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韓衛(wèi)國（1976-）男，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)學(xué)士，畢業(yè)于黑龍江大學(xué)光電子技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)任北京安控科技股份有限公司油氣事業(yè)部副總工程師，主要從事RTU、油氣田產(chǎn)品研發(fā)工作。
摘要：本文將以城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)的應(yīng)用為案例，闡述了RTU產(chǎn)品在該系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的應(yīng)用，體現(xiàn)RTU在SCADA系統(tǒng)中應(yīng)用的可靠性、靈活性、方便性。
關(guān)鍵詞：SCADA；RTU；城市燃?xì)猓蝗哂?br />
1 系統(tǒng)簡述
城市燃?xì)馐敲總€(gè)城市發(fā)展的重要組成部分，供氣對(duì)象包括每個(gè)城市規(guī)劃用地區(qū)域內(nèi)的居民、商業(yè)及公共建筑、工業(yè)、燃?xì)饪照{(diào)、燃?xì)馊剂掀嚨扔脩?。一個(gè)高可靠性、高性價(jià)比的SCADA系統(tǒng)有助于城市燃?xì)鈱?shí)現(xiàn)安全、高效的燃?xì)廨斉涔芾怼?br />
燃?xì)釹CADA系統(tǒng)包括調(diào)度監(jiān)控中心、門站、儲(chǔ)配站等PLC/RTU站控系統(tǒng)、無人值守RTU站、安防系統(tǒng)等。系統(tǒng)投產(chǎn)后，操作人員在調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對(duì)全市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的監(jiān)控和運(yùn)行管理。系統(tǒng)的基本功能如下：
（1）運(yùn)行工況實(shí)現(xiàn)“四遙”
在調(diào)度監(jiān)控中心可觀察到全市管網(wǎng)的運(yùn)行工況，為管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)，并根據(jù)調(diào)度方案向各重要節(jié)點(diǎn)發(fā)出調(diào)整、控制指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)整、控制后的新工況參數(shù)又實(shí)時(shí)地傳送到調(diào)度監(jiān)控中心，從而對(duì)管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙信功能。
（2）能方便地與公司計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)
本系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，能方便地與公司計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。公司有關(guān)負(fù)責(zé)人和相關(guān)部門可根據(jù)其權(quán)限（由SCADA限定），對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀況和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、調(diào)用。
（3）安全報(bào)警系統(tǒng)
在輸配管網(wǎng)的調(diào)壓站、門站等子站，當(dāng)壓力超高限或超底限發(fā)出報(bào)警信號(hào)。通過PLC/RTU進(jìn)入SCADA系統(tǒng)，對(duì)事故的及時(shí)處理提供決策和調(diào)度依據(jù)。
（4）系統(tǒng)可維護(hù)性
設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，只需簡單地插入模塊/部件替換故障部件，即可排除故障。系統(tǒng)硬件和軟件盡可能多地使用開放系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可維護(hù)性，并確保將來的可擴(kuò)充性。
（5）系統(tǒng)的可擴(kuò)充性
系統(tǒng)留有足夠的擴(kuò)展區(qū)。當(dāng)需要增加RTU或監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，只需進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)更改，而不需要編程人員重新設(shè)計(jì)程序。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫具有開放的結(jié)構(gòu)，對(duì)各種平臺(tái)再開發(fā)具有透明性。
（6）實(shí)時(shí)事故預(yù)測(cè)及報(bào)警
通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理，并與正常工況進(jìn)行比較，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象及事故，并結(jié)合GIS、CIS系統(tǒng)確定發(fā)生的地點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)管道、設(shè)備情況，在調(diào)度監(jiān)控中心顯示屏上顯示出來，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在管網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，由計(jì)算機(jī)給出發(fā)生地局部區(qū)域管網(wǎng)布置的詳細(xì)情況，準(zhǔn)確判斷出事故波及影響的范圍及相關(guān)的閥門，結(jié)合GPS系統(tǒng)指揮搶修人員迅速處理，將事故影響控制在最小范圍。
（7）系統(tǒng)具備自診斷和設(shè)備管理功能
對(duì)于可能發(fā)生事故的隱患，也可以作出一定程度的分析判斷，提醒值班人員作相應(yīng)處理，做到將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，防患于未然。
1.1 調(diào)度監(jiān)控中心功能
