1.1 系統(tǒng)簡述

城市燃氣是每個城市發(fā)展的重要組成部分，供氣對象包括每個城市規(guī)劃用地區(qū)域內(nèi)的居民、商業(yè)及公共建筑、工業(yè)、燃氣空調(diào)、燃氣燃料汽車等用戶。一個高可靠性、高性價比的SCADA系統(tǒng)有助于城市燃氣實現(xiàn)安全、高效的燃氣輸配管理。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的DCS與電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)；它應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

燃氣SCADA系統(tǒng)包括調(diào)度監(jiān)控中心、門站、儲配站等PLC/RTU站控系統(tǒng)、無人值守RTU站、安防系統(tǒng)等。在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最為成熟。它在遠動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能，即我們所知的"四遙"功能。RTU（遠程終端單元），F(xiàn)TU（饋線終端單元）是它的重要組成部分。在現(xiàn)今的變電站綜合自動化建設(shè)中起了相當重要的作用。系統(tǒng)投產(chǎn)后，操作人員在調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對全市燃氣輸配系統(tǒng)的監(jiān)控和運行管理。系統(tǒng)的基本功能如下：

1、運行工況實現(xiàn)“四遙”

在調(diào)度監(jiān)控中心可觀察到全市管網(wǎng)的運行工況，為管網(wǎng)運行調(diào)度提供依據(jù)，并根據(jù)調(diào)度方案向各重要節(jié)點發(fā)出調(diào)整、控制指令到執(zhí)行機構(gòu)。調(diào)整、控制后的新工況參數(shù)又實時地傳送到調(diào)度監(jiān)控中心，從而對管網(wǎng)實現(xiàn)遙測、遙控、遙調(diào)、遙信功能。

2、能方便地與公司計算機管理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)

本系統(tǒng)為標準的以太網(wǎng)，能方便地與公司計算機管理網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)運行。以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標準。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標準相類似。

3、安全報警系統(tǒng)

在輸配管網(wǎng)的調(diào)壓站、門站等子站，當壓力超高限或超底限發(fā)出報警信號。通過PLC/RTU進入SCADA系統(tǒng)，對事故的及時處理提供決策和調(diào)度依據(jù)。

4、系統(tǒng)可維護性

設(shè)備出現(xiàn)故障時，只需簡單地插入模塊/部件替換故障部件，即可排除故障。系統(tǒng)硬件和軟件盡可能多地使用開放系統(tǒng)，增強系統(tǒng)的可維護性，并確保將來的可擴充性。

5、系統(tǒng)的可擴充性

當需要增加RTU或監(jiān)測點時，只需進行系統(tǒng)組態(tài)更改，而不需要編程人員重新設(shè)計程序。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫具有開放的結(jié)構(gòu)，對各種平臺再開發(fā)具有透明性。

6、實時事故預(yù)測及報警

通過對檢測數(shù)據(jù)分析處理，并與正常工況進行比較，可及時發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象及事故，并結(jié)合GIS、CIS系統(tǒng)確定發(fā)生的地點以及現(xiàn)場管道、設(shè)備情況，在調(diào)度監(jiān)控中心顯示屏上顯示出來，同時發(fā)出報警信號。在管網(wǎng)發(fā)生事故時，由計算機給出發(fā)生地局部區(qū)域管網(wǎng)布置的詳細情況，準確判斷出事故波及影響的范圍及相關(guān)的閥門，結(jié)合GPS系統(tǒng)指揮搶修人員迅速處理，將事故影響控制在最小范圍。

7、系統(tǒng)具備自診斷和設(shè)備管理功能

對于可能發(fā)生事故的隱患，也可以作出一定程度的分析判斷，提醒值班人員作相應(yīng)處理，做到將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，防患于未然。

調(diào)度監(jiān)控中心功能

調(diào)度監(jiān)控中心實時采集本地監(jiān)測站的運行參數(shù)，實現(xiàn)對管網(wǎng)和工藝設(shè)備的運行情況進行自動、連續(xù)的監(jiān)視管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為管網(wǎng)平衡、安全運行提供必要的輔助決策信息。

調(diào)度監(jiān)控中心的主要任務(wù)是通過各站點的RTU/PLC對管網(wǎng)和場站的工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。調(diào)度監(jiān)控中心的操作人員通過計算機系統(tǒng)的操作員工作站所提供的管網(wǎng)和場站工藝過程的壓力、溫度、流量、設(shè)備運行狀態(tài)等信息，完成對燃氣輸配管網(wǎng)的運行監(jiān)控和管理。

