燃氣站點分布式監控系統設計與實現

郝夢捷，孟祥印，宋振鵬，徐鑫凱，唐 波

（西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

隨著人類對生態環境的重視，清潔新能源的應用倍受青睞，天然氣燃燒后無廢渣廢水產生，相對煤炭、石油等能源有使用安全、熱值高、潔凈等優勢，被世界各國使用。隨著自動控制技術的發展和天然氣使用的普及，國內已經建立了大量的分布式燃氣站點，對分布式站點的集中監控與管理也逐漸受到人們的關注。

文獻[1]將SCADA系統應用于大型污水處理系統中，基本實現了對數量較少、分布相對集中的大型系統的組態式監控；文獻[2]將地圖功能應用在監控軟件中，初步解決了大跨度燃氣站點的統一監控問題，但由于為實現后臺數據庫的有效融合，不能勝任大量分布式燃氣站點的數據采集與記錄，且未實現與WinCC的交互訪問。對分布式燃氣站點的監控始終未能實現GIS、WinCC及其自帶SQL Server數據庫的有效集成與交互。因此，開發出一款以SQL Server數據庫為支撐的具備地圖顯示功能的上位機監控軟件[3]，增加軟件與WinCC界面的交互訪問功能，以直觀地對離散的天然氣站點進行管理。在此，開發了基于ArcEngine組件庫的GIS用戶軟件，以地圖界面來展示站點及管線的分布；通過SQL Server數據庫實現上位機與下位機數據的實時共享、報警聯動；成功實現與WinCC界面的交互訪問，實時曲線畫面的呈現增加了用戶界面的友好性。

此外，用戶軟件也具備必要的登錄保護、圖層及地圖文檔操作、鷹眼動態定位等基本功能，能較好地適應大數量分布式燃氣站點的實時監控。目前，系統已經在現場環境中得到了成功應用，能夠實現分布式站點的統一管理。

1 系統軟硬件平臺及總體結構構建

數據采集的控制核心選用西門子公司最新推出的S7-1214C ACDCRly PLC，該型號PLC功能強大、集成度高、抗干擾性能好、工作穩定，適宜用于對天然氣調壓撬的壓力、溫度、流量、泄露等的采集與控制。

本系統中選用TIA Portal V11進行編程，程序將5大模塊功能：模擬量采集、儀表遠程與本地切換處理、與WinCC通信、報警及指示、安全截斷閥相關處理編在5個子程序中，由OB1中的主程序調用。PLC程序的執行流程如圖1所示。

圖1 PLC程序的執行流程框圖Fig.1 Block diagram of PLC program

通過程序的執行，S7-1214 PLC將外部數據采集并記錄在相應變量中，WinCC需要通過與PLC的通信，直接引入PLC中的變量值作為外部變量，記錄在SQL Server數據庫中，并將數據變化曲線等實時顯示在用戶界面上，以備查看。但目前西門子公司尚未推出直接用于WinCC與S7-1200系列PLC通信的驅動程序，因此本文采用OPC方式實現二者通信，實現方式如圖2所示。

圖2 WinCC與S7-1200系列PLC通信實現方式Fig.2 Implementation of WinCC and S7-1200 series PLC communication

基于C/S分布式監控模式，系統主要分為總體監控和各子站點分級監控結構，主要由應用層、業務邏輯層、數據服務層和通信層組成。其中，應用層主要負責和用戶的友好交互；業務邏輯層作為系統的核心，主要完成數據的處理、存儲與調用；數據服務層用來管理實時更新的數據，是實現數據完整性與安全性的依據；通信層主要完成數據的采集，為數據服務層提供有效的數據來源。由于監控系統跨度大，沿線需要一系列的外場設備，因此需要統一協調管理，才能保證系統可靠運行。系統包括客戶端、數據庫、通信機和遠程終端模塊，為實現跨區域的數據傳輸，還需要用以太網建立傳輸通道[4]，系統總體結構構建如圖3所示。

2 地圖的底圖創建

2.1 地圖坐標系轉換原理

添加圖層的同時，應為圖層指定坐標系，我國測繪地圖采用的是參心大地坐標系，而GPS定位解算則統一采用WGS-84大地坐標系，為了以后便于對GPS定位功能的拓展開發，此處將所有圖層坐標進行轉換，均采用WGS-84大地坐標系。圖4是參心空間直角坐標系Sr與地球直角坐標系Se的示意圖。

圖3 系統的總體結構Fig.3 Overall structure of the system

圖4 參心空間直角坐標系Sr與地球直角坐標系SeFig.4 Heart space rectangular coordinate system Sr and earth rectangular coordinate system Se

圖中，Oe空間任意一點P的位置，在地球直角坐標系 Se（X，Y，Z）中用 Pe（x，y，z）表示，在參心空間直角坐標系 Sr（X，Y，Z）中用 Pr（x，y，z）表示。 用 Δ0=（Δx0，Δy0，Δz0） 表示參心空間直角坐標系 Sr原點 Or在地球直角坐標系 Se中的位置， 用 ωr=（ωx，ωy，ωz）表示參心空間直角坐標系Sr的坐標軸對地球直角坐標系Se的坐標軸對應的定向參數，位置坐標轉換關系為

式中，R（ωr）為旋轉矩陣，由沿三坐標軸旋轉的數量積得出，由于定向參數 ωr=（ωx，ωy，ωz）各元素的值均很少，所以可以略去二次微小量，即：

2.2 地圖底圖圖層的添加

由于本系統所監控的燃氣站點均離散地分布在湖北省境內，故選用一張湖北省行政區劃矢量圖作為底圖初始對象，將該圖拖入ArcCatalog中，對該矢量圖進行圖層和圖層屬性的添加。

