修復(fù)。降低各種故障停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)檢定系統(tǒng)高效率生產(chǎn)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)電能等能源節(jié)約，精確計(jì)量。提高計(jì)量檢定系統(tǒng)工作效率，增強(qiáng)檢定能力。保證廠區(qū)內(nèi)照明相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)智能控制，因需調(diào)節(jié)。安防及報(bào)警滿足值守要求，系統(tǒng)反饋靈敏，安全可靠。

3.2 各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1RTU控制系統(tǒng)

RTU控制系統(tǒng)依據(jù)功能性、實(shí)用性、可維護(hù)性、可拓展性、安全性等設(shè)計(jì)原則，選擇技術(shù)成熟、性價(jià)比高、功能適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，完成對(duì)進(jìn)出站閥門(mén)區(qū)、過(guò)濾區(qū)、進(jìn)站計(jì)量區(qū)、穩(wěn)壓系統(tǒng)區(qū)、移動(dòng)車(chē)載檢定裝置、檢定區(qū)、分流區(qū)、流量調(diào)節(jié)區(qū)和調(diào)壓計(jì)量區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和控制。

主要檢測(cè)控制內(nèi)容：高壓A天然氣進(jìn)口進(jìn)行壓力、溫度檢測(cè)和顯示，并設(shè)置超高、超低報(bào)警；在過(guò)濾器處設(shè)置壓差變送器，監(jiān)測(cè)天然氣流通情況，并設(shè)置壓差超高報(bào)警；進(jìn)站計(jì)量區(qū)進(jìn)行高壓A天然氣流量檢測(cè)；高壓A天然氣經(jīng)調(diào)壓、穩(wěn)壓、分流及流量調(diào)節(jié)后，穩(wěn)定在檢定工藝所需工況；高壓B天然氣出口進(jìn)行壓力、溫度檢測(cè)和顯示，并設(shè)置超高、超低報(bào)警；記錄、顯示燃?xì)夤艿郎现匾蜷y的閥位開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；單獨(dú)設(shè)置移動(dòng)車(chē)載檢定裝置控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行參數(shù)并完成相關(guān)工藝流程，預(yù)留與RTU控制系統(tǒng)的通信接口并具有開(kāi)放通信協(xié)議，同時(shí)移動(dòng)車(chē)載檢定裝置控制系統(tǒng)可接收RTU控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及指令；檢定區(qū)根據(jù)待檢流量計(jì)口徑不同設(shè)置多條檢定線路，RTU控制系統(tǒng)設(shè)定自動(dòng)切換檢定線路的功能，同時(shí)配合起重機(jī)根據(jù)口徑自動(dòng)選擇檢定線路并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吊裝，天然氣以實(shí)流方式通過(guò)檢定區(qū)，對(duì)已吊裝流量計(jì)進(jìn)行檢定。RTU控制系統(tǒng)電源模塊為冗余配置，考慮以后的擴(kuò)展功能，I/O模塊數(shù)量結(jié)合現(xiàn)有規(guī)模留有一定余量，同時(shí)預(yù)留與其他設(shè)備信號(hào)的接口。

3.2.2智慧配電系統(tǒng)

智慧配電系統(tǒng)主要采用兩種模式：智慧終端設(shè)備模式和智慧配電柜(屏)模式。

智慧終端設(shè)備模式：根據(jù)實(shí)際需求確定功能范圍，在配電支路加裝智慧終端設(shè)備(如電量采集器、溫控器等)以及配套智慧電流互感器，之后將電量采集器、溫控器等智慧終端設(shè)備采用有線或無(wú)線方式接入獨(dú)立智慧配電控制器。智慧終端設(shè)備根據(jù)自身的數(shù)字化功能進(jìn)行相應(yīng)配電支路的監(jiān)控管理，智慧配電控制器根據(jù)系統(tǒng)詳情進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搭建，確定組網(wǎng)及拓?fù)鋱D，最終實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等多方面精細(xì)化保護(hù)。此模式適用于對(duì)普通配電系統(tǒng)的改造項(xiàng)目，智慧配電控制器可接入值班室計(jì)算機(jī)和顯示屏，可操作性強(qiáng)且較經(jīng)濟(jì)。

