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    張 豪（1972－）
女，陜西興平人，學士學位，工程師，（大慶油田自動化儀表有限公司，黑龍江 大慶  163453 ），現于大慶油田自動化儀表有限公司從事控制系統及電子儀表的科研開發工作。

摘要：文章講述了SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統的實際應用，論述了SCADA系統在城市天然氣管網上的硬件與軟件的實現方法，具有實用性和可擴展性。

關鍵詞：SCADA；分布式；集散型；實時監控

Abstract: This paper provides the actual application of Supervisory Control And Data Acquisition system, and mostly discusses the hardware and software realization methods of SCADA system in urban gas tube network. The SCADA system is of practical application and expansibility.

Key words: SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)；Distributed；Distributing Center；Real time Monitor and Control

1 引言

    隨著城市化進程的發展，城市燃氣的工業、民用需求不斷增加，城市天然氣管網規模不斷擴大，因此如何有效的通過燃氣管網數據采集與監視控制系統對城市天然氣管網工況運行進行監測管理顯得尤為重要。

    數據采集與監視控制系統，簡稱SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與遠程調度相結合的自動化系統，已廣泛應用于電力系統、天然氣集輸、石油化工等諸多領域。SCADA系統可實現實時采集現場數據，對工業現場進行本地或遠程的自動控制，對工藝流程進行全面、實時的監視，并為生產、調度和管理提供必要的數據等多方面功能。

    城市燃氣企業SCADA系統的特點是：分布式、集散型、網絡化、全開放。為實現對城市燃氣生產過程的安全高效調度指揮，迫切需要一套可靠的控制系統。所以，用一種先進的集中式數據模型平臺來管理整個生產操作，并采用通用標準使系統具有企業互聯性，可與相關系統提供一條雙向信息高速通路，使管理者和用戶能夠實時準確的做出商業決策。

2 SCADA系統簡介

    SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統，作為生產過程和事物管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統之一，它包含兩個層次的含義：一是分步式的數據采集系統，即智能數據采集系統，也就是通常所說的下位機；另一個是數據處理和顯示系統，即上位機HMI（Human Machine Interface）——人機界面系統。下位機一般意義上通常指硬件層上的，即各種數據采集設備，如各種RTU、 PLC及各種智能控制設備等等。這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，感知設備各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，并通過特定數字通信網絡傳遞到HMI系統中。必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HMI系統在接收這些信息后，以適當的形式如聲音、圖形、圖像等方式顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態（報警、正常或報警恢復），這些處理后的數據可能會保存到數據庫中，也可能通過網絡系統傳輸到不同的監控平臺上，還可能與別的系統（如MIS，GIS）結合形成功能更加強大的系統；HMI還可以接受操作人員的指示，將控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。該系統的主要特征是采用Internet技術、面向對象技術、神經網絡技術以及JAVA技術等，擴大SCADA系統與其它系統的集成，實現綜合安全經濟運行以及商業化運營的需要。

3 主要控制內容

    （1）調壓站的數據采集系統，包括壓力和流量等信號。通過壓力計可以采集調壓前和調壓后的壓力；通過模擬輸入模塊可以將電流值轉化成數字信號，通過流量計可以采集天然氣的壓力、流量、溫度。 

    （2）CNG子站數據采集接口的開發。每個CNG子站都包括數據采集機，該機器采用opto采集儀表數據，可以通過該軟件提供的OPC SERVER采集所需數據項。

    （3）通過GPRS無線網絡進行數據傳輸。由于調壓站的位置偏僻，架設專用線路的費用較高，這里可以使用無線通訊的方式，通過無線模塊將數字信號通過GPRS網絡傳送到遠程的計算機。

    （4）通過ADSL進行數據傳輸。CNG子站通過ADSL和監控中心相連，調度中心通過人機界面系統完成對分布在全市范圍內的CNG加氣站和調壓箱實現數據通訊。

    （5）中心站數據的接收和顯示。接收來自各現場控制機的事件報警，監控中心可以實時接收來自各地的報警信息，并提示操作人員進行報警信息處理，同時記錄所有報警信息，形成報警日志，可以方便進行報警信息查找。

