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    張 豪（1972－）
女，陜西興平人，學(xué)士學(xué)位，工程師，（大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司，黑龍江 大慶  163453 ），現(xiàn)于大慶油田自動(dòng)化儀表有限公司從事控制系統(tǒng)及電子儀表的科研開發(fā)工作。

摘要：文章講述了SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，論述了SCADA系統(tǒng)在城市天然氣管網(wǎng)上的硬件與軟件的實(shí)現(xiàn)方法，具有實(shí)用性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：SCADA；分布式；集散型；實(shí)時(shí)監(jiān)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(jìn)程的發(fā)展，城市燃?xì)獾墓I(yè)、民用需求不斷增加，城市天然氣管網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，因此如何有效的通過燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)對城市天然氣管網(wǎng)工況運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測管理顯得尤為重要。

    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，簡稱SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與遠(yuǎn)程調(diào)度相結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、天然氣集輸、石油化工等諸多領(lǐng)域。SCADA系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行本地或遠(yuǎn)程的自動(dòng)控制，對工藝流程進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的監(jiān)視，并為生產(chǎn)、調(diào)度和管理提供必要的數(shù)據(jù)等多方面功能。

    城市燃?xì)馄髽I(yè)SCADA系統(tǒng)的特點(diǎn)是：分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化、全開放。為實(shí)現(xiàn)對城市燃?xì)馍a(chǎn)過程的安全高效調(diào)度指揮，迫切需要一套可靠的控制系統(tǒng)。所以，用一種先進(jìn)的集中式數(shù)據(jù)模型平臺來管理整個(gè)生產(chǎn)操作，并采用通用標(biāo)準(zhǔn)使系統(tǒng)具有企業(yè)互聯(lián)性，可與相關(guān)系統(tǒng)提供一條雙向信息高速通路，使管理者和用戶能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的做出商業(yè)決策。

2 SCADA系統(tǒng)簡介

    SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系統(tǒng)，作為生產(chǎn)過程和事物管理自動(dòng)化最為有效的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)之一，它包含兩個(gè)層次的含義：一是分步式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機(jī)；另一個(gè)是數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，即上位機(jī)HMI（Human Machine Interface）——人機(jī)界面系統(tǒng)。下位機(jī)一般意義上通常指硬件層上的，即各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如各種RTU、 PLC及各種智能控制設(shè)備等等。這些智能采集設(shè)備與生產(chǎn)過程和事務(wù)管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，感知設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過特定數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到HMI系統(tǒng)中。必要的時(shí)候，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號。上位機(jī)HMI系統(tǒng)在接收這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问饺缏曇簟D形、圖像等方式顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)（報(bào)警、正常或報(bào)警恢復(fù)），這些處理后的數(shù)據(jù)可能會保存到數(shù)據(jù)庫中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺上，還可能與別的系統(tǒng)（如MIS，GIS）結(jié)合形成功能更加強(qiáng)大的系統(tǒng)；HMI還可以接受操作人員的指示，將控制信號發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的。該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及JAVA技術(shù)等，擴(kuò)大SCADA系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)綜合安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及商業(yè)化運(yùn)營的需要。

3 主要控制內(nèi)容

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

    （2）CNG子站數(shù)據(jù)采集接口的開發(fā)。每個(gè)CNG子站都包括數(shù)據(jù)采集機(jī)，該機(jī)器采用opto采集儀表數(shù)據(jù)，可以通過該軟件提供的OPC SERVER采集所需數(shù)據(jù)項(xiàng)。

    （3）通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于調(diào)壓站的位置偏僻，架設(shè)專用線路的費(fèi)用較高，這里可以使用無線通訊的方式，通過無線模塊將數(shù)字信號通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)。

    （4）通過ADSL進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CNG子站通過ADSL和監(jiān)控中心相連，調(diào)度中心通過人機(jī)界面系統(tǒng)完成對分布在全市范圍內(nèi)的CNG加氣站和調(diào)壓箱實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

    （5）中心站數(shù)據(jù)的接收和顯示。接收來自各現(xiàn)場控制機(jī)的事件報(bào)警，監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)接收來自各地的報(bào)警信息，并提示操作人員進(jìn)行報(bào)警信息處理，同時(shí)記錄所有報(bào)警信息，形成報(bào)警日志，可以方便進(jìn)行報(bào)警信息查找。

    （6）生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)的存貯和管理功能。每天24小時(shí)不間斷地對各監(jiān)控站的監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行顯示并實(shí)現(xiàn)報(bào)警記錄、事件記錄以及主要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯與歸檔處理、報(bào)表輸出等管理功能。

4 技術(shù)指標(biāo)