智慧配電柜(屏)模式：結(jié)合不同設(shè)備負(fù)荷情況，綜合考慮各種配電柜(屏)型號(hào)規(guī)格、支路配電、相關(guān)參數(shù)配置及智慧配電控制器需求，確認(rèn)一體化智慧配電方案。配電支路開(kāi)關(guān)、熔斷器等選擇具有信號(hào)上傳功能的設(shè)備，通過(guò)相關(guān)儀表采集配電回路的電壓、電流、諧波質(zhì)量數(shù)據(jù)、回路的通斷狀態(tài)、電流狀態(tài)、接地和防雷設(shè)備狀況等數(shù)據(jù)，上傳至智能配電柜(屏)。智慧配電柜(屏)內(nèi)設(shè)置PLC或其他智慧控制器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集來(lái)智能調(diào)節(jié)相關(guān)支路設(shè)備的頻率、啟停，對(duì)設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。智慧配電柜(屏)配套液晶顯示，觸控設(shè)計(jì)，采用安全防漏電形式，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此模式適用于新建的配電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)配電支路以及系統(tǒng)的高度智慧管理。

兩種模式均應(yīng)用廣泛。在安全運(yùn)行方面，智慧配電系統(tǒng)對(duì)異常狀態(tài)預(yù)警并可及時(shí)保護(hù)，尤其是具有電氣火災(zāi)監(jiān)控功能，可有效降低故障發(fā)生率，提高安全運(yùn)行時(shí)間。在節(jié)約用電方面，智慧配電系統(tǒng)根據(jù)完備的能耗管理系統(tǒng)，對(duì)各設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行模擬測(cè)算和精細(xì)管理，減少能耗成本。在運(yùn)維管理方面，智慧配電系統(tǒng)提供本地、遠(yuǎn)程不同控制途徑，大大減少人力需求，降低成本的同時(shí)提高管理效率，實(shí)現(xiàn)集中管理控制，簡(jiǎn)化工作內(nèi)容。

3.2.3智慧照明系統(tǒng)

燈具不僅作為照明設(shè)備，也是智能探測(cè)和網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點(diǎn)，具有節(jié)能照明、數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布等功能。智慧燈具可配套GIS定位功能，對(duì)每盞燈具進(jìn)行定位和編碼。在燈桿上裝設(shè)攝像頭、環(huán)境傳感器等，對(duì)是否有人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)節(jié)燈的亮度，實(shí)現(xiàn)光照調(diào)控，提高節(jié)能效果。對(duì)檢定站內(nèi)空氣質(zhì)量、溫度、濕度、噪聲等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄以便實(shí)施相關(guān)參數(shù)控制。在個(gè)別燈桿上安裝LED顯示屏，發(fā)布檢定站信息。

3.2.4智慧安防及報(bào)警系統(tǒng)

對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門(mén)禁控制系統(tǒng)、各種報(bào)警系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括查看數(shù)據(jù)參數(shù)、安全狀態(tài)、監(jiān)控圖像以及配套連鎖控制等。通過(guò)無(wú)線傳感器、視頻數(shù)據(jù)采集等設(shè)備，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析，結(jié)合錄入資料、典型區(qū)域調(diào)查，對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以及監(jiān)測(cè)參數(shù)合理設(shè)置。對(duì)各種設(shè)備、車(chē)輛、現(xiàn)場(chǎng)人員定位，定位系統(tǒng)一般基于 GIS、GPS等技術(shù)，一旦監(jiān)控范圍內(nèi)發(fā)生工藝設(shè)備故障或其他突發(fā)事件，調(diào)度人員可及時(shí)并直觀知曉事件發(fā)生的具體情況，派最近的現(xiàn)場(chǎng)人員快速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理。手機(jī)等終端設(shè)備可幫助現(xiàn)場(chǎng)人員第一時(shí)間將信息傳遞給調(diào)度中心，同時(shí)結(jié)合應(yīng)急報(bào)警按鈕、語(yǔ)音對(duì)講及求助信息圖像采集等功能，便于調(diào)度中心及時(shí)回應(yīng)并提供解決方案。

4 智慧云系統(tǒng)架構(gòu)

檢定站智慧系統(tǒng)作為本地子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)檢定站內(nèi)各系統(tǒng)的智慧控制連鎖功能。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各不同檢定站智慧系統(tǒng)信息匯總后與上級(jí)調(diào)度中心進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集成在智慧云系統(tǒng)上，見(jiàn)圖1。檢定站借助智慧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，上級(jí)調(diào)度中心管理人員通過(guò)智慧云系統(tǒng)監(jiān)視管理范圍內(nèi)所有檢定站運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，并在權(quán)限范圍內(nèi)輔助站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行。

