采用SCADA系统实施城市燃气建设

1.1 系统简述

城市燃气是每个城市发展的重要组成部分，供气对象包括每个城市规划用地区域内的居民、商业及公共建筑、工业、燃气空调、燃气燃料汽车等用户。一个高可靠性、高性价比的SCADA系统有助于城市燃气实现安全、高效的燃气输配管理。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

燃气SCADA系统包括调度监控中心、门站、储配站等PLC/RTU站控系统、无人值守RTU站、安防系统等。在电力系统中，SCADA系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它在远动系统中占重要地位，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，即我们所知的"四遥"功能。RTU（远程终端单元），FTU（馈线终端单元）是它的重要组成部分。在现今的变电站综合自动化建设中起了相当重要的作用。系统投产后，操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对全市燃气输配系统的监控和运行管理。系统的基本功能如下：

1、运行工况实现“四遥”

在调度监控中心可观察到全市管网的运行工况，为管网运行调度提供依据，并根据调度方案向各重要节点发出调整、控制指令到执行机构。调整、控制后的新工况参数又实时地传送到调度监控中心，从而对管网实现遥测、遥控、遥调、遥信功能。

2、能方便地与公司计算机管理网络联网

本系统为标准的以太网，能方便地与公司计算机管理网络联网运行。以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似。

3、安全报警系统

在输配管网的调压站、门站等子站，当压力超高限或超底限发出报警信号。通过PLC/RTU进入SCADA系统，对事故的及时处理提供决策和调度依据。

4、系统可维护性

设备出现故障时，只需简单地插入模块/部件替换故障部件，即可排除故障。系统硬件和软件尽可能多地使用开放系统，增强系统的可维护性，并确保将来的可扩充性。

5、系统的可扩充性

当需要增加RTU或监测点时，只需进行系统组态更改，而不需要编程人员重新设计程序。系统数据库具有开放的结构，对各种平台再开发具有透明性。

6、实时事故预测及报警

通过对检测数据分析处理，并与正常工况进行比较，可及时发现异常现象及事故，并结合GIS、CIS系统确定发生的地点以及现场管道、设备情况，在调度监控中心显示屏上显示出来，同时发出报警信号。在管网发生事故时，由计算机给出发生地局部区域管网布置的详细情况，准确判断出事故波及影响的范围及相关的阀门，结合GPS系统指挥抢修人员迅速处理，将事故影响控制在最小范围。

7、系统具备自诊断和设备管理功能

对于可能发生事故的隐患，也可以作出一定程度的分析判断，提醒值班人员作相应处理，做到将事故隐患消灭在萌芽状态，防患于未然。

调度监控中心功能

调度监控中心实时采集本地监测站的运行参数，实现对管网和工艺设备的运行情况进行自动、连续的监视管理和数据统计，为管网平衡、安全运行提供必要的辅助决策信息。

调度监控中心的主要任务是通过各站点的RTU/PLC对管网和场站的工艺参数进行数据采集和监控。调度监控中心的操作人员通过计算机系统的操作员工作站所提供的管网和场站工艺过程的压力、温度、流量、设备运行状态等信息，完成对燃气输配管网的运行监控和管理。

PLC/RTU站控系统功能

RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。

门站、储配站等各重要站场的站控系统作为管道SCADA系统的现场控制单元，除完成对所处站场的监控任务外，同时负责将有关信息传送给调度控制中心并接受和执行其下达的命令。主要为①对现场的工艺变量进行数据采集和处理；②经通信接口与第三方的监控系统或智能设备交换信息；③监控各种工艺设备的运行状态；④对供电设备及其相关变量的监控；⑤站场可燃气体的监视和报警；⑥消防系统的监控；⑦周界报警系统的监控；显示动态工艺流程；提供人机对话的窗口；显示各种工艺参数和其它有关参数；显示报警一览表；⑧数据存储及处理；显示实时趋势曲线和历史曲线；⑨数据计算；逻辑控制；联锁保护；紧急停车（ESD）；⑩打印报警和事件报告；打印生产报表；数据通信管理。

无人值守站功能

系统在小型调压站等无人值守站点处配置RTU，完成对现场的工艺参数进行数据采集和处理；①监控管网安全切断阀门和电动阀门；②供电系统的监控；③可燃气体的监测和报警；④数据存储及处理；逻辑控制；紧急停车（ESD）；⑤与主控中心通讯，为调度控制中心提供有关数据；接受并执行调度控制中心下达的命令。

