城市燃气管网SCADA系统设计与应用
刘 超１ ，张 祎２
（１．南京理工大学泰州科技学院，江苏 泰州 ２２５３００；
２．北京航天拓扑高科技有限责任公司，北京 １００１７６）
摘 要：ＳＣＡＤＡ系统在城市燃气管网中应用非常广泛。本文描述了ＳＣＡＤＡ系统的三个重要部分：调度中心，监控终端站，通信系统。
该系统可以完成对城市燃气管网的监控。本文提出了先进完整的现场解决方案，在城市燃气管网中可以得到广泛应用。
关键词：ＳＣＡＤＡ系统；ＧＰＲＳ通讯；ＲＴＵ；燃气管网
中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２０１４）０２－００９２－０４
Design and Application of SCADA System in City Gas
Pipeline Network
LIU Chao1, ZHANG Yi2
( 1. Taizhou Institute of Sci.& Tech., NJUST, Taizhou 225300 China;
2. Beijing Aero-top Hi-tecch Co., Ltd, Beijing 100176 China )
Abstract: SCADA system is widely used in city gas pipeline network.This article describes the three important parts of SCADA system :dispatch center, the monitoring terminal station, communication system. The system can monitoring of city gas pipeline network completely. The advanced and complete solution which is proposed in this paper can be widely used in city gas pipeline network.
Key words: SCADA system; GPRS communication; RTU; gas pipeline network
１ 引言
燃气管网是现代化城区的基础设施之一，在城区建设中有着极其重要的位置。寻求最佳供气管网运行方式，对于改善人民生活、减少城市环境的污染、节约能源、促进工业的发展都起着极其重要的作用。随着城区现代化的发展，城区供气管网在逐步扩大，用户不断增加。为确保城区供气管网在运行过程中合理调度及优化管理， 需要建设一个燃气输配管网数据采集与监控（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）系统，即ＳＣＡＤＡ 系统。ＳＣＡＤＡ系统应用于供气管网综合控制及管理系统信息反馈实时性高，调度人员可根据系统提供的信息全面、实时掌握系统运行参数和管网运行工况，最好地解决供需矛盾，以满足工业及民用的需要［１］。燃气是易燃易爆气体，要求生产、输配绝对安全，ＳＣＡＤＡ系统提高了生产调度人员发现事故和分析事故的可预见性，一旦出现异常，可以及时采取有效措施，防止事故的发生和蔓延，从而保障了国家与人民财产的安全，具有显著的安全效益。同时，系统建成后，可以根据管网运行工况及各环节的运行数据等有关信息，进行综合分析、优化调度，编制合理、经济的供气方案，使整个供气管网在最经济、最合理的情况下运行，节约了气源，人力、物力，减少了对环境的污染。供气在生产、储存、输配、供应、销售过程中的组织管理工作也将合理化，工作效率大大提高，将创造显著的经济效益。
ＳＣＡＤＡ系统以对燃气管网运行状况的远程监控为基本和主要功能，利用工业自动化的先进技术，为在调
收稿日期：２０１３－０５－０２
度中心就可以实时掌握全市燃气输配调度提供解决方案［２］。本文所设计的ＳＣＡＤＡ系统分为调度中心、监控终端站和通信系统三部分。调度中心负责整个管网的实时运行参数的集中、存储和调度指令的发送中心。监控终端站分布在管网的各点，负担现场执行任务，采集并向调度中心传送现场运行参数，按照调度中心的指令实行现场控制。通信系统作为调度中心和远程站点“会话”的通道，解决二者的远程数据交换。
本文设计了一个广泛适用的燃气ＳＣＡＤＡ系统，系统设计力求稳定运行。
２ 调度中心
