城市燃氣管網SCADA系統的設計及應用

楊坤海

(福建省石油化學工業設計院,福州 350001)

0 引 言

2006年,福州市煤氣公司為了保證天然氣輸配管網的安全運行和穩定供氣,提高供氣管理水平,建成一套自動化水平高、覆蓋范圍廣的燃氣管網數據采集與監視控制 SCADA(Supervisory Control Aad Data Acquisition)系統:其一實現生產和設備的管理;其二SCADA系統也可以作為調度中心,通過對歷史數據及實時數據的分析及模型計算,為生產管理者提供決策。其主要功能是用于對地域廣闊的遠程站點進行監控,包括對各站點各種數據的實時采集、各種設備狀態的實時監測以及對遠端設備的調節和控制等。系統成功投入應用,實現了城市燃氣管網供氣現代化管理。

1 天然氣管網系統現狀及設計規模

1.1 系統現狀

該公司天然氣管網主要包括:3個天然氣門站;1個調峰站;5個高低壓調壓站;5個線路閥室; 2個汽車加氣子站;10個中低壓調壓站;4個陰極保護站;5個管網不利點。過去這些站點由于所處位置比較偏僻,交通不便,每個站點專門配備巡檢員采用定期抄表上報方式進行維護,維護的工作量大、難度大,且實時性差。再者,隨著該公司供氣管網地域的不斷擴大,配備巡檢人員也隨即增加,導致維護成本成倍上升,所以這種供氣管理模式已不能適應新的形勢發展的要求,需要對原有的模式進行全面升級。

1.2 設計規模

該燃氣管網SCADA系統設計規模:1個數據存儲中心及主調度中心;1個數據容災中心及應急中心;3個門站;5個高中壓調壓站;5個線路閥室; 2個汽車加氣子站;10個中低壓調壓站;4個陰極保護站;5個管網不利點,共組成34個本地監控站。其系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 福州市煤氣公司SCADA系統網絡拓撲結構

2 系統設計

2.1 主調度中心

主調度中心是該公司燃氣管網SCADA系統的控制中樞,整個系統中數據最集中的地方,也是安全性要求最高的地方,因此系統設計采用全冗余配置,實現SCADA服務器、網絡、通信和各功能環節等的冗余。計算機網絡按C/S結構配置,操作員站、工程師站等均作為局域網上的一個節點,共享服務器的資源。

主調度中心系統采用國際上先進成熟的SCADA軟件,結合該燃氣輸配管網的具體情況,通過網絡與各監控站點建立通信,獲取實時數據,實現SCADA系統的遙測、遙信、遙控功能,完成對燃氣管網工藝過程數據集中監控和調度管理。

主調度中心局域網采用雙以太網絡架構,通信協議為 TCP/IP,通信速率為100 Mbit/s。主調度中心配置有2臺100 M核心交換機來分別完成各自網絡的數據通信和局域網的冗余管理,包括SCADA實時數據服務器、操作員站、工程師站及事件打印機、報表打印機等也均通過交換機同時掛接到兩個網絡上,從而實現了完全的數據通信雙網絡冗余。

主調度中心經網絡路由設備接入光纖網絡與高壓管線上門站、高中壓調壓站及高壓閥室的遠程終端單元RTU(Remote Terminal Unit)相連構成該SCADA系統的有線通信網絡系統,通信協議采用工業以太網 TCP/IP協議,通信接口為RJ-45, SCADA服務器通過以太網與RTU交換數據。

另外,主調度中心SCADA服務器通過前置通信處理機以碼分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)無線通信方式與遠程控制站實現通信。CDMA無線通信方式既作為關鍵工藝場站(高壓管線上門站、高中壓調壓站及高壓閥室)的備用通信方式,也作為汽車加氣子站、中低壓調壓站、陰極保護站及管網不利點的主通信方式。SCADA系統的有線通信網絡出現故障時,系統能自動啟動無線通信網絡完成與關鍵工藝場站的數據交換,有線通信網絡恢復正常后,系統自動切換返回有線通信方式,整個切換過程無縫完成,不會造成數據丟失。切換由服務器來判斷和完成。

