SCADA在城市燃气管网上的应用

SCADA系统在城市燃气管网上的应用设计摘要：SCADA系统，即数据采集与监视控制系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。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。近几年，中国经济高速发展，对清洁能源的需求与日俱增，城市燃气建设因此走上了快车道。以西气东输工程和沿海LNG工程建设为标志，迎来了城市利用天然气的时代，也将使我国燃气的发展步入世界发达国家燃气发展的轨道。为保证燃气输配管网及设施安全均衡高效地运行，建立和完善SCADA系统成为燃气发展的客观需要。该课题来源于天津圆通燃气公司天然气管网数据监控项目，对城市集中供气SCADA系统中的远程监控站系统进行设计和实现，阐述了该系统的设计与开发。该文介绍了为该项目提供的SCADA系统设计方案。关键词：SCADA；DTU;RTU；燃气；一、概述城市燃气是城市能源供应的重要组成部分，是城市建设的重要基础设施之一。发展城市燃气，对于节约能源、保护环境、方便人民生活、促进工业生产、发展城市公用事业意义十分重大，是实现城市现代化的重要标志之一。二、系统组成结构及功能要求本应用项目由燃气管网远程测控调度SCADA系统组成，各地监测中心数据可互通。1、燃气管网远程测控调度系统结构图如上图所示燃气管网远程测控调度系统由远程终端单元（RTU）、3G/4GDTU、无线3G/4G无线网络、调度中心几个部分组成。数据采集将每个调压站内的压力、温度、流量等数据通过3G/4G无线数据传输终端动态地发送到燃气管理处的调度中心。调度中心负责对所接收到数据进行分析、存储、生成表格、曲线显示等处理，并且在出现非正常燃气传输状态的时候进行报警，使现场故障能够的到及时、有效的处理，避免产生更大的经济损失。三、远程终端单元（RTU）远程终端单元RTU分散的分布在燃气管网的遥测点上，主要由GPRS智能模块、电源、天线、PLC的CPU及各种I/O模板及后备电池、机箱等几部分组成。远程终端单元RTU与现场设备的开关量、模拟量信号相连，进行数据采集、处理、存储并通过GPRS网络与调度中心传送数据，接收并执行上位机的命令。1、具体功能如下：RTU机箱：安装于遥测点现场，为壁挂式，具有防盗功能（包括GPRS模块天线），其固定螺丝置于箱体内，设置门锁，箱体内具有220V交流电，信号输入输出接线端子，设置交流进线空气开关，配备一220V交流电插座（检修时方便使用）PLC：基本功能要求无需监控中心控制，可自行进行测量，并保存累积数据系统；具有实时时钟功能（可通过监控中心设定校准），采集到的数据以时间为顺序，以5分钟/每次的密度，能在RTU端存储一天的历史数据，程序、参数、历史数据具有掉电保护功能；定时上报：把从仪表采集到的数据，以定时（整5分钟报一次）方式上报；实现数据点播：可以响应各监控中心发出的查询请求，将实时时刻或历史时刻的数据发给监控中心，数据可发给多个监控中心；输入信号损坏时发出报警信息；当系统上电复位，或系统运行、通信发生异常死机复位（看门狗复位）时，系统根据复位类型不同进行复位处理，保证系统正常工作。可为一次仪表（两线制，三线制）提供24V电源，具有一次表供电功能。四、GPRS数据传输终端CM3150PGPRSDTU采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台,超大内存,内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。该产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。无线参数：支持EGSM900/GSM1800无线网络GPRSmulti-slotclass10编码方案：CS1~CS4符合SMG31bis技术规范ComplianttoGSMphase2/2+支持数据、语音、短信和传真硬件系统：CPU:工业级ARM9CPU，200MPS,16KDcache，16KIcache(业内最高级CPU)FLASH：8MB（可扩展至32MB）(业内最大内存容量)SDRAM：64MB（可扩展至256MB）接口：1个RS232串口。串口速率110~230400bits/s指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。SIM卡接口：3V/5V标准的推杆式用户卡接口。电源接口：标准的3芯火车头电源插座。语音接口：标准的耳机麦克风接口。供电：外接电源：DC9V500mA宽电压供电：DC5-35V通信电流：350mA待机电流：35mA工业级无线模块：GRPS模块：SimensMC39i尺寸：外形尺寸：92.7x61.3x23mm（不包括天线及固定件）其他参数：工作环境温度-25~+65ºC储存温度-40~+85ºC相对湿度95%(无凝结)软件功能：智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。支持RSA，RC4加密算法支持虚拟值守VWM（VirtualManWatch）功能，确保系统稳定可靠支持虚拟数据专用网（APN）透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式支持数据中心动态域名和IP地址访问支持双数据中心备份支持多数据中心支持主从模式支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。支持短消息备份及告警。