在湖北省測繪局網站中下載該省的行政區劃.mxd文件作為地圖的底圖文件，由于該文件的分辨率較低，且本系統主要側重于燃氣站點監控，因此需要刪去不必要的圖層，只保留市界圖層即可。主要使用ArcMap添加站點、站點儀表、管線和城市4者的屬性信息，并且在地圖放大和縮小的過程中，對不必要的信息進行篩選。比如站點儀表和管線圖層，設置使得只有當比例尺達到1∶200，000時，才顯示出來，當觀察全局視圖時，因為比例尺過小，所以僅僅顯示省會、主要城市_湖北、站點3個圖層[5]。圖層的添加及信息的豐富如圖5所示流程進行。

圖5 地圖底圖圖層的添加流程Fig.5 Adding process of a map layer

查找湖北省各個子站點的測繪坐標，將其轉化為WGS_54坐標，在地圖底圖上用三角形展示站點分布。

3 監控系統軟件的設計與開發

3.1 軟件的基本功能設計

本系統的軟件開發設計是在Microsoft Visual Studio 2010軟件平臺下使用C#語言進行的，C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率成為.NET開發的首選語言[6]。

結合用戶的實際需求以及湖北省站點數量多、跨度大的實際特點，基于ArcEngine組件開發的具有GIS功能的分布式燃氣站點監控軟件應具有基本的登錄保護功能、文件操作功能、地圖瀏覽功能、圖層管理功能、查詢功能、站點搜索功能、報警彈窗功能和軟件幫助功能、與WinCC的交互功能、共享后臺數據庫SQL Server功能等[7]，具體的軟件功能設置如圖6所示。

圖6 軟件功能框圖Fig.6 Software function block diagram

3.2 軟件的基本功能開發

3.2.1 鷹眼圖導航功能的開發

在VS平臺下引用ArcEngine組件進行集成二次開發，將圖6功能框圖中所列的功能基本實現，以鷹眼圖導航功能為例，介紹其開發程序流程如圖7所示。

圖7 鷹眼圖導航開發流程Fig.7 Eagle eye map navigation development process

以上流程圖實現了當在鷹眼圖中按下鼠標左鍵時，主地圖以左鍵點擊的坐標為中心顯示，當在鷹眼圖中按下鼠標右鍵并畫一矩形框時，主地圖將矩形框范圍全圖顯示。帶有報警彈窗功能的軟件界面如圖8所示。

圖8 軟件界面鷹眼及自動彈窗報警功能展示Fig.8 Display of the software interface and automatic alarm function

3.2.2 實時條件查詢SQL Server數據庫功能開發

站點信息數據及管線采集量實時數據均被記錄在SQL Server數據庫中，在VS界面中，添加dataGridView控件作為引入SQL Server數據庫中數據的容器，輸入查詢條件后，點擊“查詢”按鈕開始執行查詢命令，將符合條件的數據表作為dataGrid-View的數據源展現出來，用戶即可瀏覽查看[8]。通過C#代碼，實現與SQL Server數據庫交互進行數據的查詢及實時顯示[9]，站點查詢界面如圖9所示。

圖9 站點信息查詢界面Fig.9 Interface of site information query

3.2.3 用戶軟件與WinCC界面交互功能開發

在VS 2010中開發的軟件具有強大的數據查詢功能，但是純數據的展現不能給用戶直觀的數據變化概念，而WinCC的AxOnlineTrendControl控件具有強大的實時曲線顯示功能，只需對控件與采集的瞬態變量進行綁定即可，這對于各個站點的瞬時變化數據的觀察具有重要意義。

在軟件主界面中點擊“查詢”菜單的“實時數據變化曲線”子菜單，同時在VS 2010中拖入process組件，在設置向導中添加需要啟動的WinCC應用程序，通過上述單擊事件來觸發，調出WinCC站點實時數據變化監控總界面，總界面中包括所有站點，用戶點擊相應站點，即可進入對應站點所采集的實時數據變化曲線圖。

4 監控系統應用實例及測試

系統測試側重于監控數據的實時性、可靠性、以及數據庫融合的程度。測試是基于工業應用現場來進行實驗的。點擊站點1按鈕，進入站點1實時數據采集曲線圖，如圖10所示，將數據變化與現場儀表值進行對比，統計監測數據的滯后時間、報警延時、數據誤碼率等，測試結果如表1所示，已達到系統指標要求。

圖10 站點1實時數據采集曲線圖Fig.10 Site 1 real-time data acquisition curve

表1 監控系統功能測試結果Tab.1 Test results of the monitoring system function

5 結語

開發了基于ArcEngine組件庫的GIS用戶軟件，成功地將地圖功能應用到分布式燃氣站點的監控中，為多站點、管線跨度大的燃氣系統監控提供了極大便利。充分利用WinCC數據采集與曲線監控的功能，GIS強大的地圖功能以及SQL Server數據庫的大數據記錄功能，巧妙地將WinCC、GIS與SQL Server融合，使得所開發系統初步集成了數據采集、歷史記錄與界面監控功能。經測試，系統實時監測性較好，但在智能化方面仍有不足，后續可采用專家系統優化，GIS的引入也為后續進行GPS定位功能的開發奠定了基礎。

[1]張晉瑜，鄭萍，文俊，等.分布式大型污水處理上位機監控系統設計[J].自動化與儀表，2014，29（11）：60-64.

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