一．前言
現(xiàn)今社會(huì)環(huán)境質(zhì)量問題已成為影響民生的重要因素之一，成為影響人民生活幸福感的重要指標(biāo)。天然氣因其相較煤炭、石油等能源而言，具有使用安全、熱值高、潔凈等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，被稱為“清潔能源”，已成為當(dāng)前重要能源之一。
天然氣主要存在于油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣中，也有少量出于煤層。最初開采上來的天然氣被稱為原料氣，通常在原料氣中含有硫化氫、二氧化碳、水和其他各種硫化物以及機(jī)械雜質(zhì)。其中硫化氫和二氧化碳都成為酸性氣體，在水的存在下能生成酸或者酸性溶液。將會(huì)對(duì)管道等設(shè)備發(fā)生腐蝕作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞管道，同時(shí)未經(jīng)凈化的天然氣泄漏到外界也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此需要對(duì)原料氣進(jìn)行凈化，使其成分符合最終使用標(biāo)準(zhǔn)。
二．系統(tǒng)概述
目前最終用戶是一個(gè)以天然氣采集、天然氣凈化輸送、天然氣精細(xì)化工生產(chǎn)為主的生產(chǎn)型企業(yè)。擁有10余口天然氣井、1家160萬立方米/日的天然氣凈化廠、1座儲(chǔ)氣站、4座調(diào)壓站、4座配氣站（包括1座門站）和數(shù)10公里的天然氣傳輸管網(wǎng)。從數(shù)據(jù)采集的角度，公司擁有凈化廠DCS控制系統(tǒng)3套，另有天然氣儲(chǔ)氣站、CNG加氣站PLC數(shù)據(jù)采集裝置，天然氣井場、天然氣傳輸管網(wǎng)等。但是這些場站或分廠分布在方圓100余平方公里的丘陵和山區(qū)，各自相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行，單獨(dú)負(fù)責(zé)裝置的監(jiān)控和計(jì)量工作，個(gè)別裝置尤其是天然氣采氣井還沒有數(shù)字化，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。現(xiàn)場生產(chǎn)信息的管理還是停留在各自的分廠、場站，數(shù)字信息沉淀在現(xiàn)場，不僅各個(gè)控制系統(tǒng)之間缺乏有效的信息溝通和綜合的信息處理能力，而且無法上傳有效的現(xiàn)場信息。公司領(lǐng)導(dǎo)遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場，對(duì)現(xiàn)場情況的獲取渠道主要是人員匯報(bào)、部門報(bào)表和現(xiàn)場視察，所獲取的信息基本上是“過去時(shí)”，不利于對(duì)現(xiàn)場工作的管理和公司天然氣資源統(tǒng)一調(diào)度。因此亟需搭建一整套生產(chǎn)調(diào)度與安全監(jiān)控系統(tǒng)，滿足當(dāng)前信息化和工業(yè)化的高層次深度結(jié)合的新需求。
本系統(tǒng)以天然氣輸配管網(wǎng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)為核心，主要監(jiān)控天然氣凈化廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)工藝，采用流行可靠的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的二級(jí)式分布式控制系統(tǒng)。調(diào)度中心為系統(tǒng)控制管理級(jí)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和監(jiān)控，分布于輸配管網(wǎng)的遠(yuǎn)程RTU為系統(tǒng)過程控制級(jí)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，二級(jí)系統(tǒng)通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合在一起構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)和生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)是保證天然氣輸配管網(wǎng)安全、可靠、平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
三．系統(tǒng)架構(gòu)
天然氣凈化廠生產(chǎn)輸配調(diào)度系統(tǒng)是以現(xiàn)場儀表、力控ForceControl系列監(jiān)控組態(tài)軟件、力控pSpace實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫、SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫、以及RTU模塊為核心并采用以太網(wǎng)交換機(jī)、路由器、防火墻等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)分布式計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
系統(tǒng)通過調(diào)度中心集中監(jiān)視和控制天然氣輸配管網(wǎng)的運(yùn)行、管理與維護(hù)。在每個(gè)站點(diǎn)的本地實(shí)現(xiàn)實(shí)際流程控制和設(shè)備保護(hù)功能，并可從調(diào)度中心和場站進(jìn)行監(jiān)控。
3.1調(diào)度中心
調(diào)度中心提供系統(tǒng)的全部功能，實(shí)現(xiàn)在調(diào)度中心通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控天然氣凈化廠、場站、天然氣輸配管網(wǎng)的運(yùn)行情況。配備冗余配置的企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫pSpace Server做為SCADA實(shí)時(shí)服務(wù)器負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)、管理從凈化廠、場站、輸配管網(wǎng)各遠(yuǎn)程站點(diǎn)傳送來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)又為網(wǎng)絡(luò)中的其它服務(wù)器和工作站提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。雙機(jī)冗余架構(gòu)使得數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)備份增加了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。歷史數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮處理后存放在pSpace Server歷史庫中，也可以通過ODBCRouter寫入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 中。同時(shí)配備SCADA服務(wù)器運(yùn)行通信管理軟件，可完成與各遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通信鏈接、協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)。另外單獨(dú)配備WEB服務(wù)器專門用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，即可實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)遠(yuǎn)程客戶瀏覽，又避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)直接遭到網(wǎng)絡(luò)黑客、病毒攻擊所帶來的安全隱患。
