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天然气利用工程中的SCADA监控系统设计

本文介绍了MOX SCADA监控系统在杭州天然气利用工程中的应用设计。管网监控SCADA系统投运后，实现了管网的全系统监控，MOSAIC SCADA服务器、MOX RTU、CDMA及光纤有线网络工作十分稳定。燃气公司现在可以根据系统实时数据和报表来准确的预测工业用户的流量，方便生产决策及与上游送气公司的调度和协调。
系统描述
杭州市天然气输配管网监控与数据采集（SCADA）系统是以基于Unix平台的MOSAIC SCADA软件、远程控制终端MOX RTU，并融合了先进的RTU技术、现场总线技术、网络通信技术、无线通讯技术、数据库技术、SCADA/HMI技术及客户/服务器、“Cluster”实时全分布技术等的一体化的集成控制系统工程。系统是以计算机为核心采用流行的、可靠的计算机网络构成的二级式分布式控制系统。控制中心为系统控制管理级，负责数据的处理和监控，分布于输配管网的远程RTU为系统过程控制级，负责现场数据采集和设备控制，二级系统通过有线网络和无线网络有机的结合在一起构成一个完整的数据采集和监控（SCADA）系统。
系统采用了一个全分布式的通讯结构。MOSAIC SCADA的独特结构使数据采集、处理和显示、报警等功能随意地在网络上的任何地点进行，进而也改进了系统的层次化和可靠性。使用 MOSAIC SCADA可以很方便地集成 、组态一个基于不同软硬件产品的、低成本、高冗余度的系统。在一个 MOSAIC SCADA的网络内，每个数据库的更新和综合可由两个以上的主机来完成。对于非实时数据，使用两步认可处理方式，对于实时数据，则采用顺序更新模式。MOSAIC SCADA可在 LAN 和 WAN 上对不同地方的相同的数据库进行实时和同步的更新以保证数据库的完整性。并由此带来了两个优点：第一，数据库的安全性得到了极大的改进；第二，提高了局域性的 MOSAIC SCADA应用程序的工作效率。MOSAIC SCADA的服务管理器保证了在任何时候网上的所有应用软件都处在正常工作状态。
在 MOSAIC SCADA系统里，备份的层数可以是多级的，称做 N 级备份。在 MOSAIC SCADA中服务管理器协调利用所有的主机 资源，而不需要设置专门备份主机。其结果是用户最终建成一个高可靠性、低成本、可扩展的系统。系统中的所有主机/文件服务器和工作站可共同在网上提供备份和服务。这些互为备份的主机和工作站可遍布于局域网和广域网上以多点组态方式来保证系统的高可靠性。服务管理器可使整个系统、或部分系统、或个别应用软件在整个广域网上进行备 份。MOSAIC 高可靠性并据有灾难恢复功能的系统可以很方便地建立并维护。
系统结构
系统是以MOSAIC SCADA、MOX RTU为核心并采用以太网交换机、路由器等现代网络设备构成的一个分布式计算机数据采集与监控网络。系统网络框架图如图1所示。

图1  系统网络框架图
1.调度中心
调度中心是杭州市天然气输配管网SCADA系统的控制中枢，也是整个系统中数据最集中的地方。系统设计采用全冗余配置，实现SCADA服务器、网络、通讯和各功能环节等的冗余。计算机网络按C/S结构配置，操作员工作站、工程师工作站、视频工作站、仿真工作站等均作为局域网上的一个节点，共享服务器的资源。
调度中心局域网采用双以太网络架构，配置有2台1000M三层交换机来分别完成各自网络的数据通讯和局域网的冗余管理，包括SCADA实时数据服务器、操作员工作站、工程师工作站、仿真工作站、视频工作站及事件打印机、报表打印机、屏幕拷贝机通过交换机均同时挂接到两个网络上，从而实现了完全的数据通信双网络冗余。
调度中心经网络路由设备接入光纤网络与门站、空混站、高中压调压站、高压阀室的RTU控制系统网络相连构成本SCADA系统的有线通信网络系统，通讯协议采用工业以太网TCP/IP，通讯接口为RJ45。采用光纤网络通讯时，调度中心与各场站MOX RTU控制系统实际上构成了一个广域的以太网络，SCADA服务器通过以太网与MOX RTU控制器交换数据。
另外，调度中心MOSAIC SCADA服务器通过CDMA 1X VPDN专线网络与远程控制站实现通信。CDMA 1X无线通讯方式既作为关键工艺场站（门站、空混站、高中压调压站、高压阀室）的备用通讯方式，也作为中压管网专用调压站、中压管网区域调压站及中压管网的压力点的主通讯方式。SCADA系统的有线通信网络出现故障时，系统能自动启动无线通信网络完成与门站、空混站、高中压调压站、高压阀室的数据交换，有线通信网络恢复正常后，系统又可自动切换回到有线通信方式，整个切换过程无缝完成，不会造成数据丢失。切换由服务器来判断和完成。
调度中心网络中的主要设备包括：SCADA实时服务器2台；操作员工作站2台；工程师工作站1台；视频工作站1台；配备3台高速打印机；网络路由设备。
2.容灾中心
容灾中心是杭州市天然气输配管网SCADA系统的备用控制中枢。容灾中心的主要任务是在调度中心无法正常工作时接管调度中心的工作，平时则与调度中心的数据同步，实现对调度中心功能的备份。