調(diào)度監(jiān)控中心實(shí)時(shí)采集本地監(jiān)測(cè)站的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)和工藝設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)的監(jiān)視管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為管網(wǎng)平衡、安全運(yùn)行提供必要的輔助決策信息。
調(diào)度監(jiān)控中心的主要任務(wù)是通過各站點(diǎn)的RTU/PLC對(duì)管網(wǎng)和場(chǎng)站的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。調(diào)度監(jiān)控中心的操作人員通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作員工作站所提供的管網(wǎng)和場(chǎng)站工藝過程的壓力、溫度、流量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，完成對(duì)燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)控和管理。操作人員還可以通過調(diào)度管理計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的發(fā)布、傳輸?shù)日{(diào)度管理工作。
1.2 PLC/RTU站控系統(tǒng)功能
門站、儲(chǔ)配站等各重要站場(chǎng)的站控系統(tǒng)作為管道SCADA系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制單元，除完成對(duì)所處站場(chǎng)的監(jiān)控任務(wù)外，同時(shí)負(fù)責(zé)將有關(guān)信息傳送給調(diào)度控制中心并接受和執(zhí)行其下達(dá)的命令。主要為：①對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工藝變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；②經(jīng)通信接口與第三方的監(jiān)控系統(tǒng)或智能設(shè)備交換信息；③監(jiān)控各種工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；④對(duì)供電設(shè)備及其相關(guān)變量的監(jiān)控；⑤站場(chǎng)可燃?xì)怏w的監(jiān)視和報(bào)警；⑥消防系統(tǒng)的監(jiān)控；⑦周界報(bào)警系統(tǒng)的監(jiān)控、顯示動(dòng)態(tài)工藝流程、提供人機(jī)對(duì)話的窗口、顯示各種工藝參數(shù)和其它有關(guān)參數(shù)、顯示報(bào)警一覽表；⑧數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史曲線；⑨數(shù)據(jù)計(jì)算、邏輯控制、聯(lián)鎖保護(hù)、緊急停車（ESD）；⑩打印報(bào)警和事件報(bào)告、打印生產(chǎn)報(bào)表、數(shù)據(jù)通信管理、與主控及緊急備份中心通訊，為調(diào)度控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)、接受并執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的命令等。
1.3 無人值守站功能
系統(tǒng)在小型調(diào)壓站等無人值守站點(diǎn)處配置RTU，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理：監(jiān)控管網(wǎng)安全切斷閥門和電動(dòng)閥門；供電系統(tǒng)的監(jiān)控；可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)和報(bào)警；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理；邏輯控制；緊急停車(ESD)；與主控中心通訊，為調(diào)度控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)；接受并執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的命令。
2 系統(tǒng)特點(diǎn)
2.1 系統(tǒng)的開放性
系統(tǒng)軟硬件均具有長期可靠的應(yīng)用實(shí)例，采用通用接口協(xié)議，便于互聯(lián)。無論軟硬件產(chǎn)品都是模塊化設(shè)計(jì)，硬件便于維護(hù)、升級(jí)、更換；軟件成熟度高，可移植、再次開發(fā)。
在業(yè)務(wù)層面上，無論是整個(gè)系統(tǒng)，還是單各站點(diǎn)，無論整個(gè)SCADA系統(tǒng)到DMS系統(tǒng)的擴(kuò)展，還是與GIS、CIS等分立系統(tǒng)的連接，都體現(xiàn)了開放性的原則。
2.2 模塊化設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及部分重要設(shè)備采用了模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的部分功能調(diào)試（如調(diào)度監(jiān)控中心和門站本地控制系統(tǒng)）可分部完成而不會(huì)影響整體的調(diào)試效果，這樣有利于系統(tǒng)的并行生產(chǎn)及故障排查等。各站的PLC/RTU采用了模塊化系列型號(hào)，通訊模塊及I/O模塊等設(shè)備的增加與組合可根據(jù)實(shí)際情況的需要靈活組態(tài)。
2.3 可擴(kuò)展性
各站的I/O模塊的增加只需簡單的配置即可投入使用；終端站I/O點(diǎn)在硬件和軟件上都有30%余量，增加的信號(hào)直接接入即可運(yùn)行，無需修改硬件配置和程序；背板插槽也留有余量以備日后擴(kuò)展。Espider組態(tài)軟件I/O點(diǎn)、Espider客戶端數(shù)量及數(shù)據(jù)庫(應(yīng)改為組態(tài)軟件)的用戶數(shù)量都可根據(jù)日后需要而擴(kuò)展；通訊系統(tǒng)具有靈活的擴(kuò)展性。
2.4 可靠性設(shè)計(jì)