多重软硬件看门狗数据包传输状态报告。标准的AT命令界面可以用做普通拨号MODEM支持telnet功能。支持远程配置，远程控制通过串口软件升级同时支持LINUX和WINDOWS操作系统五、调度中心调度中心设一主一备两个中心（即有一主一备两个IP地址），平时RTU端的GPRS模块只与调度中心主中心（主IP地址）联系，当主IP地址联系不上时，RTU端的GPRS模块能主动的与备用中心地址联系，切换到备用系统进行工作，当主IP地址系统恢复正常，关闭备用IP地址系统时，能恢复到主IP地址系统进行工作。移动APN专线方式：中心用一个服务器组作为中心接收，中心采用APN专线连接。此种方案先向移动运营商申请APN宽带业务，并申请邦定IP地址。终端设备通过RS232串行方式接到GPRS智能终端上，GPRS智能终端与GPRS基站通信，但与电路交换或数据呼叫不同，GPRS数据分组是从基站发送到SGSN节点，而不是通过移动交换中心MSC连接到语音网络上。SGSN与网关支持节点GGSN进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet网络，（参见图示）来自Internet、标识有移动台地址的IP包，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。由于GPRS网络工作方式是以IP地址寻址为基础的，所以目标服务器端必须先接入Internet网络以获得IP地址（固定IP），然后将CM3150PGPRS智能终端进行相应初始化，所以监控点的GPRS智能DTU设置好中心固定IP地址和端口号，上电自动向中心固定IP发起连接，时时在线传输监测数据。可支持同时并发数据发送，无需轮询访问，时时性高，运行可靠稳定。此过程是由GPRS智能终端主动向服务器发送数据，请求TCP/IP连接，当TCP/IP连接通道建立以后，服务器和终端设备可以双工地进行数据传输。调度中心与总调度中心之间的数据传输通道调度中心A市和调度中心B市通过GPRS网络，接收到本地的监测数据，经过处理后发送给前置机设备。每台前置机挂有GPRS智能数传终端，分别通过GPRS网络与省会市总调度中心的建立TCP/IP链路，双工地进行数据传输。接受总调度中心的时时数据查询。调度中心功能A,B省会市三市通过网络与公司内部网连接，调度中心服务器通过GPRS网络向RTU下发配置信息、控制信息，及接收下位机上报的数据及告警信息，同时对采集的数据进行管理，提供查询、统计、报表等功能调度中心的具体功能如下：能够给RTU下发组态信息、控制命令，能够校准RTU的时钟。RTU发送来的数据自动进入数据库，数据库具备一定的安全措施。处理RTU的报警信息。数据遥测功能：定时巡测、手动巡测、随机抽测、分组召测遥控功能：控制RTU开关量输出点的开、关状态、遥信开关状态参数状态管理功能：设置修改各测量数据上、下限值，通讯参数在线组态功能：新增RTU数据采集点等参数通过组态定义即可完成。数据库管理功能：对测得的数据建库，对数据进行处理，查询历史数据，报表打印具有数据显示功能：能显示测量的各种数据、遥信开关状态、各种系统图形等具有图形功能,模拟显示管网图、水厂工艺流程图等抢修修理、停水、管网冲洗等数据录入及统计。数据共享功能：提供一个WEB站点，该WEB站点使公司宽带内部网的任意一台工作站只通过WEB浏览器就可以登陆查看所有监控点的实时数据和存储的任何时间段的历史数据。WEB站点通过用户身份认证授权方式控制该用户可访问那些监控点的实时监控数据和存储的任何时间段的历史数据。调度中心系统管理员能增加、删除可访问用户，并对用户进行不同权限的授权。该WEB站点应能通过超链接方式联入公司统一平台。具备一开放的实时数据库，DLP大屏控制器软件能够读取各监测点的实时数据。通讯服务器通讯服务器中运行GPRS通信管理软件，完成与远端无人值守站点RTU的通信链接，协议转换、通信系统的监视及管理、网络监视及管理等任务。通信系统服务器的最低配置为（机架式，共一套）*2*Xeon3.0GHz以上CPU；*4GBECCDDR2以上内存，最高支持8GB以上；*4*73.4GBSCSI热插拔硬盘，RIAD5，10000转/分以上；*DVDROM；*集成双10/100/1000MbpsEthernet网卡；*热插拔冗余电源（2口）；*17＂液晶显示器；*集成远程管理模块；*键盘及鼠标等；*支持WindowsServer2003简体中文版。六、系统优势1)系统开放性强，可与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无逢连接，为更深层次的数据挖掘，打好基础。2)以人为本的操作，友好的人机界面，完全符合国人思维和操作习惯七、总结该系统可达到提高燃气集输计量管理水平目的，具有良好的经济效益及社会效益，具体表现在以下几个方面：1、由于对计量间天然气浓度实施了24小时连续在线监测，当气体发生泄漏时，监控室及管理部门可在第一时间做出反应，极大地提高了生产的安全性；2、由于采用远程抄表，可大大提高目前抄表人员的工作效率，减少车辆等资源浪费，大幅度降低总体运行成本；3、通过对各计量间实时监测，可实时掌握输差情况，为稳定输差提供科学依据；4、由于运行数据全部存入数据库管理，可按照ISO9000的要求对流量计等数据资料进行管理，系统可自动提示流量计检定时间等信息，对提高管理水平具有重要的意义。参考文献：燃气行业SCADA系统的现状与分析，上海航天能源有限公司，王耀生GPS系统及SCADA系统在城市燃气管网的应用，作者：杨济宁，李贤辉基于SCADA原理的城市燃气管网安全监控系统的设计与实现，山东大学，牟兆泉