壓縮天然氣(CNG)加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焦洪峰 艾秀娟

（1.中海石油（中國(guó)）東海西湖石油天然氣作業(yè)公司，上海 200030； 2.渤海石油裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北 滄州 062658）

1 引言

隨著能源行業(yè)和環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，壓縮天然氣作為一種清潔能源近年來(lái)有了前所未有的發(fā)展。其中，中小氣站以其投資少、見(jiàn)效快、服務(wù)靈活等特點(diǎn)，普遍為商家看好，發(fā)展更為迅速，目前已遍布全國(guó)大小城鎮(zhèn)。另外，由于燃?xì)廛?chē)輛價(jià)格較燃油車(chē)輛平均降低百分之三十的費(fèi)用，深得出租車(chē)行業(yè)和運(yùn)輸業(yè)的青睞，更加推動(dòng)了壓縮天然氣（CNG，Compressed Natural Gas）行業(yè)的發(fā)展。壓縮天然氣是一種理想的車(chē)用替代能源，它具有成本低，效益高，無(wú)污染，使用便捷等特點(diǎn)，越來(lái)越顯示其強(qiáng)大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

國(guó)外燃?xì)馄?chē)技術(shù)發(fā)展較早，以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家為例，他們主要通過(guò)技術(shù)來(lái)保證安全，使用較為先進(jìn)的設(shè)備，加上國(guó)外管輸天然氣質(zhì)量較好，普遍是由液化天然氣經(jīng)氣化后的天然氣管網(wǎng)供氣，站內(nèi)無(wú)需設(shè)置脫硫、脫水等裝置，因而放散點(diǎn)少，隱患少。在我國(guó)，在CNG行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)造成的是站點(diǎn)分散，監(jiān)管難度加大，加之許多地方管理工作相對(duì)薄弱滯后、控制手段落后，使得許多新建的CNG加氣站在經(jīng)營(yíng)管理、設(shè)備監(jiān)控、安全生產(chǎn)等方面存在諸多漏洞和問(wèn)題。

本文基于此設(shè)計(jì)的CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)整合了加氣站的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控（壓縮機(jī)、干燥器、順序控制盤(pán)等）、售氣管理（IC卡管理系統(tǒng)、銀行聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等）、安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)（加氣氣瓶安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、燃?xì)庑孤┍O(jiān)控、消防報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、門(mén)禁系統(tǒng)等）、物流配送庫(kù)存管理（車(chē)輛GPS調(diào)度、儲(chǔ)氣井管理系統(tǒng)等）等子系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅在加氣站本地實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)加氣站的自動(dòng)化運(yùn)行監(jiān)控與管理，而且支持以B/S和C/S結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸，在公司級(jí)的調(diào)度服務(wù)器上可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)加氣站的生產(chǎn)及運(yùn)營(yíng)狀況。

2 首要問(wèn)題

由于CNG加氣站屬于易燃易爆高危險(xiǎn)工作環(huán)境，特殊的工作環(huán)境需要本系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)安全重任而不允許它發(fā)生異常現(xiàn)象，否則輕則影響生產(chǎn)，重則造成事故。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，把安全可靠放在首位。設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)可靠的控制方案，并具有各種安全保護(hù)措施，比如聯(lián)鎖保護(hù)、聲光報(bào)警、事故預(yù)測(cè)、事故處理、不間斷電源等。

（2）選擇使用的檢測(cè)、控制設(shè)備和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用運(yùn)行可靠性高的設(shè)備，確保系統(tǒng)在惡劣的工作環(huán)境下，仍能正常運(yùn)行。

（3）分級(jí)的用戶(hù)權(quán)限操作和安全提示確認(rèn)機(jī)制，避免由于使用過(guò)程中的誤操作造成損失。

（4）網(wǎng)絡(luò)信息傳遞的安全性，避免由于外部干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)變化造成誤動(dòng)作；避免由于人為惡意竊取系統(tǒng)數(shù)據(jù)造成公司損失。

3 加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 CNG配售聯(lián)網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)

隨著CNG加氣站數(shù)量的逐步擴(kuò)大，加氣子母站管理模式的逐步推廣，為了幫助售氣公司及時(shí)獲取各加氣站、輸送車(chē)輛的綜合信息，方便統(tǒng)一調(diào)度和管理，建設(shè)一套CNG配售聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)尤顯必要。CNG配售聯(lián)網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)由監(jiān)控調(diào)度中心、CNG加氣站聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)和CNG移動(dòng)輸氣車(chē)輛監(jiān)控終端組成（如圖1所示）。

