城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)設(shè)計與維護(hù)實踐與創(chuàng)新

摘要：隨著城市化的不斷推進(jìn)，城市燃?xì)夤?yīng)安全顯得尤為重要。其中，燃?xì)獗O(jiān)控自動化系統(tǒng)（SCADA）在保障燃?xì)夤?yīng)安全中扮演著至關(guān)重要的角色。通過深入分析城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)設(shè)計與維護(hù)的實踐過程，探討了其創(chuàng)新應(yīng)用及遇到的挑戰(zhàn)。在對約150個城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)進(jìn)行廣泛調(diào)研并收集整理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獨特地定義了系統(tǒng)的架構(gòu)與功能模塊，并將之與現(xiàn)行的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比分析。同時，結(jié)合現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出了基于云計算的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效處理與存儲。

關(guān)鍵詞：城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)；系統(tǒng)架構(gòu)；數(shù)據(jù)處理技術(shù)；維護(hù)策略；網(wǎng)絡(luò)安全

一、前言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是城市重要的生命線工程之一，關(guān)系到城市居民的生活質(zhì)量和城市的可持續(xù)發(fā)展。為了提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全性和可靠性，實現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的高效運行和智能化管理，城市燃?xì)馄髽I(yè)普遍采用了SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）技術(shù)[1]。SCADA系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測管網(wǎng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和處理各種異常情況，保證燃?xì)夤?yīng)的安全穩(wěn)定。

然而，城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及通信、自動化、信息等多個領(lǐng)域的技術(shù)[2]。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性都面臨著嚴(yán)峻的考驗。同時，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)不斷擴(kuò)張，用戶需求日益多樣化，對SCADA系統(tǒng)的功能和性能提出了更高的要求。因此，如何根據(jù)實際需求合理設(shè)計SCADA系統(tǒng)架構(gòu)，采用先進(jìn)適用的技術(shù)手段，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化升級和智能化運維，是擺在燃?xì)馄髽I(yè)面前的一項重要課題。

二、城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)概述

SCADA系統(tǒng)是燃?xì)夤拘畔⒒⒆詣踊椭悄芑闹匾A(chǔ)。目前國內(nèi)城市燃?xì)夤酒毡榻ㄔO(shè)了SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了對城市門站、調(diào)壓站、閥室等生產(chǎn)設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控[3]。一個典型的燃?xì)釹CADA系統(tǒng)由以下4部分組成：

（一）現(xiàn)場端

包括RTU、PLC、流量計、壓力變送器、液位變送器等，負(fù)責(zé)采集管網(wǎng)各測點的實時數(shù)據(jù)并控制閥門等設(shè)備。常見的通信協(xié)議有Modbus、IEC 104等。門站RTU一般具有100～200個AI/DI測點，調(diào)壓站RTU測點在50個左右。

（二）通信網(wǎng)絡(luò)

采用光纖、GPRS等方式，將現(xiàn)場端數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)街髡尽４笾行统鞘腥細(xì)夤芫W(wǎng)點多、面廣，需要組網(wǎng)的RTU數(shù)量可達(dá)上百個，對通信可靠性和實時性要求高。

（三）主站系統(tǒng)

通過組態(tài)軟件，如組態(tài)王、iFIX等，實現(xiàn)對管網(wǎng)的集中監(jiān)控、統(tǒng)計分析和生產(chǎn)調(diào)度。典型的主站配置為雙機(jī)熱備，I/O點數(shù)在數(shù)萬個量級。主要功能模塊包括：

1.圖形組態(tài)

生成各類拓?fù)鋱D、趨勢圖、報表等，直觀展現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)。

2.實時數(shù)據(jù)庫

存儲海量的實時和歷史數(shù)據(jù)，為statistical分析提供支撐。常見的時間序列數(shù)據(jù)庫有PI、InfluxDB等。

3.報警管理

及時發(fā)現(xiàn)并通知值班人員處理系統(tǒng)異常和超限等告警事件。

4.統(tǒng)計報表

對生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，生成日、月、年報表，為管理決策提供依據(jù)。

（四）二次開發(fā)平臺

在組態(tài)軟件基礎(chǔ)上，使用VB、C++等語言進(jìn)行個性化的功能擴(kuò)展開發(fā)，以滿足燃?xì)夤镜膶嶋H業(yè)務(wù)需求，如計量管理、搶險調(diào)度、巡檢管理等。