    （6）生產歷史數據的存貯和管理功能。每天24小時不間斷地對各監控站的監測參數進行顯示并實現報警記錄、事件記錄以及主要的生產數據進行存貯與歸檔處理、報表輸出等管理功能。

4 技術指標

    （1）響應時間：≤5ms；

    （2）報警級別：≥2級；

    （3）總控室與各監控點之間，數據傳輸速率40-178K；

    （4）系統平均無故障間隔時間5萬小時；

    （5）數據誤碼率：≤1/106 ；

    （6）報表打印、存儲、追補、查閱功能；

    （7）具有歷史趨勢畫面、圖表、曲線等多種形式的顯示。

5 控制系統

    5.1 工作原理

    根據實際情況，通過多功能控制器和專用RTU實時采集各加氣站和加氣計量箱的重要數據，這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，感知設備各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，并通過特定數字通信網絡傳遞到HMI系統中。必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HMI系統在接受這些信息后，以適當的形式，如聲音、圖形、圖像等方式顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態（報警、正常或報警恢復），將控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。通過無線網絡，建立總控室與各監控點間的無線傳輸主鏈路，實現現場信息、生產數據、設備運轉數據、加氣數據和運輸信息等的實時動態傳輸，為生產指揮調度提供準確及時的第一手資料。

    5.2 工作流程
        
    5.2.1　CNG子站

    CNG子站需要采集數據：進氣壓力、二排壓力、緩沖罐壓力、潤滑油壓力、進氣溫度、排氣溫度、二排冷后溫度、潤滑油溫度、隔音房溫度。在CNG子站的現有控制系統上通過OPC技術采集生產數據。通過對OPC、OLE、COM以及DCOM等技術的研究，實現了在不影響現有生產情況的基礎上，安全可靠的從CNG子站實時獲取生產數據。通過對現有網絡技術和安全技術的研究，采用VPN進行數據傳輸，并對數據加密處理，確保公網數據的安全性。
    
    5.2.2　調壓站

    調壓站需要采集的數據是：調壓箱的進出口壓力和計量箱的流量信號。調壓箱壓力信號的采集、發送和接收以及計量箱流量信號的采集、發送和接收都是通過數據采集模塊完成的；調壓站和監控中心是通過GPRS數據傳輸模塊進行遠程數據通訊。

    數據采集模塊：

    RTU數據采集模塊接收調壓箱中壓力變送器的4-20mA信號和計量箱的流量計脈沖信號傳遞給GPRS數據傳輸模塊，采集模塊和GPRS數據傳輸模塊之間通過RS485接口和MODBUS協議傳輸數據。然后，調壓箱壓力數據和計量箱的流量就由GPRS數據傳輸模塊通過互聯網傳輸到調度中心。具體性能如下：

    （1）8路開關量輸入，也可以作為脈沖量輸入。

    （2）8路直流采樣,可以接各種變送器。

    （3）1個標準485通信口，1個RS485/232接口，支持MODBUS或其它規約，擴展更加容易。

    （4）貼片安裝，無外部總線，可靠性高，抗干擾能力強。

    （5）卡式導軌或螺絲固定，現場安裝更加便利。

    GPRS數據傳輸模塊：

    內置自動網絡連接和協議處理模塊，支持實現點-點、點-多點、中心-多點的對等實時數據傳輸，傳輸時延一般小于1秒；永遠在線，開機就能自動接通到GPRS網絡上，并與數據中心建立通信鏈路，隨時收發用戶設備的數據；高速傳輸 GPRS網絡的傳輸速度，最快將達到160Kbps，速率的高低取決于移動運營商的網絡設置，根據中國移動的網絡情況，目前可提供20-40Kbps的穩定數據傳輸，并已經通過初步的測試實驗；組網簡單、迅速、靈活， ZF-420F無線移動數據通信系統可以不依賴于運營商交換中心的數據接口設備，通過Internet網絡隨時隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動數據通信專用網絡。
    
