RTU在城市燃氣SCADA系統(tǒng)建設中的應用

摘 要

摘要：本文將以城市燃氣SCADA系統(tǒng)的應用為案例，闡述了RTU產品在該系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的應用。體現RTU在SCADA系統(tǒng)中應用的可靠性、靈活性、方便性。關鍵字：SCADA；RTU；城市燃氣；冗余 1.1系
摘要：本文將以城市燃氣SCADA系統(tǒng)的應用為案例，闡述了RTU產品在該系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的應用。體現RTU在SCADA系統(tǒng)中應用的可靠性、靈活性、方便性。
關鍵字：SCADA；RTU；城市燃氣；冗余
 
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)域內的居民、商業(yè)及公共建筑、工業(yè)、燃氣空調、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安全、高效的燃氣輸配管理。
燃氣SCADA系統(tǒng)包括調度監(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)投產后，操作人員在調度控制中心通過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“四遙”
在調度監(jiān)控中心可觀察到全市管網的運行工況，為管網運行調度提供依據，并根據調度方案向各重要節(jié)點發(fā)出調整、控制指令到執(zhí)行機構。調整、控制后的新工況參數又實時地傳送到調度監(jiān)控中心，從而對管網實現遙測、遙控、遙調、遙信功能。
2、能方便地與公司計算機管理網絡聯網
本系統(tǒng)為標準的以太網，能方便地與公司計算機管理網絡聯網運行。公司有關負責人和相關部門可根據其權限（由SCADA限定），對管網運行狀況和相關數據進行查詢、調用。
3、安全報警系統(tǒng)
在輸配管網的調壓站、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度依據。
4、系統(tǒng)可維護性
設備出現故障時，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計程序。系統(tǒng)數據庫具有開放的結構,對各種平臺再開發(fā)具有透明性。
6、實時事故預測及報警
通過對檢測數據分析處理，并與正常工況進行比較，可及時發(fā)現異常現象及事故，并結合GIS、CIS系統(tǒng)確定發(fā)生的地點以及現場管道、設備情況，在調度監(jiān)控中心顯示屏上顯示出來，同時發(fā)出報警信號。在管網發(fā)生事故時，由計算機給出發(fā)生地局部區(qū)域管網布置的詳細情況，準確判斷出事故波及影響的范圍及相關的閥門，結合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處理，做到將事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)，防患于未然。
·調度監(jiān)控中心功能
調度監(jiān)控中心實時采集本地監(jiān)測站的運行參數,實現對管網和工藝設備的運行情況進行自動、連續(xù)的監(jiān)視管理和數據統(tǒng)計，為管網平衡、安全運行提供必要的輔助決策信息。
調度監(jiān)控中心的主要任務是通過各站點的RTU/PLC對管網和場站的工藝參數進行數據采集和監(jiān)控。調度監(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和場站工藝過程的壓力、溫度、流量、設備運行狀態(tài)等信息，完成對燃氣輸配管網的運行監(jiān)控和管理。操作人員還可以通過調度管理計算機完成數據的發(fā)布、傳輸等調度管理工作。
·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)的現場控制單元，除完成對所處站場的監(jiān)控任務外，同時負責將有關信息傳送給調度控制中心并接受和執(zhí)行其下達的命令。主要為①對現場的工藝變量進行數據采集和處理；②經通信接口與第三方的監(jiān)控系統(tǒng)或智能設備交換信息；③監(jiān)控各種工藝設備的運行狀態(tài)；④對供電設備及其相關變量的監(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；顯示各種工藝參數和其它有關參數；顯示報警一覽表；⑧數據存儲及處理；顯示實時趨勢曲線和歷史曲線；⑨數據計算；邏輯控制；聯鎖保護；緊急停車(ESD)；⑩打印報警和事件報告；打印生產報表；數據通信管理；與主控及緊急備份中心通訊，為調度控制中心提供有關數據；接受并執(zhí)行調度控制中心下達的命令等；
·無人值守站功能
系統(tǒng)在小型調壓站等無人值守站點處配置RTU，完成對現場的工藝參數進行數據采集和處理；①監(jiān)控管網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數據存儲及處理；邏輯控制；緊急停車(ESD)；⑤與主控中心通訊，為調度控制中心提供有關數據；接受并執(zhí)行調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用實例，采用通用接口協議，便于互聯。無論軟硬件產品都是模塊化設計，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，都體現了開放性的原則。
·模塊化設計
系統(tǒng)的總體設計及部分重要設備采用了模塊化設計。系統(tǒng)的部分功能調試（如調度監(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試效果，這樣有利于系統(tǒng)的并行生產及故障排查等。各站的PLC/RTU采用了模塊化系列型號，通訊模塊及I/O模塊等設備的增加與組合可根據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客戶端數量及數據庫(應改為組態(tài)軟件)的用戶數量都可根據日后需要而擴展；通訊系統(tǒng)具有靈活的擴展性。
·可靠性設計
系統(tǒng)實時監(jiān)視輸配管網及各站的運行狀態(tài)，定期進行自診斷并且形成報告。在系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)如主服務器、通訊信道、門站PLC等做了冗余設計。系統(tǒng)正常工作時，重要數據進行自動備份，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)結構框圖
SCADA系統(tǒng)結構框圖
    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)來說至關重要。本系統(tǒng)中遙測通信協議采用國際工業(yè)標準的DNP3.0和Modbus二種通信協議。這兩種協議已經被絕大多數主要SCADA 集成商和遙測設備供應商采用。系統(tǒng)可支持有線，無線，微波，衛(wèi)星，DDN，GSM/GPRS/GPRS等多種方式與現場設備或其他的系統(tǒng)進行通信。系統(tǒng)采用標準的通信協議便于今后的發(fā)展和維護。
本系統(tǒng)采用的通訊系統(tǒng)結構及功能如下：
●門站等重要場站采用ADSL數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據傳輸到調度監(jiān)控中心；GPRS的數據傳輸到移動公司機房,然后采用光纖或其他有線連接方式接入主調度監(jiān)控中心。
●調度監(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DNP3.0數據通訊協議的TCP/IP通訊，以及實現中心端對RTU/PLC遠程配置。各場站內采用Modbus通訊協議。
●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保存數據，待通信恢復后，將這些數據補傳。中心根據時間順序將這些數據插入到數據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記錄并可在網絡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)結構圖如下：
SCADA站控系統(tǒng)結構示意圖
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)、工程經驗設計的新型站控RTU產品，可實現對工業(yè)現場信號的采集和設備的控制。該產品采用了先進的32位ARM技術，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、計數控制，還能完成數據處理、高速計數、模擬量控制、PID、RTD、TC、通訊聯網等功能。其程序開發(fā)方便，可與上位機組成控制系統(tǒng)，實現集散控制。
該產品具有多種配置和可選功能。可根據用戶的實際需求，在不同領域，設計開發(fā)成各種控制系統(tǒng)。
 