PLC/RTU站控系統(tǒng)功能

RTU（Remote Terminal Unit）是一種遠端測控單元裝置，負責對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，RTU通常要具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計算功能。正是由于RTU完善的功能，使得RTU產(chǎn)品在SCADA系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。遠程終端設(shè)備（RTU）是安裝在遠程現(xiàn)場的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測量安裝在遠程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備。RTU將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計算機發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對設(shè)備的功能控制。

門站、儲配站等各重要站場的站控系統(tǒng)作為管道SCADA系統(tǒng)的現(xiàn)場控制單元，除完成對所處站場的監(jiān)控任務(wù)外，同時負責將有關(guān)信息傳送給調(diào)度控制中心并接受和執(zhí)行其下達的命令。主要為①對現(xiàn)場的工藝變量進行數(shù)據(jù)采集和處理；②經(jīng)通信接口與第三方的監(jiān)控系統(tǒng)或智能設(shè)備交換信息；③監(jiān)控各種工藝設(shè)備的運行狀態(tài)；④對供電設(shè)備及其相關(guān)變量的監(jiān)控；⑤站場可燃氣體的監(jiān)視和報警；⑥消防系統(tǒng)的監(jiān)控；⑦周界報警系統(tǒng)的監(jiān)控；顯示動態(tài)工藝流程；提供人機對話的窗口；顯示各種工藝參數(shù)和其它有關(guān)參數(shù)；顯示報警一覽表；⑧數(shù)據(jù)存儲及處理；顯示實時趨勢曲線和歷史曲線；⑨數(shù)據(jù)計算；邏輯控制；聯(lián)鎖保護；緊急停車（ESD）；⑩打印報警和事件報告；打印生產(chǎn)報表；數(shù)據(jù)通信管理。

無人值守站功能

系統(tǒng)在小型調(diào)壓站等無人值守站點處配置RTU，完成對現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和處理；①監(jiān)控管網(wǎng)安全切斷閥門和電動閥門；②供電系統(tǒng)的監(jiān)控；③可燃氣體的監(jiān)測和報警；④數(shù)據(jù)存儲及處理；邏輯控制；緊急停車（ESD）；⑤與主控中心通訊，為調(diào)度控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)；接受并執(zhí)行調(diào)度控制中心下達的命令。

1.2 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)的開放性

系統(tǒng)軟硬件均具有長期可靠的應(yīng)用實例，采用通用接口協(xié)議，便于互聯(lián)。無論軟硬件產(chǎn)品都是模塊化設(shè)計，硬件便于維護、升級、更換；軟件成熟度高，可移植、再次開發(fā)。在業(yè)務(wù)層面上，無論是整個系統(tǒng)，還是單各站點，無論整個SCADA系統(tǒng)到DMS系統(tǒng)的擴展，還是與GIS、CIS等分立系統(tǒng)的連接，都體現(xiàn)了開放性的原則。

模塊化設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計及部分重要設(shè)備采用了模塊化設(shè)計。系統(tǒng)的部分功能調(diào)試（如調(diào)度監(jiān)控中心和門站本地控制系統(tǒng)）可分部完成而不會影響整體的調(diào)試效果，這樣有利于系統(tǒng)的并行生產(chǎn)及故障排查等。各站的PLC/RTU采用了模塊化系列型號，通訊模塊及I/O模塊等設(shè)備的增加與組合可根據(jù)實際情況的需要靈活組態(tài)。

可擴展性

各站的I/O模塊的增加只需簡單的配置即可投入使用；終端站I/O點在硬件和軟件上都有30%余量，增加的信號直接接入即可運行，無需修改硬件配置和程序；背板插槽也留有余量以備日后擴展。Espider組態(tài)軟件I/O點、Espider客戶端數(shù)量及數(shù)據(jù)庫（應(yīng)改為組態(tài)軟件）的用戶數(shù)量都可根據(jù)日后需要而擴展；通訊系統(tǒng)具有靈活的擴展性。

可靠性設(shè)計

系統(tǒng)實時監(jiān)視輸配管網(wǎng)及各站的運行狀態(tài)，定期進行自診斷并且形成報告。在系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)如主服務(wù)器、通訊信道、門站PLC等做了冗余設(shè)計。系統(tǒng)正常工作時，重要數(shù)據(jù)進行自動備份，當發(fā)生故障時，系統(tǒng)進行即時切換；同時，自動啟動報警程序，顯示引起切換的故障原因，如信道故障、電源故障、違規(guī)操作、I/O失效、CPU錯誤等。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在SCADA系統(tǒng)中，通訊系統(tǒng)是重要的組成部分，其穩(wěn)定性與靈活性對于系統(tǒng)來說至關(guān)重要。本系統(tǒng)中遙測通信協(xié)議采用國際工業(yè)標準的DNP3.0和Modbus二種通信協(xié)議。這兩種協(xié)議已經(jīng)被絕大多數(shù)主要SCADA 集成商和遙測設(shè)備供應(yīng)商采用。