    （1）響應(yīng)時(shí)間：≤5ms；

    （2）報(bào)警級別：≥2級；

    （3）總控室與各監(jiān)控點(diǎn)之間，數(shù)據(jù)傳輸速率40-178K；

    （4）系統(tǒng)平均無故障間隔時(shí)間5萬小時(shí)；

    （5）數(shù)據(jù)誤碼率：≤1/106 ；

    （6）報(bào)表打印、存儲、追補(bǔ)、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(tǒng)

    5.1 工作原理

    根據(jù)實(shí)際情況，通過多功能控制器和專用RTU實(shí)時(shí)采集各加氣站和加氣計(jì)量箱的重要數(shù)據(jù)，這些智能采集設(shè)備與生產(chǎn)過程和事務(wù)管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，感知設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過特定數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到HMI系統(tǒng)中。必要的時(shí)候，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號。上位機(jī)HMI系統(tǒng)在接受這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问剑缏曇簟D形、圖像等方式顯示給用戶，以達(dá)到監(jiān)視的目的，同時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)（報(bào)警、正常或報(bào)警恢復(fù)），將控制信號發(fā)送到下位機(jī)中，以達(dá)到控制的目的。通過無線網(wǎng)絡(luò)，建立總控室與各監(jiān)控點(diǎn)間的無線傳輸主鏈路，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、加氣數(shù)據(jù)和運(yùn)輸信息等的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳輸，為生產(chǎn)指揮調(diào)度提供準(zhǔn)確及時(shí)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(shù)據(jù)：進(jìn)氣壓力、二排壓力、緩沖罐壓力、潤滑油壓力、進(jìn)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(xiàn)有控制系統(tǒng)上通過OPC技術(shù)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過對OPC、OLE、COM以及DCOM等技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了在不影響現(xiàn)有生產(chǎn)情況的基礎(chǔ)上，安全可靠的從CNG子站實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和安全技術(shù)的研究，采用VPN進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對數(shù)據(jù)加密處理，確保公網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全性。
    
    5.2.2　調(diào)壓站

    調(diào)壓站需要采集的數(shù)據(jù)是：調(diào)壓箱的進(jìn)出口壓力和計(jì)量箱的流量信號。調(diào)壓箱壓力信號的采集、發(fā)送和接收以及計(jì)量箱流量信號的采集、發(fā)送和接收都是通過數(shù)據(jù)采集模塊完成的；調(diào)壓站和監(jiān)控中心是通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊。

    數(shù)據(jù)采集模塊：

    RTU數(shù)據(jù)采集模塊接收調(diào)壓箱中壓力變送器的4-20mA信號和計(jì)量箱的流量計(jì)脈沖信號傳遞給GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，采集模塊和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊之間通過RS485接口和MODBUS協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。然后，調(diào)壓箱壓力數(shù)據(jù)和計(jì)量箱的流量就由GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)秸{(diào)度中心。具體性能如下：

    （1）8路開關(guān)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)485通信口，1個(gè)RS485/232接口，支持MODBUS或其它規(guī)約，擴(kuò)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(qiáng)。

    （5）卡式導(dǎo)軌或螺絲固定，現(xiàn)場安裝更加便利。

    GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊：

    內(nèi)置自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接和協(xié)議處理模塊，支持實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)、中心-多點(diǎn)的對等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時(shí)延一般小于1秒；永遠(yuǎn)在線，開機(jī)就能自動(dòng)接通到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與數(shù)據(jù)中心建立通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)；高速傳輸 GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，最快將達(dá)到160Kbps，速率的高低取決于移動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，根據(jù)中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)情況，目前可提供20-40Kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，并已經(jīng)通過初步的測試實(shí)驗(yàn)；組網(wǎng)簡單、迅速、靈活， ZF-420F無線移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以不依賴于運(yùn)營商交換中心的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，通過Internet網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動(dòng)數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)。
    
    5.2.3　監(jiān)控中心

    監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、顯示、存貯、管理等功能。監(jiān)控中心將實(shí)現(xiàn)如下幾部分功能：

    （1）數(shù)據(jù)的顯示和流程圖界面

    結(jié)合GIS系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)實(shí)況，并通過導(dǎo)航系統(tǒng)可以查看任何CNG子站或調(diào)壓站的數(shù)據(jù)。

    （2）報(bào)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(dòng)作來提示相關(guān)人員對報(bào)警信息進(jìn)行處理。對報(bào)警還可以通過GSM模塊發(fā)送手機(jī)短信或發(fā)送電子郵件通知相關(guān)人員以便及時(shí)處理。按指定條件查詢報(bào)警記錄。