圖1 CNG配售氣聯(lián)網(wǎng)調(diào)度管理系統(tǒng)

（1）監(jiān)控調(diào)度中心

主要由監(jiān)控調(diào)度計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，適時(shí)收集各站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)各加氣站運(yùn)行數(shù)據(jù)、售氣數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)度，在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)CNG配售系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)度管理。

監(jiān)控調(diào)度中心與氣站的數(shù)據(jù)傳輸支持兩種方式：

C/S方式：氣站運(yùn)行數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)上傳、異常信息及時(shí)上傳和監(jiān)控中心輪詢(xún)呼叫上傳。在監(jiān)控中心配置專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控調(diào)度軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，調(diào)度各場(chǎng)站最優(yōu)化運(yùn)行。

B/S方式：氣站監(jiān)控管理軟件支持WEB發(fā)布功能，在調(diào)度中心無(wú)需安裝專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控軟件，僅需通過(guò)IE瀏覽軟件，輸入相應(yīng)站點(diǎn)的IP地址或域名后即可對(duì)氣站實(shí)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣站運(yùn)行數(shù)據(jù)和視頻圖像。

（2）CNG加氣站聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)

包括運(yùn)行設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、售氣監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)鈮嚎s機(jī)、干躁器、程控盤(pán)、燃?xì)庑孤﹫?bào)警等重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，售氣監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控售氣過(guò)程，實(shí)時(shí)保存售氣記錄。視頻監(jiān)視系統(tǒng)一視頻圖像方式實(shí)時(shí)監(jiān)視氣站情況。

（3）CNG運(yùn)輸車(chē)輛移動(dòng)監(jiān)控終端

安裝在CNG運(yùn)輸車(chē)上，通過(guò)GPS接收器實(shí)時(shí)接收車(chē)輛位置、速度信息，適時(shí)監(jiān)控車(chē)載燃?xì)庑孤┨筋^狀態(tài)，適時(shí)采集車(chē)輛傳感器信號(hào)，完成對(duì)車(chē)輛位置、燃?xì)庑孤顟B(tài)、車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，通過(guò)GPRS/CDMA 1X方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，比接收調(diào)度中心的調(diào)度指令。

（4）傳輸網(wǎng)絡(luò)

加氣站與調(diào)度中心的傳輸推薦采用寬帶建立連接，利用Internet公網(wǎng)建立VPN（虛擬專(zhuān)用網(wǎng)）傳輸通道。車(chē)輛移動(dòng)監(jiān)控終端與調(diào)度中心采用移動(dòng)GPRS或CDMA 1X方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于成熟可靠的工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行信息，以加氣站內(nèi)的設(shè)備為核心監(jiān)控對(duì)象，任何異常信息能被氣站值班人員甚至遠(yuǎn)程公司級(jí)管理人員及時(shí)獲取，及早采取措施避免事故擴(kuò)大。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)具有聯(lián)鎖控制功能，發(fā)生異常事故后能根據(jù)預(yù)定的聯(lián)鎖保護(hù)程序控制相關(guān)設(shè)備的啟停，自動(dòng)采取應(yīng)急保護(hù)措施。

因此，CNG加氣站監(jiān)控管理系統(tǒng)由綜合監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、售氣管理機(jī)、CNG壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、干燥器監(jiān)控系統(tǒng)、程控盤(pán)監(jiān)控系統(tǒng)及門(mén)禁系統(tǒng)等組成。本系統(tǒng)是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為依托建立的結(jié)構(gòu)。采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：設(shè)備控制層、監(jiān)控管理層、信息調(diào)度層。設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)采用RS485通信網(wǎng)絡(luò)，采用Modbus RTU通信協(xié)議；監(jiān)控管理層利用TCP/IP以太網(wǎng)組建氣站局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、售氣管理機(jī)與門(mén)禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換；加氣站與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸采用基于Internet的VPN網(wǎng)絡(luò)。

（1）壓縮機(jī)組自控系統(tǒng)：壓縮機(jī)組一般采用PLC進(jìn)行控制，在CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理系統(tǒng)中使用該P(yáng)LC與站級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)與聯(lián)鎖監(jiān)控。壓縮機(jī)組PLC須配置獨(dú)立的RS485接口，并且支持Modbus RTU協(xié)議。

圖2 CNG加氣站監(jiān)控管理系統(tǒng)

（2）監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)：根據(jù)使用工作環(huán)境的不同，本系統(tǒng)配置兩種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)。對(duì)于站級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)，選擇使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，配置RS485多串口卡和以太網(wǎng)卡；對(duì)于公司級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)和銷(xiāo)售系統(tǒng)，選擇使用商用計(jì)算機(jī)，配置以太網(wǎng)卡