智慧云系統(tǒng)需要采用架構(gòu)搭建和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和傳輸，二者是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)架構(gòu)整合環(huán)境感知、定位巡查、集中管理等資料，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)的輔助與連接，將語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、文檔等不同形式信息在高效渠道中進(jìn)行傳遞和處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)信息的采集與整理，還能有效實(shí)現(xiàn)各功能模塊的協(xié)調(diào)。

智慧云系統(tǒng)需要構(gòu)建硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，主要完成信息收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回傳以及決策支持等功能。硬件平臺(tái)是功能基礎(chǔ)配件，按照網(wǎng)絡(luò)橫向組成劃分，包括感知節(jié)點(diǎn)、傳感網(wǎng)、核心承載網(wǎng)和信息服務(wù)終端等。軟件平臺(tái)是功能神經(jīng)主體，建立在分層的通信協(xié)議體系之上，通常包括數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)軟件、中間件系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等。

智慧云系統(tǒng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)智能處理層和應(yīng)用層,見(jiàn)圖2。

圖2 智慧云系統(tǒng)架構(gòu)

感知層將探測(cè)器或傳感器、RFID感應(yīng)器、條碼識(shí)讀器、控制器等檢測(cè)或識(shí)別的數(shù)據(jù)通過(guò)M2M終端、傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)等各種短距離通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層由各種無(wú)線或有線網(wǎng)關(guān)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，實(shí)現(xiàn)感知層與數(shù)據(jù)智能處理層數(shù)據(jù)及控制信息的雙向傳送。數(shù)據(jù)智能處理層實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的核心技術(shù)，通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)度、集控、云存儲(chǔ)或計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解，是應(yīng)用層的重要數(shù)據(jù)支持，二者實(shí)現(xiàn)緊密的信息接收與反饋。應(yīng)用層包括支撐子層和智慧云系統(tǒng)應(yīng)用，其中支撐子層為智慧云系統(tǒng)應(yīng)用提供通用支撐服務(wù)和能力調(diào)用接口[1]。

結(jié)合圖1與圖2，檢定站智慧系統(tǒng)作為感知層的一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)信息采集后上傳至智慧云系統(tǒng)。智慧云系統(tǒng)作為云端可輻射多個(gè)檢定站智慧系統(tǒng)，采用集散控制將指令或決策發(fā)送給每個(gè)檢定站智系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制器，借助于射頻識(shí)別技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、云計(jì)算等收集完整信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信端口將不同物聯(lián)網(wǎng)控制器與智慧云系統(tǒng)連接。智慧云系統(tǒng)數(shù)據(jù)智能處理層可引入空間位置信息、身份信息等相關(guān)功能軟件，通過(guò)相關(guān)技術(shù)將不同檢定站的所有信息進(jìn)行整合、分類(lèi)與重組，更加客觀、清晰地表達(dá)空間邏輯關(guān)系，配合身份識(shí)別系統(tǒng)、手機(jī)APP、觸摸屏等, 實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備等信息顯示和功能交互，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層，有效精確地完成生產(chǎn)管理技術(shù)指導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)智慧云系統(tǒng)下燃?xì)夤に囎詣?dòng)控制、配電自動(dòng)分配、能源節(jié)約、人力精細(xì)統(tǒng)籌、權(quán)限設(shè)定、安全管理等智慧應(yīng)用。

5 通信網(wǎng)絡(luò)要求

智慧系統(tǒng)和智慧云系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要分為有線通信和無(wú)線通信。有線通信包括以太網(wǎng)、串口通信等。無(wú)線通信分為近距離無(wú)線通信、短距離無(wú)線通信和長(zhǎng)距離無(wú)線通信。檢定站按照易燃易爆環(huán)境考慮，建議RTU控制系統(tǒng)采用并行排列且抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)總線通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)I/O端口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，既確保通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)傳輸準(zhǔn)確、容錯(cuò)性好，又極大降低后期的維護(hù)成本。

智慧系統(tǒng)和智慧云系統(tǒng)均支持BACnet、Modbus等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及Java、Web等開(kāi)放IT技術(shù)，根據(jù)具體設(shè)備協(xié)議開(kāi)發(fā)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)私有協(xié)議實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)集成，同時(shí)對(duì)行業(yè)內(nèi)大多數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)也提供支持。在設(shè)備方面做冗余設(shè)計(jì)，采用擴(kuò)展技術(shù)在不同地點(diǎn)增加現(xiàn)場(chǎng)控制器及操作終端，同時(shí)不影響現(xiàn)場(chǎng)正常操作。