除了基本的 SCADA功能，城市燃?xì)庀到y(tǒng)還普遍與GIS、PDMS等專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成[4]，實現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)一張圖綜合展示。通過在 GIS 平臺上溯源管網(wǎng)壓力、流量等實時數(shù)據(jù)，可以直觀評估管網(wǎng)的健康水平。此外，SCADA 還作為數(shù)據(jù)源，為管網(wǎng)仿真、配氣優(yōu)化、泄漏檢測等智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。隨著燃?xì)庑袠I(yè)信息化的不斷深入，SCADA系統(tǒng)必將與越來越多的業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通、融合創(chuàng)新，為燃?xì)夤镜陌踩a(chǎn)和精細(xì)化管理提供堅實保障[5]。

三、系統(tǒng)設(shè)計方法與實現(xiàn)

在城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)的設(shè)計與維護(hù)實踐中，采用多種手段確保系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行與安全性，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)處理流程、通信協(xié)議安全等[6]。SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的接口設(shè)計具體見表1。系統(tǒng)設(shè)計遵循模塊化、分層次、網(wǎng)絡(luò)化的基本原則，通過真實工況模擬和數(shù)據(jù)反饋，實現(xiàn)長期穩(wěn)定控制。燃?xì)?SCADA系統(tǒng)中間人攻擊示意圖如圖1所示。數(shù)據(jù)處理流程的優(yōu)化是提升系統(tǒng)響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用分布式計算和數(shù)據(jù)冗余策略，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時處理和備份，以SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵公式進(jìn)行優(yōu)化處理，具體見公式（1），實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效整合和精確計算[7]。最終呈現(xiàn)的天然氣SCADA系統(tǒng)運行狀態(tài)界面如圖2所示。

四、系統(tǒng)維護(hù)與創(chuàng)新手段

在城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)的維護(hù)與創(chuàng)新實踐中，調(diào)整對于系統(tǒng)長效運行至關(guān)重要。本研究深入分析了優(yōu)化SCADA系統(tǒng)的多維度方法，旨在通過自動化與信息化手段提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。其中，SCADA系統(tǒng)維護(hù)自動化腳本的設(shè)計是系統(tǒng)提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅減少了人工干預(yù)頻次，也極大提高了維護(hù)操作的精準(zhǔn)性和效率[8]。維護(hù)自動化腳本以Python語言為基礎(chǔ)，結(jié)合SCADA系統(tǒng)的運行特性，設(shè)計了一系列功能模塊。腳本首先根據(jù)IP地址參數(shù)通過connect函數(shù)初始化與系統(tǒng)的連接，確保了與現(xiàn)場設(shè)備的實時通信。具體腳本如圖3所示。接下來的主體函數(shù)maintenance_tasks調(diào)用連接實例，按設(shè)定周期執(zhí)行檢查系統(tǒng)日志、更新配置參數(shù)、執(zhí)行系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)備份等一系列維護(hù)任務(wù)[9]。針對可能出現(xiàn)的異常情況，例如，網(wǎng)絡(luò)波動或數(shù)據(jù)錯誤，腳本內(nèi)嵌有錯誤處理機(jī)制，能夠捕捉異常，并執(zhí)行預(yù)定義的故障處理流程，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性不受影響。任務(wù)完成后，通過disconnect函數(shù)安全終止與系統(tǒng)的連接，并且保證所有維護(hù)操作留下可追溯的記錄。

五、結(jié)語

城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)是保障城市能源安全、促進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。只有堅持創(chuàng)新驅(qū)動、與時俱進(jìn)，以先進(jìn)的信息化手段支撐業(yè)務(wù)管理變革，城市燃?xì)馄髽I(yè)才能在新時期保持強(qiáng)勁的市場競爭力。本文對SCADA系統(tǒng)設(shè)計、維護(hù)及創(chuàng)新方法的探討，可為業(yè)內(nèi)同行提供一定的參考和啟示。

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作者單位：東莞新奧燃?xì)庥邢薰?/p>

責(zé)任編輯：王穎振、鄭凱津