2.2 后備應急中心

后備應急中心是該SCADA系統的備用控制中樞。計算機網絡采用C/S與B/S相結合的結構配置,配有數據服務器,操作員工作站、工程師工作站作為局域網上的一個節點,共享服務器的資源。應急中心的容災不僅是數據存儲中心的備份,也是SCADA系統的應急。當主調度中心正常工作時,應急中心自動和主調度中心同步數據;當主調度中心出現故障時(如數據服務器故障、數據采集服務器故障或通信處理器故障),應急中心檢測到故障存在,在接管數據存儲的同時,還接管數據采集工作和SCADA系統的監控功能。

2.3 監控系統

2.3.1 本地監控站

該燃氣管網SCADA系統目前有34個本地監控站。各本地監控站主要完成本地數據的采集和控制,并通過通信網絡將數據上傳主調度中心,同時響應主調度中心的指令,監督及管理本地監控站運行。當本地監控站與主調度中心通信中斷時它能獨立完成站內監控,確保生產安全可靠運行;個別本地監控站發生故障不會影響整個SCADA系統的正常工作。

2.3.2 主調度中心監控系統

主調度中心主要完成全線監視和控制,其主要功能:

a)數據采集處理。RTU將實時采集到的各站點的運行參數及狀態上傳給主調度中心,為管網的運行調度提供依據。

b)設備管理。對門站、高中壓調壓站、高壓閥室等設施的主要設備實施監控管理。

c)本地監控站參數遠程設定。每個本地監控站能獨立完成數據采集、處理、控制、上傳等任務,主調度中心可進行遠程參數設定,在一般情況下并不參與控制,僅在特殊情況下,由主調度中心向本地監測站進行遙控操作。

d)圖形顯示測量參數。采用曲線圖、直方圖、餅圖等圖形方式顯示輸出。

e)數據存儲。所測參數可在線存入實時數據庫和歷史數據庫,實時數據庫儲存當前24 h的數據,歷史數據庫的正常運行數據存放1a以上,故障數據存放3a以上。

f)制表打印。可輸出定時報表(日、月、季、年及任意時間段報表)、報警匯總表、操作記錄報表、系統維護報表等。

g)畫面顯示。可輸出全市輸配系統總圖、區域圖、調壓站、儲配站工藝流程圖,地形地貌圖及報警全貌圖。

h)具備故障分析、處理的功能。

i)各職能科室按權限大小可調閱輸配系統的運行參數。j)具備向上聯網的能力。k)全系統24 h連續運轉。

3 系統特點

3.1 通信能力強

該燃氣管網SCADA系統中采用的數據通信可分為有線和無線兩類,其中有線通信主要包括租用電信光纖或ADSL,無線通信主要為CDMA通信。隨著通信技術的不斷發展完善,組網靈活、造價較低、建設期短、運行維護簡單、性價比較高的無線通信在 SCADA系統中逐漸成為一種趨勢。CDMA網絡經過通信部門的建設,近年來覆蓋范圍不斷擴大,已成為成熟、穩定、可靠的通信網絡,通信速度明顯優于移動 GPRS網絡,十分符合SCADA系統的實時、準確、安全、可靠的特點。

3.2 開放性與可擴展性強

該SCADA產品支持各種規范協議,如OPC, ODBC,ActiveX,SQL等,可以非常方便地與 GIS等系統通信。另 RTU通信采用開放的 TCP/IP協議,并且所有配置和源程序都是開放的,因此可以很方便地增加系統功能與增加RTU的數量,以滿足今后供氣管網不斷擴大的需求。

3.3 實時性與維護性快

該SCADA系統采用Modbus TCP協議,除了支持通常的輪詢方式,還支持RTU定向服務器傳輸方式。而且組網采用光纖方式,備用網絡也采用CDMA方式,實時性比傳統的GPRS快很多。由于無線的接入,所以維護非常方便,只要CDMA信號有覆蓋的地方,均可以在線維護。隨著3G牌照的發放,作為下一代的CDMA2000,速度有了質的飛躍,為系統實時性能的提高提供了充分條件。

4 結束語

該SCADA系統平臺已成功搭建,大部分站點已成功運行,小部分還在建設中。自投運以來,系統工作正常,性能穩定,能較好地實現中心集中監控任務,保障了供氣管網的正常運行及調度管理,促進了節能降耗,完成了信息管理與遠程監控調度一體化,為公司管理層提供了燃氣管網的大量信息,使整個企業運轉效率和管理水平跨上了新臺階。

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