天然气调压站智能监控系统的实现

0　前言 　　SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统，其良好的开放性，方便的软硬件组合，完善的硬件支持，强大的通讯功能，友好的人机界面，可以组成功能全面的监控系统。较之传统的DCS集散控制系统在功能上各有所长，但在系统的可扩展性、通讯功能和价格上有无可比拟的优势。 　　天然气是一种优质的清洁能源，发达国家天然气在能源结构中的战略地位早已确立。其利用领域极为广泛，诸如化学工业原料、工业燃料、商业及民用燃料、汽车燃料、集中供热与发电等，是主要的一次性消耗能源之一。我国“西气东输”计划的制定与实施，足见国家对天然气利用的重视，我国虽然起步较晚，但发展势头强劲。 　　在天然气输配管网监视系统的建设中，有很长一段时间我们是全套引进外国的设备和监控系统。这样的结果是价格昂贵、核心技术不能了解，系统开放性差，造成生产数据很难再进一步挖掘开发到以后建设的上一级管理系统，用户选择设备的空间小，软件界面不很符合国人的习惯等一系列不易解决的问题。我们开发的城市天然气调压站智能监控系统就是针对以上不足，使系统具有高可靠性、高性价比、易操作性等优点，达到“四遥”（遥测、遥调、遥讯、遥控）功能。 1　监控系统的要求 1)具备实时远程数据传输通讯功能，生产数据实时传输到指挥调度中心； 2)完善的安全监视及安全防范措施。生产数据自动录入实时分布式数据库； 3)系统具有开放性，与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无逢连接，为生产决策提供依据； 4)系统具有完善的冗余措施； 5)支持多通讯协议； 6)友好易用的中文人机界面； 7)采用模块化结构，灵活的工业组态，便于维护、扩充和升级； 8)高性能价格比。 2　监控系统的软硬件结构 　　采用三级监控：指挥调度中心、站级监控、现场级监控，各级之间采用多种通讯方式，这样可以实现集中管理、分散控制的目的，保证监控的实时性，同时还可以避免一个站点出问题影响到其它站点，有效合理的分散系统风险，提高系统整体稳定性。 2.1　系统配置 　　为确保监控系统的安全性和可靠性，本系统所有硬件均采用工业级产品和符合燃气行业标准的设备。 SCADA主机：工控机（P4 1.8GHz/256M/40G/工业PCI 485卡） 数据采集设备：GE 90-30系列PLC和VersaMax作RTU； 电源系统：正常市电 + APC UPS（4kVA，2小时）+ 柴油发电机 系统软件：Microsoft Windows Server 2000 工业组态软件：Intellution iFix 3.0 中文版 开发工具软件：Borland DELPHI 6.0 2.2　硬件接口 　　现场仪表传送的信号除了标准的4～20mA模拟量信号、PT-100热电阻温度信号、24VDC直流开关量信号还有通过RS-485通讯的数字编码信号。燃气行业对防爆要求较高，每一信号回路都必须装防爆安全栅。 1）压力、差压信号为4～20mA模拟量信号，直接通过4～20mA安全隔离栅进入PLC或RTU的4～20mA模拟量输入模块。 2）PT-100热电阻信号根据点数的多少有两种方法接入：点数少时，选用带信号转换功能的热电阻变送器或选用热电阻信号安全隔离栅，变换为4～20mA标准信号接入，这样不用再购买价格较贵的RTD温度信号输入模块；点数较多时，选用专用温度信号输入的RTD输入模块，这样可以直接接入热电阻信号，不用每路都加变送器。当然这些都是从节约成本来考虑，性能上差别不大。 3）流量信号孔板流量计出来的是4～20mA差压信号，按4～20mA标准信号处理。大多数涡轮流量计都提供4～20mA的流量信号，但不少国外进口的只提供脉冲信号或RS-232/485信号，由于RS-232/485信号可以在一路信号线上传送多个参数，且是数字编码信号，不易受外界干扰，所以国内的一些智能涡轮流量计厂家已同时提供RS-232/485信号接口。我们可以通过DDE（动态数据交换）或OPC（OLE for Process Control，对象链接和嵌入技术在过程控制上的应用）方式，在SCADA主机上安装DDE Server或OPC Server，就可以将信号采集到iFix组态软件。 4）阀位开关量信号经24VDC开关隔离栅接入24VDC开关量输入模块。 5）可燃气体泄漏报警，信号先接入其专用控制器，再由控制器送出24VDC报警信号到PLC的开关量输入模块。 6）PLC与SCADA主机之间的连接可以通过RS-232/485串口，也可以通过以太网接口，使用串口通讯只能进行一对一的通讯方式，而以太网口可以进行一对多的通讯方式。考虑到系统的可扩展性，我们采用100M以太网连接。 2.3　远程通讯 1）远程RTU接入SCADA系统 有两种方法：一种是在主PLC加装RTU通讯模块，由RTU通讯模块对远程RTU进行连接。