燃气管网SCADA系统方案.doc

天燃气管网SCADA系统方案

北京瑞阳恒兴科技有限公司

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目 录
1. 方案概述 2
2. 执行标准与规范 2
3. 设计原则 2
4. SCADA系统结构 3
5. 门站控制系统 5
6. 工业用户、加气站、城区管网末端、调压站数据采集系统 7
7. 调度中心监控系统功能 9

1. 方案概述
本方案的SCADA系统涉及门站、工业用户、加气站、城区管网末端、调压站等多种类型的监控点，总数量约30个。所有监控点的数据需要传送到位于临邑县的调度中心，并在调度中心操作员计算机上显示，此外两个天然气门站还要有本地控制系统，在本地操作员计算机上可实时显示门站的各种数据。通过SCADA系统操作员还可对现场设备进行必要的控制，同时SCADA系统还集成有巡线监控系统。
2. 执行标准与规范
GB 50028－2006《城镇燃气设计规范》
GB 50093－2002《工业自动化仪表工程施工及验收规范》
GB 50058－92《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
HG 20508《控制室设计规定》
HG/T 20509《仪表供电设计规定》
HG/T 20513《仪表系统接地设计规定》
HGJ 516－87《自动控制安装图册》
其它与本系统相关的最新规范
3. 设计原则
（1） 安全可靠性
系统的检测、控制及调度将保证整个输配气系统的安全运行，对与输气系统安全相关的参数进行早期预报警和超限报警及自动联锁保护以预防事故发生。
设备的开/停控制采用顺控并加有逻辑锁，以防止误操作。
设置故障事件记录分析系统，即在故障发生时，自动记录打印有关参数，进行事故判断和事故追忆，以便事后进行事故重演和故障分析。
所有设置在爆炸危险场所的自控仪表设备均采用相应防爆等级的产品。
控制系统为集散型，控制手段为调度中心集中遥控、场站监控室内远控及设备就地手动控制的三级控制，并可互相切换。
主要硬件设备及软件设备全部采用国内外知名品牌产品，并具有 3 年以上良好运行实例，各项性能指标满足国际、国内相关规范与标准。
SCADA系统的硬件、网络和软件都应具有良好的开放性和可扩展性，符合开放的工业标准并提供标准接口和驱动程序，确保将来与第三方系统顺利的接口及功能的扩展。因此，对于SCADA系统硬件、RTU和其它主要设备SCADA系统总承包商都应该选用成熟品牌的产品。为了用户今后备品备件的方便和统一，SCADA软件、RTU硬件以及其他设备应尽量选用同一家公司的产品。
整个SCADA系统的供电，配置不间断电源（UPS），调度中心及各场站自控系统设置独立的工作接地网。
软件设置不同安全区和安全级别，建立不同的安全功能区和不同的功能级别，形成不同访问权限及操作权限。
SCADA服务器（Server）采用目前运行可靠的实时多任务、多用户操作系统，在操作员工作站和工程师工作站等（Client采用WINDOWS操作系统。具有WEB服务功能，公司领导可以在自己的办公地点或者外地通过浏览器看到该系统的实时数据。
（2） 先进适用性
SCADA 系统硬件配置采用先进的计算机技术、工业控制技术、显示技术和通信技术等紧密地结合在一起，利用先进的网络设备和网络互联技术设计而成，硬件设备先进可靠，技术成熟，具有安全可行性和技术先进性两大特点。整个系统使用方便，性能可靠,开放性扩展性强。
主站与远端有人值守站局域网及RTU 之间的通信协议采用标准TCP/IP 协议；主站与远端无人值守站点RTU通信协议采用国际标准协议；RTU与智能仪表之间采用MODBUS RTU协议或仪表自定义的协议。