容灾中心局域网通讯协议为TCP/IP，通讯速率为10/100M。配置有1台24口的10/100/1000M高性能自适应三层交换机来分别完成各自网络的数据通讯和局域网的冗余管理，SCADA实时数据服务器、操作员工作站、工程师工作站及事件打印机、报表打印机同时挂接到网络上。并实现与数据中心的通信及数据同步。
容灾中心网络有SCADA服务器1台、操作员工作站1台、工程师工作站1台、事件/报表打印机1台、网络路由设备等。
3.场站
所有远程站点均装有独立的MOX RTU控制系统，就地的MOX RTU控制系统出现故障，不会妨碍调度中心与其它场站通讯。杭州市天然气输配管网的远程站点可划分为二组：有人值守场站现场设有本地操作人员，用于本地现场数据监测和设备控制，包括门站1座、空混站1座；无人值守场站包括中压管网专用调压站、中压管网区域调压站及中压管网的压力点。
通信网络
项目中整个通信系统（系统的通信结构如图2所示）是为SCADA系统的远程监控功能提供必需的数据通道，这些数据通道连接着各种不同的控制中心和远程站点。杭州市SCADA系统的通信采用了多种方式：
1.光纤通信：光纤已随高压输气管道敷设单模裸光纤、高压管网上门站、高中压调压站、阀室与调度控制中心。通信以光纤通信为主信道，中国联通CDMA20001X为备用信道；
2.中低压管网上各中低压调压站、区域调压站、专用调压站、管网检测点与调度控制中心通信采用中国联通CDMA20001X通信方式，各个站点采用外置的 CDMA 路由器，在调度中心通过路由器接入联通CDMA光缆VPDN专线；
3.另有两条杭州联通公司提供的E1线路将2座高中压站连至数据中心和容灾中心。
系统功能
1.调度中心
其主要功能如下：
数据采集和处理；
工艺流程的动态显示；
下达调度和操作命令；
报警显示、管理以及事件的查询、打印；
实时数据的采集、归档、管理以及趋势显示；
历史数据的管理、存贮；
生产统计报表的生成和打印；
对全系统进行时间同步；
流量计算、管理；
控制权限的确定；
网络监视及管理；
通信监视及管理和主备信道的无扰切换；
系统诊断、故障分析及处理；
紧急切断和安全保护；
实现与企业信息管理系统（MIS）连接和数据交换。
2.容灾中心
其主要功能如下：
数据采集和处理；
工艺流程的动态显示；
下达调度和操作命令；
报警显示、管理以及事件的查询、打印；
实时数据的采集、归档、管理以及趋势显示；
历史数据的管理、存贮；
生产统计报表的生成和打印；
流量计算、管理；
控制权限的确定；
网络监视及管理；
通信监视及管理和主备信道的无扰切换；
系统诊断、故障分析及处理；
紧急切断和安全保护；
实现与上级计算机网络的通信及数据共亨等。
3.远程场站
RTU实现数据上传信息调度中心SCADA实时数据服务器；
现场数据采集存储；
天然气流量计算AGA3、AGA7、AGA8；
数据处理（工程单位换算、算术与逻辑运算、流量积算）；
联锁保护；
紧急停车ESD；
执行SCADA系统调度中心发送的指令，并向调度中心发送带时间标签的实时数据；
自动进行监控任务，发出控制或调节命令；
与第三方智能仪表设备通讯(通常采用串口通讯，MODBUS协议)。