优点是连接成功后，可以象读写本地PLC地址单元一样操作，缺点是RTU通讯模块价格较贵，参数设置烦琐；另一种是直接通过RS-232口连接到SCADA主机，用工业组态软件的modbus通讯访问远程RTU，这种方式组态方式灵活，实现成本低。 两种接入方法对传输介质都有较好的支持，都支持直连、无线、电话拨号等连接方式，但在RTU从站数量较多的情况下，用modbus连接就具有较大的优势。 2）远程访问SCADA系统 SCADA系统采集的数据需要上传到上一级管理系统，供其它系统访问。我们使用的是以太网通讯协议，所以只要符合以太网通讯协议的通讯方式都可以使用，比如，光纤、铜缆、双绞线、无线、专用和公用数据网等。考虑到传送的数据量大小、数据的可靠性和通讯成本，我们选择向电信局租用64k的DDN专线的方式，连接到指挥调度中心机房的100M以太网上。 3　软件编制 　　软件开发以Intellution公司的iFix 3.0组态软件为核心，Borland公司的Delphi 6.0为开发工具。iFix组态软件以通讯功能强、硬件支持丰富等特点在工控界享有盛誉，Delphi软件则是一种优秀的软件开发工具，对硬件、通讯、数据库、代码优化等方面的都有较好表现。 　　本系统从编程技术分三部分实现 3.1　iFix组态软件开发 　　安装与硬件对应的I/O Driver，由于iFix对硬件的支持很好，因此，几乎常用的PLC都有其专用的驱动程序，远程RTU则使用modbus驱动程序，在iFix的驱动程序配置中很容易完成。接着在iFix的I/O点定义中，根据现场仪表的量程，配置好设备点，定义与PLC和RTU输入/输出点对应关系，数据量程转换和报警极限，数据登录数据库的时间等内容。 　　良好的中文人机界面是监控系统的重要功能，本系统设计的操作界面有： ●现场工艺界面，显示门站的管道设备工艺，并实时显示重要工艺参数； ●实时参数界面，兼顾操作人员的操作习惯，将所有工艺参数以传统表格的形式显示出来； ●趋势图，分实时趋势图和历史趋势图，实时趋势图反映某一参数或某组参数当前变化的趋势，历史趋势图则反映过去每一时间或时间段的参数变化趋势； ●供电状况图，以供电电路图的方式，通过对各单元回路的供电信号检测，确定某一控制单元或设备的正常供电、发电机供电、工作或停用等状态，实时显示各控制单元的供电状态； ●报警窗口，监控系统发生报警时，根据预先设定的报警级别高低和优先级，将报警信息以中文的形式显示在报警窗口。对于重要参数的报警，还以语音的方式同时发出报警信号。所有报警信号必须经操作人员手动确认后，才会从报警列表中除去，否则，曾经发生报警的信息将一直保持在报警列表中； ●查询/报表窗口，查询功能以间隔10分钟，对2年内的历史数据进行连续查询显示，报表功能将在下面进行介绍。 ●在每一界面的公共区，均能显示比如进出口压力、温度、流量等重要工艺参数，以及最近的一条报警信息。 　　可靠性是工业控制的一个重要指标，对于系统正常停机，在下一次开机事，数据必须恢复到停机时的状态；对于异常停机，比如某种原因造成的突然系统停电，监控系统突然崩溃等灾难性突发事件，下一次开机时，系统通过灾难故障恢复机制，可以把数据自动恢复到停机前的最近整半时刻的状态。数据每月以文本文件形式，备份到备份文件中，形成档案数据。对报警、操作员操作记录、权限等都通过日志进行登记，方便事后分析。 3.2　硬件接口程序开发 　　智能涡轮流量计使用RS-485接口，由于厂家无法提供DDE Server或OPC Server驱动程序，我们根据厂家提供的与流量计通讯的命令格式，用Delphi编程语言开发了该设备的DDE Server驱动程序。当然，只要加上OPC开发工具包也可以开发出OPC Server，主要从成本考虑，DDE方式也完全满足需要，我们没有必要再购买OPC开发工具包。本驱动程序在系统启动时，自动后台运行。 3.3　中文报表开发 　　中文报表是本系统的一大特色，对于常用的组态软件，不论其它功能多么全面，对于国人的思维习惯，其自身的报表功能始终无法满足我们复杂、二维的中式报表要求。 　　开发中根据用户提出的报表式样，使用Delphi语言，结合Microsoft Excel 2000强大的电子表格功能，开发了符合国人习惯的中文报表模块，嵌入到iFix系统中。实时计算天然气的瞬时标方流量、总累计量和累计加臭量。每天8：00整，计算出上日输气量，并按每1小时统计一次生成上一天生产日报表。每月一日，计算出上月输气总量，日均输气量，最大压力、最小压力、平均压力、最高温度，最低温度、平均温度等数据，生成生产月报表。所有报表都可以通过打印机打印出来，完全可以取代手工记录的报表。 4　系统特点 1)可选择软硬件的空间大，在我们提供的推荐配置基础上，用户可以根据自己的资金和实际情况，在组态软件、现场仪表、数据采集器等软硬件方面，选择不同档次的产品进行软硬件的集成，充分尊重用户的意愿。 2)系统开放性强，可以与上一级应用的联网收费系统、地理信息系统和办公自动化系统实现无逢连接，为更深层次的数据挖掘，打好