系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視輸配管網(wǎng)及各站的運(yùn)行狀態(tài)，定期進(jìn)行自診斷并且形成報(bào)告。在系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)如主服務(wù)器、通訊信道、門站PLC等做了冗余設(shè)計(jì)。系統(tǒng)正常工作時(shí)，重要數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)備份，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)切換；同時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警程序，顯示引起切換的故障原因，如信道故障、電源故障、違規(guī)操作、I/O失效、CPU錯(cuò)誤等。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
在SCADA系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)是重要的組成部分，其穩(wěn)定性與靈活性對(duì)于系統(tǒng)來說至關(guān)重要。本系統(tǒng)中遙測(cè)通信協(xié)議采用國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的DNP3.0和Modbus二種通信協(xié)議。這兩種協(xié)議已經(jīng)被絕大多數(shù)主要SCADA集成商和遙測(cè)設(shè)備供應(yīng)商采用。系統(tǒng)可支持有線、無線、微波、衛(wèi)星、DDN、GSM/GPRS/GPRS等多種方式與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或其他的系統(tǒng)進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議便于今后的發(fā)展和維護(hù)。
本系統(tǒng)采用的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能如下：
門站等重要場(chǎng)站采用ADSL數(shù)字電路為主用通信線路，GPRS無線通訊為備用通信線路的通信方式；
無人值守站采用GPRS無線通訊方式；
各ADSL站將有線通信方式的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控中心；GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)公司機(jī)房，然后采用光纖或其他有線連接方式接入主調(diào)度監(jiān)控中心；
調(diào)度監(jiān)控中心及各下級(jí)站點(diǎn)采用固定IP地址的方式，組成一個(gè)虛擬LAN，實(shí)現(xiàn)DNP3.0數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的TCP/IP通訊，以及實(shí)現(xiàn)中心端對(duì)RTU/PLC遠(yuǎn)程配置。各場(chǎng)站內(nèi)采用Modbus通訊協(xié)議；
通信線路故障期間，各站點(diǎn)的PLC/RTU按時(shí)間順序在其存儲(chǔ)器內(nèi)保存數(shù)據(jù)，待通信恢復(fù)后，將這些數(shù)據(jù)補(bǔ)傳。中心根據(jù)時(shí)間順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫的適當(dāng)位置的功能；
系統(tǒng)具備通信診斷、分析的工具，各個(gè)通信口及其通信參數(shù)記錄并可在網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)操作員工作站上顯示。
4 系統(tǒng)選型
4.1 門站及儲(chǔ)配站系統(tǒng)選型
站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
SCADA系統(tǒng)中的門站、儲(chǔ)配站、混氣站、凈化站、LNG站等站場(chǎng)選用北京安控公司生產(chǎn)的SuperE50系列模塊化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統(tǒng)開發(fā)、工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型站控RTU產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和設(shè)備的控制。該產(chǎn)品采用了先進(jìn)的32位ARM技術(shù)，高效的嵌入式操作系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)功能強(qiáng)大、操作方便、集成度高。不僅能勝任邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)控制，還能完成數(shù)據(jù)處理、高速計(jì)數(shù)、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。其程序開發(fā)方便，可與上位機(jī)組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集散控制。
該產(chǎn)品具有多種配置和可選功能?？筛鶕?jù)用戶的實(shí)際需求，在不同領(lǐng)域，設(shè)計(jì)開發(fā)成各種控制系統(tǒng)。產(chǎn)品如圖3所示。
產(chǎn)品特點(diǎn)：
·功能強(qiáng)大的硬件系統(tǒng)，采用32位ARM處理器，嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)；
·高效的工程開發(fā)工具，符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言；
·結(jié)構(gòu)先進(jìn)，易于擴(kuò)展，可多站協(xié)調(diào)工作，組建復(fù)雜系統(tǒng)；
·模塊化設(shè)計(jì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，DIN導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝；
·經(jīng)濟(jì)可靠、功能強(qiáng)大的通信接口，支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可選）、IEC 60870-5-104（可選）等·通信協(xié)議；
·具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口；
·支持WEB發(fā)布功能；
·具有16位分辨率A/D、D/A；