本系統(tǒng)采用的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能如下：

無人值守站采用GPRS無線通訊方式。

各ADSL站將有線通信方式的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控中心；GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿庸緳C房，然后采用光纖或其他有線連接方式接入主調(diào)度監(jiān)控中心。

調(diào)度監(jiān)控中心及各下級站點采用固定IP地址的方式，組成一個虛擬LAN，實現(xiàn)DNP3.0數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的TCP/IP通訊，以及實現(xiàn)中心端對RTU/PLC遠程配置。各場站內(nèi)采用Modbus通訊協(xié)議。

通信線路故障期間，各站點的PLC/RTU按時間順序在其存儲器內(nèi)保存數(shù)據(jù)，待通信恢復(fù)后，將這些數(shù)據(jù)補傳。中心根據(jù)時間順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫的適當位置的功能。

系統(tǒng)具備通信診斷、分析的工具，各個通信口及其通信參數(shù)記錄并可在網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺操作員工作站上顯示。

門站等重要場站采用ADSL數(shù)字電路為主用通信線路，GPRS無線通訊為備用通信線路的通信方式。ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line ，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路）是一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式。它因為上行和下行帶寬不對稱，因此稱為非對稱數(shù)字用戶線環(huán)路。它采用頻分復(fù)用技術(shù)把普通的電話線分成了電話、上行和下行三個相對獨立的信道，從而避免了相互之間的干擾。即使邊打電話邊上網(wǎng)，也不會發(fā)生上網(wǎng)速率和通話質(zhì)量下降的情況。通常ADSL在不影響正常電話通信的情況下可以提供最高3.5Mbps的上行速度和最高24Mbps的下行速度。

無人值守站采用GPRS無線通訊方式

通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍≒acket）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps各ADSL站將有線通信方式的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控中心；GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿庸緳C房，然后采用光纖或其他有線連接方式接入主調(diào)度監(jiān)控中心。

調(diào)度監(jiān)控中心及各下級站點采用固定IP地址的方式，組成一個虛擬LAN，實現(xiàn)DNP3.0數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的TCP/IP通訊，以及實現(xiàn)中心端對RTU/PLC遠程配置。各場站內(nèi)采用Modbus通訊協(xié)議。

通信線路故障期間，各站點的PLC/RTU按時間順序在其存儲器內(nèi)保存數(shù)據(jù)，待通信恢復(fù)后，將這些數(shù)據(jù)補傳。中心根據(jù)時間順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫的適當位置的功能。

系統(tǒng)具備通信診斷、分析的工具，各個通信口及其通信參數(shù)記錄并可在網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺操作員工作站上顯示。

系統(tǒng)選型

門站及儲配站系統(tǒng)選型

站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

SCADA系統(tǒng)中的門站、儲配站、混氣站、凈化站、LNG站等站場選用北京安控公司生產(chǎn)的SuperE50系列模塊化RTU。

Super E50系列RTU是北京安控科技股份有限公司集多年的站控系統(tǒng)開發(fā)、工程經(jīng)驗設(shè)計的新型站控RTU產(chǎn)品，可實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場信號的采集和設(shè)備的控制。該產(chǎn)品采用了先進的32位ARM技術(shù)，高效的嵌入式操作系統(tǒng)，整個系統(tǒng)功能強大、操作方便、集成度高。不僅能勝任邏輯、定時、計數(shù)控制，還能完成數(shù)據(jù)處理、高速計數(shù)、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。

該產(chǎn)品具有多種配置和可選功能。可根據(jù)用戶的實際需求，在不同領(lǐng)域，設(shè)計開發(fā)成各種控制系統(tǒng)。

產(chǎn)品特點：

功能強大的硬件系統(tǒng)，采用32位ARM處理器，嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）。

高效的工程開發(fā)工具，符合IEC 61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言。

結(jié)構(gòu)先進，易于擴展，可多站協(xié)調(diào)工作，組建復(fù)雜系統(tǒng)。

模塊化設(shè)計工業(yè)標準設(shè)計，DIN導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場安裝。

經(jīng)濟可靠、功能強大的通信接口，支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可選）、IEC 60870-5-104（可選）等通信協(xié)議。