產品特點：
●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。
●結構先進，易于擴展，可多站協調工作，組建復雜系統(tǒng)。
●模塊化設計工業(yè)標準設計，DIN導軌安裝結構，方便現場安裝。
●經濟可靠、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。
●具有看門狗及數據掉電保護功能，可長期保存設定參數及歷史數據。
●大容量存儲空間，滿足就地運算和歷史數據記錄。
●工作溫度-40～+70℃，工作濕度5～95%RH，適應各種惡劣環(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；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。
●冗余結構：操作員站、系統(tǒng)網絡、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I/O單元都采用可靠的光電隔離技術，使各單元之間和單元與主控單元之間的CPU無任何電氣聯系，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和現場信號側，也提供了隔離措施，可消除由于現場地電位差對系統(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出現故障，在保證安全的前提下，看門狗電路可使模塊復位。
●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)、工程經驗設計的新型RTU產品，是面向工業(yè)現場信號采集和對現場設備控制的新型通用RTU。該系RTU采用先進的32處理器，不僅能完成邏輯運算、定時、計數控制，還能實現數據處理、PID運算、通訊聯網等功能。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；更強大的通訊組網能力和卓越的環(huán)境指標特性，能夠適應各種惡劣工況環(huán)境。
Super32-L系列RTU
·產品特點
●采用32位ARM處理器，嵌入式實時多任務操作系統(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）等通信協議，
●具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口，適用于多種有線和無線網絡。
●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。
●具有看門狗及數據掉電保護功能，可長期保存設定參數及歷史數據。
●大容量存儲空間，滿足就地運算和歷史數據記錄。
●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，適應各種惡劣環(huán)境。
●元器件選用優(yōu)秀的工業(yè)級產品，經過嚴格測試和篩選。
●工業(yè)標準設計，DIN導軌安裝結構，方便現場安裝。
●產品通過CE認證。
●MTBF：500,000h,MTTR≤1h
●支持WEB發(fā)布功能。
 
(本文作者：韓衛(wèi)國 北京安控科技股份有限公司)