调度中心是整个ＳＣＡＤＡ系统的调度指挥中心，操作人员在调度控制中心通过计算机系统即可完成对整个城市燃气输配管网的监控和运行管理等任务。系统通过通讯网络实时采集管网运行参数数据，经处理后显示在大屏幕显示系统上，对各种燃气参数进行统计分析、存储及打印，对越限数据进行报警，并具有辅助决策功能，以便决策人员根据系统提供的参数信息进行实时调度处理。
调度中心是由ＳＣＡＤＡ服务器、操作员工作站、工程师工作站、通信处理机等组建的计算机网络系统。根据工程实际的不同，操作员站工程师站均可增加一定数目。系统设立专门的工作站控制调度中心大屏幕，可以根据工程需要，随意调出每个检测站点的数据。２．１ 服务器
服务器与普通计算机相比，性能强大并且运行稳定，因此很多关键的系统任务需要在服务器上运行，这些任务包括：实时数据处理、历史数据处理、Ｗｅｂ发布等。
在系统设计中，根据不同功能分别配备服务器，使它们分担不同的任务，通过网络连接，每个服务器都能够单独完成自身的任务，降低单台服务器的工作负担，使功能分开，保证不会因为某个服务器故障而导致整个ＳＣＡＤＡ系统瘫痪。
本系统服务器分为：数据服务器和Ｗｅｂ服务器。２．１．１ 数据服务器
系统中配置两台数据服务器实现双机冗余冷备，数据服务器担负实时数据处理和历史数据处理任务。实时数据处理任务负责处理系统实时数据流，通过通信处理机接收实时监测数据，将实时数据放入实时数据库中，并为网络中的工作站提供实时数据服务。实时数据处理任务包含与ＲＴＵ的通信链接、协议转换、网络管理等任务，同时还负责系统实时数据流程和数据转换，以便适应不同现场仪表参数量程、单位等差异，为系统提供统一、规范的数据格式。
历史数据处理任务负责对系统数据的集中存储、管理，作为调度中心点为网络中的其它服务器和工作站提供数据。历史数据处理任务运行在ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ２００５数据库软件平台上，提供开放软件接口和标准物理接口。
２．１．２ Web服务器、通信处理机
Ｗｅｂ发布是实现系统监控数据在公司内部各部门应用和共享的实现方法，它基于Ｂ／Ｓ结构，客户端只需具备标准的浏览器即可，并且没有用户点数限制。Ｗｅｂ服务提供了一个分布式的计算技术，通过使用标准的协议和信息格式来实现监控数据应用。使用标准的协议提供了一个中立的平台，允许Ｗｅｂ服务平台、语言和发布者互相对立。Ｗｅｂ服务通过松散的应用集成，能够高效、低成本地开发、发布、发现和绑定应用。
Ｗｅｂ服务器担负Ｗｅｂ发布任务，可以实现将公司各系统的数据和应用通过信息网络进行发布。
通信处理机，充当调度中心局域网与外网的网关，通过ＧＰＲＳ通信平台与远程终端站通信，实现系统的数据集中和通信管理。通信处理机放置在机柜中，与服务器共用显示器。
２．２ 工作站
工作站主要由操作员站、工程师站组成。
操作员站一般有两台，同时运行。操作员站通过局域网与实时数据服务器和历史数据服务器进行通信，将采集的数据以曲线、工艺图等多种方式表现给用户。操作员站通过直观友好的用户界面，实时显示管网运行情况，接收用户提出的信息查询、数据库检索、图表分析、报表输出等任务。调度员可以通过操作员站的人机界面全面地了解整个燃气管网的运行状况，完成ＳＣＡＤＡ系统的调度管理。
工程师工作站一般有一台，是系统工程师的操作平台。工程师可通过它们对计算机监控系统的数据库等进行维护和修改；同时还可以对系统进行再开发，实现工程组态等功能。
局域网中的计算机通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览器（ＩＥ），可以通
过直观友好的用户浏览界面，监控管网运行情况，完成
信息查询、数据库检索、图表分析、报表输出等功能。
调度中心采用客户机／服务器（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ），设置
ＳＣＡＤＡ服务器、通讯服务器、数据库服务器、专线接
入路由器、核心交换机、操作员工作站、工程师工作站
等设备，并通过局域网相连。调度中心接收管网中所有
站点采集的数据，对各个站点的运行工况进行实时监
视，掌握整个管网的运行状况，并根据管网参数及时调
整运行工况，传输各种数据和信息，以实现整个燃气管
网的优化、经济、合理、可靠地运行。调度中心完成采
集数据的处理、显示、入库。
图１描述了调度中心硬件配置情况，其中还包括交
换机，路由器，防火墙，打印机，投影仪，ＵＰＳ电源等外
围设备。
３ 监控终端站
天然气利用工程ＳＣＡＤＡ系统监控终端站包括站控
系统和若干个监测点。监控站完成对管网和站场的工
艺过程、控制设备的数据采集、控制、天然气流量计算
等等。每个终端站可独立完成本站范围内现场数据的
监测和控制，当个别站发生故障时，不影响系统其它远
