RTU在城市燃氣SCADA系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用
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,。
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,。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。公司有關(guān)負責(zé)人和相關(guān)部門可根據(jù)其權(quán)限（由SCADA限定）,，對管網(wǎng)運行狀況和相關(guān)數(shù)據(jù)進行查詢,、調(diào)用。
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
系統(tǒng)留有足夠的擴展區(qū)。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?，F(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,。操作人員還可以通過調(diào)度管理計算機完成數(shù)據(jù)的發(fā)布、傳輸?shù)日{(diào)度管理工作,。
PLC/RTU站控系統(tǒng)功能
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(zé)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,；與主控及緊急備份中心通訊,，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等,；
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。系統(tǒng)可支持有線,，無線,，微波，衛(wèi)星,，DDN,，GSM/GPRS/GPRS等多種方式與現(xiàn)場設(shè)備或其他的系統(tǒng)進行通信。系統(tǒng)采用標準的通信協(xié)議便于今后的發(fā)展和維護,。
本系統(tǒng)采用的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能如下：
? 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。
? 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,。
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,。其程序開發(fā)方便，可與上位機組成控制系統(tǒng),，實現(xiàn)集散控制,。
該產(chǎn)品具有多種配置和可選功能?？筛鶕?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。
? 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(dān)，提高可靠性,；另一方面,，一旦主控單元發(fā)生故障,，各單元仍能完成基本的輸入輸出功能，如控制輸出的自動保持功能,，回路控制的獨立執(zhí)行等,。
? 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,。
? 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,。與同類RTU相比,，具有更大的存儲容量，更強的計算功能,，更簡便的編程與開發(fā)能力,；更強大的通訊組網(wǎng)能力和卓越的環(huán)境指標特性，能夠適應(yīng)各種惡劣工況環(huán)境,。

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)。
• 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,。