1.2 系统特点

系统的开放性

系统软硬件均具有长期可靠的应用实例，采用通用接口协议，便于互联。无论软硬件产品都是模块化设计，硬件便于维护、升级、更换；软件成熟度高，可移植、再次开发。在业务层面上，无论是整个系统，还是单各站点，无论整个SCADA系统到DMS系统的扩展，还是与GIS、CIS等分立系统的连接，都体现了开放性的原则。

模块化设计

系统的总体设计及部分重要设备采用了模块化设计。系统的部分功能调试（如调度监控中心和门站本地控制系统）可分部完成而不会影响整体的调试效果，这样有利于系统的并行生产及故障排查等。各站的PLC/RTU采用了模块化系列型号，通讯模块及I/O模块等设备的增加与组合可根据实际情况的需要灵活组态。

可扩展性

各站的I/O模块的增加只需简单的配置即可投入使用；终端站I/O点在硬件和软件上都有30%余量，增加的信号直接接入即可运行，无需修改硬件配置和程序；背板插槽也留有余量以备日后扩展。Espider组态软件I/O点、Espider客户端数量及数据库（应改为组态软件）的用户数量都可根据日后需要而扩展；通讯系统具有灵活的扩展性。

可靠性设计

系统实时监视输配管网及各站的运行状态，定期进行自诊断并且形成报告。在系统重要环节如主服务器、通讯信道、门站PLC等做了冗余设计。系统正常工作时，重要数据进行自动备份，当发生故障时，系统进行即时切换；同时，自动启动报警程序，显示引起切换的故障原因，如信道故障、电源故障、违规操作、I/O失效、CPU错误等。

1.3 系统结构框图

在SCADA系统中，通讯系统是重要的组成部分，其稳定性与灵活性对于系统来说至关重要。本系统中遥测通信协议采用国际工业标准的DNP3.0和Modbus二种通信协议。这两种协议已经被绝大多数主要SCADA 集成商和遥测设备供应商采用。

本系统采用的通讯系统结构及功能如下：

无人值守站采用GPRS无线通讯方式。

各ADSL站将有线通信方式的数据传输到调度监控中心；GPRS的数据传输到移动公司机房，然后采用光纤或其他有线连接方式接入主调度监控中心。

调度监控中心及各下级站点采用固定IP地址的方式，组成一个虚拟LAN，实现DNP3.0数据通讯协议的TCP/IP通讯，以及实现中心端对RTU/PLC远程配置。各场站内采用Modbus通讯协议。

通信线路故障期间，各站点的PLC/RTU按时间顺序在其存储器内保存数据，待通信恢复后，将这些数据补传。中心根据时间顺序将这些数据插入到数据库的适当位置的功能。

系统具备通信诊断、分析的工具，各个通信口及其通信参数记录并可在网络上的任何一台操作员工作站上显示。

门站等重要场站采用ADSL数字电路为主用通信线路，GPRS无线通讯为备用通信线路的通信方式。ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line ，非对称数字用户环路）是一种新的数据传输方式。它因为上行和下行带宽不对称，因此称为非对称数字用户线环路。它采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道，从而避免了相互之间的干扰。即使边打电话边上网，也不会发生上网速率和通话质量下降的情况。通常ADSL在不影响正常电话通信的情况下可以提供最高3.5Mbps的上行速度和最高24Mbps的下行速度。

无人值守站采用GPRS无线通讯方式

通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps各ADSL站将有线通信方式的数据传输到调度监控中心；GPRS的数据传输到移动公司机房，然后采用光纤或其他有线连接方式接入主调度监控中心。

调度监控中心及各下级站点采用固定IP地址的方式，组成一个虚拟LAN，实现DNP3.0数据通讯协议的TCP/IP通讯，以及实现中心端对RTU/PLC远程配置。各场站内采用Modbus通讯协议。

通信线路故障期间，各站点的PLC/RTU按时间顺序在其存储器内保存数据，待通信恢复后，将这些数据补传。中心根据时间顺序将这些数据插入到数据库的适当位置的功能。

系统具备通信诊断、分析的工具，各个通信口及其通信参数记录并可在网络上的任何一台操作员工作站上显示。

系统选型

门站及储配站系统选型

站控系统结构图如下：

SCADA系统中的门站、储配站、混气站、净化站、LNG站等站场选用北京安控公司生产的SuperE50系列模块化RTU。

Super E50系列RTU是北京安控科技股份有限公司集多年的站控系统开发、工程经验设计的新型站控RTU产品，可实现对工业现场信号的采集和设备的控制。该产品采用了先进的32位ARM技术，高效的嵌入式操作系统，整个系统功能强大、操作方便、集成度高。不仅能胜任逻辑、定时、计数控制，还能完成数据处理、高速计数、模拟量控制、PID、RTD、TC、通讯联网等功能。