·友好的人機(jī)界面；
·先進(jìn)的冗余/容錯(cuò)方式；
·經(jīng)濟(jì)高效的RTU系統(tǒng)；
·電源、信號(hào)輸出輸入端均采取隔離保護(hù)，并與主控電路隔離；
·具有看門狗及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，可長期保存設(shè)定參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)；
·大容量存儲(chǔ)空間，滿足就地運(yùn)算和歷史數(shù)據(jù)記錄；
·工作溫度-40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境；
·通過CE認(rèn)證，達(dá)到EMC電磁兼容3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；
·ISO9001質(zhì)量管理體系；
·MTBF：500,000h，MTTR≤1h。
I/O模塊的特點(diǎn)：
·所有I/O模塊都是模塊化設(shè)計(jì)，支持熱插拔；
·危險(xiǎn)分散措施：過程I/O單元采用的智能化設(shè)計(jì)方法，可有效地將部分控制或采集運(yùn)算分散到各I/O單元，降低主控單元的負(fù)擔(dān)，提高可靠性；另一方面，一旦主控單元發(fā)生故障，各單元仍能完成基本的輸入輸出功能，如控制輸出的自動(dòng)保持功能，回路控制的獨(dú)立執(zhí)行等；
·冗余結(jié)構(gòu)：操作員站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、主控單元、I/O模塊、系統(tǒng)電源完全冗余；
·故障隔離措施：所有I/O單元都采用可靠的光電隔離技術(shù)，使各單元之間和單元與主控單元之間的CPU無任何電氣聯(lián)系，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和安全性。在同一單元的不同通道間及邏輯功能側(cè)和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)側(cè)，也提供了隔離措施，可消除由于現(xiàn)場(chǎng)地電位差對(duì)系統(tǒng)造成的損壞；
·各種運(yùn)行提示：所有單元上均有狀態(tài)指示燈包括運(yùn)行、故障、通信等；
·可帶電插拔：一旦發(fā)現(xiàn)故障，可帶電對(duì)故障單元進(jìn)行更換。由于采用了特殊保護(hù)措施，系統(tǒng)中所有過程I/O單元均可帶電拔插，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響；
·周期性的故障檢測(cè)。定期檢測(cè)模塊自身CPU的工作狀態(tài)。一旦CPU出現(xiàn)故障，在保證安全的前提下，看門狗電路可使模塊復(fù)位；
·具備較完備的保護(hù)功能。包括：通道電流過載保護(hù)、DC24V電壓反向保護(hù)、通訊線鉗壓保護(hù)、通道過壓保護(hù)。
4.2 無人值守站選型
無人值守站RTU選用安控科技生產(chǎn)的Super32-L系列RTU，產(chǎn)品如圖4所示。
Super32-L 系列RTU是北京安控科技股份有限公司集多年的開發(fā)、工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型RTU產(chǎn)品，是面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制的新型通用RTU。該系RTU采用先進(jìn)的32處理器，不僅能完成邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)控制，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、PID運(yùn)算、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。與同類RTU相比，具有更大的存儲(chǔ)容量，更強(qiáng)的計(jì)算功能，更簡便的編程與開發(fā)能力；更強(qiáng)大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標(biāo)特性，能夠適應(yīng)各種惡劣工況環(huán)境。
產(chǎn)品特點(diǎn)：
·采用32位ARM處理器，嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(RTOS)；
·編程軟件符合IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言；
·一體化模塊設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展至64點(diǎn)I/O信號(hào)通道；
·支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可選）、IEC60870-5-104（可選）等通信協(xié)議；
·具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口，適用于多種有線和無線網(wǎng)絡(luò)；
·具有16位分辨率A/D；
·電源、信號(hào)輸出輸入端均采取隔離保護(hù)，并與主控電路隔離；
·具有看門狗及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，可長期保存設(shè)定參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)；
·大容量存儲(chǔ)空間，滿足就地運(yùn)算和歷史數(shù)據(jù)記錄；
·LED和通信端口可休眠，特別適用于太陽能供電等場(chǎng)合；
·工作溫度－40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境；
·元器件選用優(yōu)秀的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試和篩選；
·工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，DIN導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝；
·產(chǎn)品通過CE認(rèn)證；
·MTBF：500,000h，MTTR≤1h；
·支持WEB發(fā)布功能。
摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十二期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)