系统应采用目前广泛应用的、成熟可靠、性能稳定的开发平台，全系统操作界面汉化，应用软件应符合国内的管理和操作模式。
系统局域网采用目前广泛应用的以太网。
系统的配置应充分考虑了升级及扩容能力（扩容能力不小于25%）。
所有选用产品都必须在国内有技术服务和备品配件支持。
（3） 经济合理性
经济性不但要从一次性建设投资考虑，还要考虑到投产后的运行和维护费用。
设备的选型按照可靠性、先进性及经济性综合考虑，充分考虑统一性，以减少备品备件的存量，降低维护成本。
标准化、模块化
为保证系统的可靠性、稳定性和可扩展性，要求整个SCADA系统的设计充分体现标准化、模块化的设计思想。
4. SCADA系统结构
本方案的SCADA系统包括门站控制系统、工业用户数据采集系统、加气站数据采集系统、调度中心监控系统等四部分。
SCADA系统网络结构如图1所示：
图1 SCADA系统结构
调度中心位于公司办公楼，其中配备有一台SCADA服务器、两台操作员站、一台巡线监控站、一台打印机、一台三层以太网交换机和UPS系统。
SCADA服务器是整个系统的数据处理核心，其上运行着SCADA系统软件和SQL Server数据库软件。SCADA系统软件负责采集工业用户、加气站和门站的数据，并把操作人员的指令下发到相应设备上。SQL Server是一个关系型数据库软件，存储着SCADA系统的所有历史数据，基于这些数据可提供数据查询、曲线显示、趋势分析、报表输出等功能。服务器是一台高可靠性的机器，可保证7×24小时不间断工作，其上配备有硬盘冗余系统，可最大程度得保证数据的可靠性。
操作员站上运行着组态软件，为用户提供查看数据、操作设备的界面，主要功能包括：管网地图、工艺画面显示、历史数据查询、趋势图、报警记录、报表输出等，用户界面根据用户需要定制开发。操作员站的所有数据均来自SCADA服务器，操作员下发的指令也传送到SCADA服务器上，再由SCADA服务器向下转发。本方案中，配备了两台操作员站，两台机器可以显示不同画面，方便操作人员使用，另外他们还构成了冗余系统，一台故障不会影响到系统的正常运行。其中一台操作员站连接有打印机，另一台通过网络共享也可使用，两台机器都可以输出报表。
调度中心配置的打印机为A3幅面激光打印机，可满足复杂报表输出的需要。
调度中心配备一台三层以太网交换机，除了普通交换机功能外，还具备基本路由及防火墙功能。通过这台交换机SCADA服务和两台操作员站连接在同一个子网络内，彼此可互相通讯。交换机的外网端口连接到互联网，使内部子网可以和互联网上的其他节点通讯，同时交换机可配置防火墙功能，防止外部网络对系统的攻击。为了使SCADA系统能够正常工作，交换机的外网端口必须具有固定的公网IP地址，或通过公司内部网络映射的外网可访问的私网IP地址。为了保证整个SCADA系统网络的稳定性，建议采用移动服务提供商（GPRS提供商）的专网光纤接入。
为了保证设备的不间断工作，调度中心配备有UPS系统，最大3KVA输出，外置电池组可保证系统备用时间不小于6小时。
工业用户、加气站、城区管网末端、调压站数量多且分布分散，各个站的情况不尽相同，因此数据传输的最佳方式是无线GPRS，这种方式不受布线条件限制，只要有手机网络就可传输数据。GPRS传输设备内置SIM卡（需用户准备），通过移动通信公司的GPRS服务连接到互联网，由此和同样连接在互联网上的位于调度中心的SCADA服务器通讯，如当地移动公司可提供虚拟内部网络，则可以获得更好的稳定性。
对于天然气门站来说，也可以采用GPRS方式向调度中心传输数据，如果希望获得更好的稳定性，可以采用有线网络（如ADSL）方式传输数据。为降低网络结构的复杂程度，方便维护，本方案采用GPRS无线方式。
巡线监控系统由位于调度中心的巡线监控计算机和巡线员随身携带的定位设备组成。定位设备采用GPS卫星定位，人员位置信息通过GPRS无线网络传送到调度中心并实时显示在巡线监控计算机上。巡线监控系统的详细信息请参见巡线监控系统说明。
本方案充分考虑了系统的扩展要求，只需增加相应的监控设备即可完成系统扩展，中控室设备无需改动。
本方案中所使用的PLC、数据采集装置、服务器等设备均属高可靠性设备，系统建成后基本免维护，如数据采集装置选用低功耗电池供电型号，则需每年更换一次电池，成本在300元左右。
调度中心设备清单及描述见“设备清单”部分，其中的大屏幕显示部分参见报价表，更详尽的设备参数可参见相应设备的样本或说明书。
5. 门站控制系统