    （3）實(shí)時(shí)報(bào)表和歷史統(tǒng)計(jì)報(bào)表

    可以生成小時(shí)報(bào)表、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)表等，實(shí)時(shí)生成各類統(tǒng)計(jì)信息，如加壓站從早上8點(diǎn)的累計(jì)流量等。通過日報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等報(bào)表分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為企業(yè)的下一步?jīng)Q策提供準(zhǔn)確生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

    （4）趨勢分析

    趨勢分析查看實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)，可對實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可計(jì)算某一時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)值，如最大、最小、平均、CPK、PPK等，可以利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)率、質(zhì)量等分析，對服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評估。趨勢分析還支持同一條變量顯示不同時(shí)間段的值，這樣可以更有效地比較數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題。

    （5）權(quán)限管理和安全登錄

    對用戶分級分區(qū)管理，不同的用戶具有不同的權(quán)限。分級管理讓用戶處于不同的安全級別。分區(qū)管理讓用戶具有不同的操作區(qū)域。在安全管理中引入最新的面向?qū)ο蟮墓芾砀拍睿旬嬅娴膱D形對象都當(dāng)作一個(gè)受控單元，單獨(dú)管理。默認(rèn)的安全管理權(quán)限是對非安全區(qū)不可操作，可選對非安全隱藏，不同權(quán)限用戶觀看同一幅畫面結(jié)果不同。除畫面瀏覽外，對數(shù)據(jù)操作、畫面組態(tài)、退出系統(tǒng)等也具有權(quán)限管理，使系統(tǒng)更可靠安全，防止敏感數(shù)據(jù)外泄。

    （6）事件的記錄和查詢功能

    系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄用戶操作、系統(tǒng)啟動(dòng)停止時(shí)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(quán)用戶可通過IE瀏覽器瀏覽各管網(wǎng)和報(bào)表信息。用戶在家里甚至外地也能了解生產(chǎn)情況。
　　

6 控制軟件

    該控制軟件將管網(wǎng)工況的工作過程形象、直觀的在計(jì)算中心顯示出來，可以方便監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程，能夠在調(diào)度控制中心對生產(chǎn)事件作出快速反應(yīng)，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

    應(yīng)用此軟件可實(shí)現(xiàn)以下方面的功能：匯集和處理各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)；工藝流程的動(dòng)態(tài)顯示；下達(dá)調(diào)度和操作命令；報(bào)警顯示、管理以及事件的查詢、打印；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、歸檔、管理以及趨勢顯示；歷史數(shù)據(jù)的管理、存儲；生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表的生成和打印；模擬培訓(xùn)，管網(wǎng)在線仿真；對全系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，控制權(quán)限的確定；流量計(jì)算、管理；優(yōu)化調(diào)度管理；管網(wǎng)輸配管理，管道泄漏檢測和定位；通訊系統(tǒng)監(jiān)視及管理和主備信道的無擾切換；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視及管理，系統(tǒng)診斷、故障分析及處理；緊急切斷和安全保護(hù)；實(shí)現(xiàn)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)的連接和數(shù)據(jù)交換；實(shí)現(xiàn)與上級計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信及數(shù)據(jù)共享等。

    通過完成以上的開發(fā)工作，該系統(tǒng)將在下列四方面具有突出的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)：

    （1）先進(jìn)性 

    系統(tǒng)建設(shè)具備較高的技術(shù)起點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)功能的組態(tài)軟件和先進(jìn)的系統(tǒng)，采用先進(jìn)的通訊方式，系統(tǒng)完成后可以達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

    （2）可靠性

    系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間可達(dá)5萬小時(shí)，并具備強(qiáng)大的系統(tǒng)維護(hù)和診斷功能，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

    （3）安全性

    優(yōu)選的軟硬件產(chǎn)品平臺和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及周密的軟硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)中的各環(huán)節(jié)均具有良好的安全保密性。

    （4）經(jīng)濟(jì)性

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在滿足系統(tǒng)功能和用戶需求的條件下，選用性價(jià)比高的產(chǎn)品，使系統(tǒng)具有良好的性價(jià)比。

7 結(jié)論

    該系統(tǒng)投產(chǎn)后，是針對油田燃?xì)夤芫W(wǎng)的探索與應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平在全國燃?xì)庑袠I(yè)中居于領(lǐng)先地位，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，該系統(tǒng)對天然氣管網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度部門加強(qiáng)管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控，提高工作效率和工作質(zhì)量，保障安全生產(chǎn)，輔助生產(chǎn)運(yùn)行和搶險(xiǎn)決策起到很大的實(shí)際作用，大大降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時(shí)它也適應(yīng)于燃?xì)狻⒐┧㈦娏Α崃Φ裙檬聵I(yè)單位的SCADA系統(tǒng)的研究和開發(fā)，值得推廣。