程终端站的正常运行［３］。
监控终端站通过对现场设备运行参数的采集，如温
度、压力、差压、流量、阀门位置、开关状态等，经过
ＲＴＵ的实时运算和处理，完成现场的实时控制和各种记
录。调度中心通过通信系统实现与各站控系统和监测
点的远程数据交换，建立统一的数据采集及集中监控，
图１ 调度中心结构
完成公司调度中心的遥控、遥测、遥信及遥调功能，提
供各种调度决策支持和管网施工建设支持。图２描述了
监控终端站的拓扑结构。
ＲＴＵ和现场的仪表及控制设备相连，实时采集所
需要的各工艺参数，如燃气的压力、温度、流量、阀门
工作状态等等。数据通过现场的智能变送器（如图压力
变送器、温度变送器），加臭机，流量计算机等设备提
供模拟量或数字量。ＲＴＵ经过逻辑运算， 通过通信
网络把所测得的数据上传给调度中心，同时接受调度
中心下达的指令，接受调度中心的监督及管理。ＲＴＵ
是ＳＣＡＤＡ系统的基础，是一个能够独立运行、完成全
部设定功能的单元。当ＲＴＵ与调度控制中心通信中断
时ＲＴＵ仍能正常、可靠地独立运行，以确保生产的安
全、正常进行。
监控数据由站控系统通过ＤＴＵ发出，经过ＧＰＲＳ服
务网络进入调度中心的ＧＰＲＳ通信处理软件中，经处理
软件解析、计算、处理后最终进入数据库和工作站软件
展现给中心生产调度人员。
对于监控终端站的ＲＴＵ系统，还与本地上位计算
机进行通讯连接，可以通过本地上位机进行数据显示，
监测及控制。一般情况是通过以太网ＭＯＤＢＵＳ协议实
现两者的实时信息交换。
ＲＴＵ的操作系统和功能程序存放在非丢失存储器
ＦＬＡＳＨ中，均有后备电池给予保护，不会因为系统掉电
毁坏程序，在外电源掉电时，可保存源程序和数据半年
之久。当外电源恢复后，ＲＴＵ自动恢复正常工作，而无
需任何人工干预。
为了增加系统的可靠性，系统还应配备完善的不间
断电源系统。当电网突然停电时， 保证系统可正常不
图２ 监控终端站结构图
间断运行。４ 通讯系统
通信系统接入方式包括：１）远程数据终端的接入。即远程终端站通过ＤＴＵ采用ＡＰＮ网络接入， ＡＰＮ针对相关行业用户使用。ＡＰＮ用户通常在一个组内，需要设定用户名和密码，具有更好的安全性，适用于行业用户。２）调度中心的接入。ＳＣＡＤＡ系统调度中心采用专线方式接入ＧＰＲＳ网络。３）数据通讯管理。通讯系统采用点对多点、轮询与自报相结合的工作方式。通讯处理机通过ＴＣＰ／ＩＰ端口连在中心的以太网上，接受实时数据服务器针对远程终端站的轮巡命令，将轮训指令下发远程终端站ＲＴＵ；从远程终端站ＲＴＵ读取的实时数据采集到通讯处理机中，并通过通讯处理机实现网络共享［４］。
调度中心与其站点选用ＧＰＲＳ通信平台实现数据交换。ＧＰＲＳ通信以其“永远在线”和“按流量计费”的特点充分地满足了ＳＣＡＤＡ系统实时性需要，并且具有较高的性价比。ＧＰＲＳ无线通信避免了传统的无线电台通信设备投入花费大，易受人为、气候、建筑等因素干扰，不能多点同时相互通信等缺点，在ＳＣＡＤＡ系统得到了广泛和成熟的应用。调度中心的ＧＰＲＳ通信处理软件负责通信平台上的数据集中和通信管理。
在每个远程终端站都会配置一个ＧＰＲＳ的ＤＴＵ模块与ＲＴＵ的通讯口相连，每个ＤＴＵ模块中设有唯一的ＩＤ号、授权的用户名和密码、数据服务中心的地址，主调度中心通信前置机的地址，ＤＴＵ会通过ＧＰＲＳ网络自动找到通信前置机并与其建立连接，建立连接后远程站点就可以与通信前置机进行双向通信。
作者简介：刘超（１９８５－），硕士，助教，研究方向：ＳＣＡＤＡ系统
集成，电力系统自动化。
图３ SCADA 系统通讯系统结构
为保障通信系统稳定运行，系统专门设置管理ＧＰＲＳ通信的通信前置机，通过通信前置机、ＲＴＵ、ＧＰＲＳ终端模块与ＧＰＲＳ网络协调工作，实现系统的数据采集。图３描述了ＳＣＡＤＡ系统通讯系统的结构。
５ 结束语
本文设计了一套应用于城市燃气站的ＳＣＡＤＡ系统，包括了调度中心，监控终端站，通讯系统。该系统具有稳定、反映迅速的特点，采用先进的ＧＰＲＳ通讯模式，对城市燃气管网进行实时监控，能够达到监控要求。在城市燃气管网中可以得到广泛应用。
参考文献：
［１］ 王长富．浅谈城市燃气输配管网ＳＣＡＤＡ系统的建立［Ｊ］．上海煤气，２００７，（６）：２７－２９．
［２］ 张铁军．城市燃气管网ＳＣＡＤＡ系统设计与实现［Ｊ］．石油化工自动化，２０１２，４８（２）：４９－５２．
［３］ 杨坤海．城市燃气管网ＳＣＡＤＡ系统设计与应用［Ｊ］．石油化工自动化，２０１０，４６（５）：１０－１２．
［４］ 肖文晖，刘亚斌，王思存．城市市燃气管网ＳＣＡＤＡ系统的开发［Ｊ］．燃气与热力，２００３，２３（１）：２０－２２．