天然气门站包括两个进口（其中一个进口有时也做为出口使用）和两个出口。需要采集的数据包括各个进出口的压力、温度、各条支路上的流量（包括瞬时流量和累计流量）、燃气泄漏报警等。同时还要根据流量控制加臭机，实现加臭量的自动调节。门站具备本地监控功能，同时所有数据在公司调度中心均可显示。
门站控制系统的结构如图2所示：
图2 门站控制系统结构
门站控制系统采用“可编程逻辑控制器（PLC）”作为主控制器，PLC具备数据采集、设备通讯、逻辑运算和设备控制等功能，性能强大且可靠性高。本方案中的PLC具备模拟量输入/输出接口（AI/AO）、数字量输入/输出接口（DI/DO）、RS485通讯接口和以太网接口。
PLC的模拟量输入接口用来采集压力变送器、温度变送器等具备4-20mA电流输出的仪表；模拟量输出接口用来控制加臭机等设备；数字量输入接口用来采集燃气泄漏报警、切断阀状态等信号；数字量输出接口用来控制切断阀、报警指示灯等设备；RS485通讯接口用来与流量计和其他串行设备通讯；以太网接口用来与门站监控计算机通讯。各输入/输出接口在配置时均留有一定余量。
本方案采用西门子S7-1200系列PLC，此PLC适合于中小型自动化系统的控制，控制器采用模块化设计，可方便的实现系统扩展。
门站现有的压力变送器为隔爆型压力变送器，此类型的压力变送器可直接与位于安全区的PLC连接，压力变送器输出4-20mA电流信号，接入PLC的AI口，信号回路串联防雷保护模块，此模块位于PLC附近，可有效保护PLC免于雷击破坏。本方案中，4-20mA防雷模块选用北京同为产品。
门站现有的温度传感器为热电阻，他必须和相应的安全栅配合使用才能构成本安防爆系统。安全栅位于安全区，可将热电阻输出的mV电压信号转换为4-20mA电流信号，进而接入PLC的AI口。本方案中，热电阻安全栅选用上海辰竹产品，支持三线制连接，温度测量范围可根据实际需要配置。
门站中目前有两种类型的流量计，一种为隔爆型（天信流量计，两台），另一种为本安型（苍南流量计，两台）。隔爆型流量计可直接连接到PLC的485接口，为防止雷击对PLC的破坏，回路中需要加防雷保护模块（包括24V供电防雷模块和485通讯防雷模块）。对于本安型流量计，为构成本安防爆系统必须与相应的安全栅配合使用，流量计安全栅选用隔离式安全栅并具配电功能，可向流量计供电。流量计采用总线方式连接在PLC的485口上，一个485口可连接多台流量计，PLC使用流量计厂家的专用协议与流量计通讯，由于采用了多协议技术，不同品牌的流量计可连接在同一个485口上。本方案中流量计防雷模块选用北京同为产品，流量计安全栅选用上海辰竹产品。
门站要对天然气加臭，加臭工作可由PLC自动控制完成，PLC可根据采集到的流量信号控制加臭机（使用AO口，输出4-20mA电流信号），实现自动加臭，控制算法可根据要求编制。
门站中配置一台监控计算机，其上运行监控软件（组态软件），通过以太网与PLC连接。PLC采集到的压力、温度、流量等数据可实时显示在监控画面上，同时操作人员还可通过监控画面对现场设备进行控制，监控软件还具备实时曲线、历史曲线、历史数据查询、报警记录、报表输出等功能。本方案中监控软件选用“紫金桥”软件。
门站数据远传到调度中心通过GPRS无线方式实现。PLC可将门站现场数据传送到位于公司的调度中心，同时还可接受调度中心下发的指令。PLC配备有两个485通讯口，其中一个连接到GPRS模块（DTU模块），实现GPRS无线通讯。
为保证不间断供电要求，门站配备了UPS系统，可保证至少6小时的后备时间。为防止雷击由供电线传入系统，在UPS前端配有电源防雷保护模块。UPS选用深圳山特产品，电源防雷模块选用北京同为产品。
本方案中凡是使用了安全栅的信号回路没有再加装防雷模块，一方面是由于安全栅有隔离保护作用，可防止雷击对PLC的破坏（安全栅本身可能被损坏）；另一方面在安全栅前端加装防雷模块会改变安全栅所保护设备的总体等效参数，可能造成本安防爆失效。
门站控制系统设备清单及描述见“设备清单”部分，更详尽的设备参数可参见相应设备的样本或说明书。
本设计方案严格遵循GB3836.1（通用要求）、GB3836.2（隔爆型）、GB3836.4（本质安全型）等防爆标准。
6. 工业用户、加气站、城区管网末端、调压站数据采集系统
工业用户、加气站、城区管网末端、调压站的燃气设备一般位于调压撬或调压房内，所需采集的数据相对较少，一般包括1 – 3路流量，一个进口或出口压力。
工业用户数据采集系统的典型配置如图3所示：