具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口。

支持WEB發(fā)布功能。

具有16位分辨率A/D、D/A。

友好的人機界面。

先進的冗余/容錯方式。

經(jīng)濟高效的RTU系統(tǒng)。

電源、信號輸出輸入端均采取隔離保護，并與主控電路隔離。

具有看門狗及數(shù)據(jù)掉電保護功能，可長期保存設(shè)定參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)。

大容量存儲空間，滿足就地運算和歷史數(shù)據(jù)記錄。

工作溫度-40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

通過CE認證，達到EMC電磁兼容3級標準。

ISO9001質(zhì)量管理體系。

MTBF：500,000h,MTTR≤1h。

I/O模塊的特點：

所有I/O模塊都是模塊化設(shè)計，支持熱插拔。I/O是 input/output的縮寫，即輸入輸出端口。每個設(shè)備都會有一個專用的I/O地址，用來處理自己的輸入輸出信息。CPU與外部設(shè)備、存儲器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備來實現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，而后者則被稱為存儲器接口。存儲器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習(xí)慣上說到接口只是指I/O接口。

危險分散措施：過程I/O單元采用的智能化設(shè)計方法，可有效地將部分控制或采集運算分散到各I/O單元，降低主控單元的負擔，提高可靠性；

冗余結(jié)構(gòu)：操作員站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、主控單元、I/O模塊、系統(tǒng)電源完全冗余。

故障隔離措施：所有IO單元都采用可靠的光電隔離技術(shù)，使各單元之間和單元與主控單元之間的CPU無任何電氣聯(lián)系，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力、可靠性和安全性。在同一單元的不同通道間及邏輯功能側(cè)和現(xiàn)場信號側(cè)，也提供了隔離措施，可消除由于現(xiàn)場地電位差對系統(tǒng)造成的損壞。電隔離離一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。

各種運行提示：所有單元上均有狀態(tài)指示燈包括運行、故障、通信等。

可帶電插拔：一旦發(fā)現(xiàn)故障，可帶電對故障單元進行更換。由于采用了特殊保護措施，系統(tǒng)中所有過程I/O單元均可帶電拔插，對系統(tǒng)的運行不會產(chǎn)生任何影響。

周期性的故障檢測。定期檢測模塊自身CPU的工作狀態(tài)。一旦CPU出現(xiàn)故障，在保證安全的前提下，看門狗電路可使模塊復(fù)位。

具備較完備的保護功能。包括：通道電流過載保護、DC24V電壓反向保護、通訊線鉗壓保護、通道過壓保護。

無人值守站選型

無人值守站RTU選用安控科技生產(chǎn)的Super32-L系列RTU。

Super32-L 系列RTU，是北京安控科技股份有限公司集多年的開發(fā)、工程經(jīng)驗設(shè)計的新型RTU產(chǎn)品，是面向工業(yè)現(xiàn)場信號采集和對現(xiàn)場設(shè)備控制的新型通用RTU。該系RTU采用先進的32處理器，不僅能完成邏輯運算、定時、計數(shù)控制，還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、PID運算、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。

產(chǎn)品特點

采用32位ARM處理器，嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）。RTOS，即：實時系統(tǒng)（Real-time operating system），實時系統(tǒng)能夠在指定或者確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和外部或內(nèi)部、同步或異步時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。它的正確性不僅依賴系統(tǒng)計算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個結(jié)果的時間。因此實時系統(tǒng)應(yīng)該在事先先定義的時間范圍內(nèi)識別和處理離散事件的能力；系統(tǒng)能夠處理和儲存控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。 為了便于理解，機場的售票系統(tǒng)就是一個典型的實時系統(tǒng)。

編程軟件符合IEC 61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言。

一體化模塊設(shè)計，可擴展至64點I/O信號通道。

支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可選）、IEC 60870-5-104（可選）等通信協(xié)議，

具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口，適用于多種有線和無線網(wǎng)絡(luò)。

具有16位分辨率A/D。

電源、信號輸出輸入端均采取隔離保護，并與主控電路隔離。

具有看門狗及數(shù)據(jù)掉電保護功能，可長期保存設(shè)定參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)。

大容量存儲空間，滿足就地運算和歷史數(shù)據(jù)記錄。

LED和通信端口可休眠，特別適用于太陽能供電等場合。

工作溫度－40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

元器件選用優(yōu)秀的工業(yè)級產(chǎn)品，經(jīng)過嚴格測試和篩選。

工業(yè)標準設(shè)計，DIN導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場安裝。

產(chǎn)品通過CE認證。

MTBF：500,000h,MTTR≤1h

支持WEB發(fā)布功能。