（3）干燥器自控系統(tǒng)：干燥器一般采用PLC進(jìn)行控制，在CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理系統(tǒng)中使用該P(yáng)LC與站級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)干燥器的監(jiān)控。干燥器PLC須配置獨(dú)立的RS485接口，并且支持Modbus RTU協(xié)議

（4）順序控制盤(pán)通訊設(shè)備：順序控制盤(pán)可采用PLC或單片機(jī)控制器進(jìn)行控制，在CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理系統(tǒng)中使用該控制器與站級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)順序控制盤(pán)的監(jiān)控。順序控制盤(pán)控制器須配置獨(dú)立的RS485接口，并且支持Modbus RTU協(xié)議。

（5）視頻監(jiān)視系統(tǒng)：安裝一臺(tái)視頻服務(wù)器和若干攝像頭，以視頻圖象方式實(shí)時(shí)監(jiān)視氣站運(yùn)行情況，視頻服務(wù)器支持TCP/IP以太網(wǎng)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，支持Internet遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)

（6）氣體報(bào)警器通訊設(shè)備：氣體報(bào)警器探頭與控制器配套使用，在CNG加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理系統(tǒng)中使用該控制器與站級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)控。氣體報(bào)警器控制器須配置獨(dú)立的RS485接口，并且支持Modbus RTU協(xié)議。

（7）進(jìn)站智能流量計(jì)：進(jìn)站流量計(jì)與站級(jí)監(jiān)控管理系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)進(jìn)站流量、壓力、溫度的實(shí)時(shí)采集和計(jì)量。配置獨(dú)立的RS485接口，并且支持Modbus RTU協(xié)議。

4 加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

氣站運(yùn)行數(shù)據(jù)、售氣數(shù)據(jù)被自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并及時(shí)傳往調(diào)度中心。同時(shí)管理系統(tǒng)能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)匯總與分析處理，自動(dòng)生成運(yùn)行、經(jīng)營(yíng)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)電子化自動(dòng)管理，幫助企業(yè)及時(shí)獲取全面信息，為科學(xué)經(jīng)營(yíng)決策提供依據(jù)。

建立監(jiān)控管理系統(tǒng)后，壓縮機(jī)不僅是獨(dú)立運(yùn)行，可根據(jù)進(jìn)站壓力、售氣量適時(shí)調(diào)整運(yùn)行工況，降低能耗，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。氣站進(jìn)氣量、售氣實(shí)時(shí)記錄能被自動(dòng)記錄和遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，管理調(diào)度人員能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控氣站作業(yè)情況。根據(jù)獲取的加氣站數(shù)據(jù)和加氣站的管理需求，形成一個(gè)有針對(duì)性的管理模式，加氣站管理者可以科學(xué)的進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理。氣站運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備能被實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)須專(zhuān)人輪巡，在提高氣站安全運(yùn)行能力的同時(shí)，也提高了工作效率，降低人工成本。

CNG加氣站監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能及時(shí)地響應(yīng)，并作出相應(yīng)的處理，不丟失信息，不延誤操作。系統(tǒng)處理的事件一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)是定時(shí)事件，如數(shù)據(jù)的定時(shí)采集，運(yùn)算控制等，對(duì)此系統(tǒng)設(shè)置時(shí)鐘，保證定時(shí)處理；另一類(lèi)是隨機(jī)事件，如事故、報(bào)警等，對(duì)此系統(tǒng)設(shè)置中斷，并根據(jù)事故的輕重緩急，預(yù)先分配中斷級(jí)別，一旦事故發(fā)生，保證優(yōu)先處理緊急故障。而且，系統(tǒng)針對(duì)加氣站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理采用模塊化設(shè)計(jì)，把不同的功能設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的功能模塊（包含硬件和軟件），模塊之間預(yù)留相互通訊的接口。工程實(shí)施中根據(jù)用戶(hù)的具體需求選擇功能模塊組合，既可以降低用戶(hù)的投資成本，又可以保證用戶(hù)以后的擴(kuò)展需要。

5 結(jié)論

壓縮天然氣（CNG）作為一種新型清潔燃料，在我國(guó)正在普遍推廣，本文旨在對(duì)CNG加氣站的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)做出分析總結(jié)，隨著天然氣在中國(guó)城鎮(zhèn)的規(guī)模化普及和利用，加氣站的應(yīng)用將更加廣泛，其網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)也將更具實(shí)效性和應(yīng)用性。

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