图3 数据采集系统典型配置
工业用户、加气站、城区管网末端、调压站数据采集系统采用“燃气监控无线数据传输单元（RTU）”做为采集和传输设备，该设备是我公司专为燃气行业开发的采集传输一体化设备，可采集燃气现场数据并通过GPRS无线网络传送至调度中心计算机。
该设备具备模拟量输入（AI）、数字量输入（DI）、数字量输出（DO）及RS485/422通讯功能，可采集压力、温度、可燃气体浓度等模拟量数据（通过AI口），也可采集阀门开关状态、燃气泄漏报警等数字量信息（通过DI口），并可对现场设备进行控制（通过DO口）。设备采用模块化设计，各输入、输出接口均可根据实际需要扩展。
通过RS485/422通讯口，利用设备内置的流量计通讯协议库，可采集目前市场中大部分厂家的气体流量积算仪和一体化气体流量计的数据，可同时接驳多台流量计。
该设备具备后备电源功能。后备电源部分对市电情况和电池电压进行实时在线监测，停电后调度中心计算机可显示报警信息，标准配置下备用时间不小于6小时。
该设备基于微处理器技术开发，体积小，可靠性高，功耗低，结构紧凑，安装方便。
该设备采用防爆设计，严格遵循GB3836.1、GB3836.2标准，防爆等级Exd II BT4，可直接安装于爆炸性气体危险场所的１区和２区。
工业用户、加气站、城区管网末端、调压站内的流量计为本安型流量计，同样需要配合安全栅使用，安全栅置于防爆箱内，流量计连接在采集设备的485通讯口上，采集设备已内置了苍南、天信、ELSTER等多种流量计采集协议，从流量计中可读取到流量数据（瞬时流量和累计流量）、气体温度和进出口压力（根据流量计安装位置测得的压力为进口压力或出口压力）。
如有压力变送器或温度变送器，则变送器连接在采集装置的模拟量输入接口上，变送器为4-20mA输出，如为本安型则需要额外增加安全栅。
采集到的数据通过GPRS无线网络发送到公司调度中心，设备具备通讯线路维护功能，可保证通讯链路最大程度稳定，如遇GPRS通讯中断，设备会自动尝试恢复。
普通型的采集装置需要外部提供220V 交流供电，对于无法提供外电源的场合有低功耗产品可供选择，仅依靠防爆箱内的电池供电，每5分钟传输一次可连续工作1年，更换电池的成本在300元左右
在调压房内采集设备可壁挂安装，在调压撬内，设备使用自带的安装底板可方便的安装在燃气管道支撑结构上。
工业用户数据采集系统设备清单及描述见“设备清单”部分，更详尽的设备参数可参见相应设备的样本或说明书。
工业用户数据采集系统的设计严格遵照了相关防爆标准。
7. 调度中心监控系统功能
调度中心实时采集门站、调压站、加气站、调压箱/柜等站点的工艺运行参数,实现对天然气管网和工艺设备运行情况进行自动、连续的监视、管理和数据统计，为管网平衡、安全运行提供必要的辅助决策信息。其主要功能如下：
1） 对各站数据的实时采集、处理和存储；
2） 图形显示;
3） 管网图、工艺流程图动态实时显示；
4） 实时和历史数据趋势图、柱状图和饼状图；
5） 全部参数的列表显示；
6） 报警和故障处理；
7） 参数（如压力）上下限报警；
8） 事件报警（如红外、供电等）；
9） 声光报警及故障报警时自动推图；
10） 报警信息的存储查询；
11） 安全保护功能，可设置不同安全区和安全级别，用户可以建立不同的安全功能区，和不同的功能级别；
12） 对于预设的重要事件，系统可向特定人员发出手机短信；
13） 数据存储、归档；
14） 关系数据库和数据网页发布；
15） 统计报表的生成打印；
16） 操作员站界面多屏显示；
17） 系统诊断管理；
18） 系统的自诊断和故障分析功能；
19） 网络监视及管理；
20） 通信系统的诊断管理；
21） 系统时间同步功能；
22） UPS供电功能；
23） 网络安全设计；
24） 设备管理功能；
25） 班组日常管理功能；
26） 系统冗余热备；
27） 主备中心切换；
28） 主备通信链路切换；
29） 主备服务器切换；
30） 网络冗余；
31） 实时服务器冗余热备；
32） 通信系统冗余热备；
33） 打印机冗余；
34） 远程控制功能；
35） 投影机（含投影幕布）；
36） 调度中心SCADA系统在接口设计上应具备从其它系统获得数据和向其它系统提供数据的功能，以便系统功能的扩展；

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