该产品具有多种配置和可选功能。可根据用户的实际需求，在不同领域，设计开发成各种控制系统。

产品特点：

功能强大的硬件系统，采用32位ARM处理器，嵌入式实时多任务操作系统（RTOS）。

高效的工程开发工具，符合IEC 61131-3标准，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五种程序语言。

结构先进，易于扩展，可多站协调工作，组建复杂系统。

模块化设计工业标准设计，DIN导轨安装结构，方便现场安装。

经济可靠、功能强大的通信接口，支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可选）、IEC 60870-5-104（可选）等通信协议。

具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口。

支持WEB发布功能。

具有16位分辨率A/D、D/A。

友好的人机界面。

先进的冗余/容错方式。

经济高效的RTU系统。

电源、信号输出输入端均采取隔离保护，并与主控电路隔离。

具有看门狗及数据掉电保护功能，可长期保存设定参数及历史数据。

大容量存储空间，满足就地运算和历史数据记录。

工作温度-40～+70℃，工作湿度5～95%RH，适应各种恶劣环境。

通过CE认证，达到EMC电磁兼容3级标准。

ISO9001质量管理体系。

MTBF：500,000h,MTTR≤1h。

I/O模块的特点：

所有I/O模块都是模块化设计，支持热插拔。I/O是 input/output的缩写，即输入输出端口。每个设备都会有一个专用的I/O地址，用来处理自己的输入输出信息。CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。

危险分散措施：过程I/O单元采用的智能化设计方法，可有效地将部分控制或采集运算分散到各I/O单元，降低主控单元的负担，提高可靠性；

冗余结构：操作员站、系统网络、主控单元、I/O模块、系统电源完全冗余。

故障隔离措施：所有IO单元都采用可靠的光电隔离技术，使各单元之间和单元与主控单元之间的CPU无任何电气联系，从而提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。在同一单元的不同通道间及逻辑功能侧和现场信号侧，也提供了隔离措施，可消除由于现场地电位差对系统造成的损坏。电隔离离一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

各种运行提示：所有单元上均有状态指示灯包括运行、故障、通信等。

可带电插拔：一旦发现故障，可带电对故障单元进行更换。由于采用了特殊保护措施，系统中所有过程I/O单元均可带电拔插，对系统的运行不会产生任何影响。

周期性的故障检测。定期检测模块自身CPU的工作状态。一旦CPU出现故障，在保证安全的前提下，看门狗电路可使模块复位。

具备较完备的保护功能。包括：通道电流过载保护、DC24V电压反向保护、通讯线钳压保护、通道过压保护。

无人值守站选型

无人值守站RTU选用安控科技生产的Super32-L系列RTU。

Super32-L 系列RTU，是北京安控科技股份有限公司集多年的开发、工程经验设计的新型RTU产品，是面向工业现场信号采集和对现场设备控制的新型通用RTU。该系RTU采用先进的32处理器，不仅能完成逻辑运算、定时、计数控制，还能实现数据处理、PID运算、通讯联网等功能。

产品特点

采用32位ARM处理器，嵌入式实时多任务操作系统（RTOS）。RTOS，即：实时系统（Real-time operating system），实时系统能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统。它的正确性不仅依赖系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。因此实时系统应该在事先先定义的时间范围内识别和处理离散事件的能力；系统能够处理和储存控制系统所需要的大量数据。 为了便于理解，机场的售票系统就是一个典型的实时系统。

编程软件符合IEC 61131-3标准，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五种程序语言。

一体化模块设计，可扩展至64点I/O信号通道。

支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可选）、IEC 60870-5-104（可选）等通信协议，

具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口，适用于多种有线和无线网络。

具有16位分辨率A/D。

电源、信号输出输入端均采取隔离保护，并与主控电路隔离。

具有看门狗及数据掉电保护功能，可长期保存设定参数及历史数据。

大容量存储空间，满足就地运算和历史数据记录。

LED和通信端口可休眠，特别适用于太阳能供电等场合。

工作温度－40～+70℃，工作湿度5～95%RH，适应各种恶劣环境。

元器件选用优秀的工业级产品，经过严格测试和筛选。

工业标准设计，DIN导轨安装结构，方便现场安装。

产品通过CE认证。

MTBF：500,000h,MTTR≤1h

支持WEB发布功能。