    5.2.3　監控中心

    監控中心主要負責數據的接收、顯示、存貯、管理等功能。監控中心將實現如下幾部分功能：

    （1）數據的顯示和流程圖界面

    結合GIS系統實時顯示生產實況，并通過導航系統可以查看任何CNG子站或調壓站的數據。

    （2）報警的處理、顯示和查詢功能

    以文字變色、聲音、彈出窗口等提示動作來提示相關人員對報警信息進行處理。對報警還可以通過GSM模塊發送手機短信或發送電子郵件通知相關人員以便及時處理。按指定條件查詢報警記錄。

    （3）實時報表和歷史統計報表

    可以生成小時報表、生產數據實時報表等，實時生成各類統計信息，如加壓站從早上8點的累計流量等。通過日報、月報、年報等報表分析生產數據，為企業的下一步決策提供準確生產數據。

    （4）趨勢分析

    趨勢分析查看實時歷史數據，可對實時和歷史數據進行分析，并可計算某一時間段的統計值，如最大、最小、平均、CPK、PPK等，可以利用統計數據進行平穩率、質量等分析，對服務質量進行評估。趨勢分析還支持同一條變量顯示不同時間段的值，這樣可以更有效地比較數據，發現問題。

    （5）權限管理和安全登錄

    對用戶分級分區管理，不同的用戶具有不同的權限。分級管理讓用戶處于不同的安全級別。分區管理讓用戶具有不同的操作區域。在安全管理中引入最新的面向對象的管理概念，把畫面的圖形對象都當作一個受控單元，單獨管理。默認的安全管理權限是對非安全區不可操作，可選對非安全隱藏，不同權限用戶觀看同一幅畫面結果不同。除畫面瀏覽外，對數據操作、畫面組態、退出系統等也具有權限管理，使系統更可靠安全，防止敏感數據外泄。

    （6）事件的記錄和查詢功能

    系統可以自動記錄用戶操作、系統啟動停止時間，登錄信息等，可以完整的管理事件信息。提供查詢組件，可以按日期查詢歷史事件信息。

    （7）Web瀏覽和管理

    授權用戶可通過IE瀏覽器瀏覽各管網和報表信息。用戶在家里甚至外地也能了解生產情況。
　　

6 控制軟件

    該控制軟件將管網工況的工作過程形象、直觀的在計算中心顯示出來，可以方便監視、控制生產過程，能夠在調度控制中心對生產事件作出快速反應，從而提高了系統的實用性。

    應用此軟件可實現以下方面的功能：匯集和處理各站點的數據；工藝流程的動態顯示；下達調度和操作命令；報警顯示、管理以及事件的查詢、打印；實時數據的采集、歸檔、管理以及趨勢顯示；歷史數據的管理、存儲；生產統計報表的生成和打印；模擬培訓，管網在線仿真；對全系統進行時間同步，控制權限的確定；流量計算、管理；優化調度管理；管網輸配管理，管道泄漏檢測和定位；通訊系統監視及管理和主備信道的無擾切換；網絡監視及管理，系統診斷、故障分析及處理；緊急切斷和安全保護；實現與企業信息管理系統的連接和數據交換；實現與上級計算機網絡的通信及數據共享等。

    通過完成以上的開發工作，該系統將在下列四方面具有突出的技術經濟優點：

    （1）先進性 

    系統建設具備較高的技術起點，采用標準功能的組態軟件和先進的系統，采用先進的通訊方式，系統完成后可以達到國內領先水平。

    （2）可靠性

    系統的平均無故障時間可達5萬小時，并具備強大的系統維護和診斷功能，系統運行安全可靠。

    （3）安全性

    優選的軟硬件產品平臺和網絡服務以及周密的軟硬件設計，使系統中的各環節均具有良好的安全保密性。

    （4）經濟性

    系統設計過程中，在滿足系統功能和用戶需求的條件下，選用性價比高的產品，使系統具有良好的性價比。

7 結論

    該系統投產后，是針對油田燃氣管網的探索與應用，系統設計水平在全國燃氣行業中居于領先地位，經實際檢驗，該系統對天然氣管網生產調度部門加強管網運行監控，提高工作效率和工作質量，保障安全生產，輔助生產運行和搶險決策起到很大的實際作用，大大降低了生產運行成本，取得了顯著的經濟效益和社會效益。同時它也適應于燃氣、供水、電力、熱力等公用事業單位的SCADA系統的研究和開發，值得推廣。