為了便于工作人員實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場情況，調(diào)度中心配備工程師站以及操作員站，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場工藝畫面，并且可直接接到控制中心大屏幕予以顯示。調(diào)度中心采用冗余的10/100Mbps 快速交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為TCP/IP，通訊介質(zhì)為5類雙絞線。系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)按功能劃分分別運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)中不同的服務(wù)器中（SCADA服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等），其它客戶機(jī)（操作員工作站、工程師工作站、管理員工作站等）通過網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)器資源。基于這種框架的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可合理利用網(wǎng)絡(luò)資源，減輕了單臺(tái)服務(wù)器的工作和通訊負(fù)荷，同時(shí)也可避免由于單臺(tái)服務(wù)器的故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓問題，保證系統(tǒng)上層網(wǎng)絡(luò)高速穩(wěn)定運(yùn)行。
3.2遠(yuǎn)程監(jiān)控站
凈化廠、配氣站（含門站）、儲(chǔ)備站、場站等為本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控站，裝有獨(dú)立的控制裝置采集現(xiàn)場儀表信號(hào)，遠(yuǎn)程站點(diǎn)接受中心下達(dá)的指令和向中心傳遞信息；同時(shí)它們也是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制站，配備有力控就地監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，在本地配備工作站或顯示終端，具有就地控制顯示功能。對(duì)于已經(jīng)建設(shè)流量計(jì)算機(jī)的配氣站，暫時(shí)以流量計(jì)算機(jī)作為RTU功能，通過TCP/IP等通訊方式將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送給調(diào)度中心。
針對(duì)地理位置較為偏僻的遠(yuǎn)程監(jiān)控站，采用GPRS無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此種方式無需專門架設(shè)通信線路，輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與下置。
四． 系統(tǒng)功能
整套系統(tǒng)對(duì)集團(tuán)公司整個(gè)天然氣輸配管網(wǎng)、場站、凈化廠的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度并對(duì)工藝對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及工藝過程和重要設(shè)備的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、制定輸送計(jì)劃、計(jì)量管理等一系列任務(wù)。調(diào)度中心的操作人員通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作員工作站所提供的各場站工藝過程的壓力、溫度、流量、液位信號(hào)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，完成對(duì)整個(gè)輸配管網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)控和調(diào)度管理。系統(tǒng)具有靈活、易于學(xué)習(xí)和操作的人機(jī)界面，開放型的歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使其在投產(chǎn)之后提供給用戶一個(gè)良好的開發(fā)和使用環(huán)境，其主要功能如下：
●實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、歸檔、管理以及趨勢(shì)顯示及工藝流程的動(dòng)態(tài)顯示。包括現(xiàn)場溫度、壓力、壓差、容積、液位PID調(diào)節(jié)參數(shù)及給定值的設(shè)定；球罐區(qū)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，管網(wǎng)輸配運(yùn)行數(shù)據(jù)等；并且所有工藝流程均可動(dòng)態(tài)顯示。
●各個(gè)場站監(jiān)控平臺(tái)均可執(zhí)行SCADA系統(tǒng)控制中心發(fā)送的調(diào)度和操作指令，并向調(diào)度中心發(fā)送帶時(shí)間標(biāo)簽的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的同步性。
●現(xiàn)場可燃?xì)怏w的監(jiān)測和報(bào)警顯示、管理以及事件的追憶、查詢、打印。同時(shí)具備事件記錄功能，管理人員可隨時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，根據(jù)事件記錄將事件責(zé)任落實(shí)到具體操作過程或者設(shè)備故障等。
●系統(tǒng)具備歷史數(shù)據(jù)的管理、存貯功能，根據(jù)不同需求生成生產(chǎn)報(bào)表，并且實(shí)現(xiàn)查詢打印功能,可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史曲線。
●系統(tǒng)結(jié)合先進(jìn)的控制策略具備天然氣流量計(jì)算、輸配優(yōu)化調(diào)度管理功能，并且可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)ERP、MIS等系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
●系統(tǒng)遵循嚴(yán)格的用戶控制權(quán)限管理體制，具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視及管理功能，針對(duì)不同級(jí)別的操作人員設(shè)定不同的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)安全可靠管理。
●分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)通信監(jiān)視及管理和主備信道的無擾切換，具備系統(tǒng)自診斷和故障分析處理能力。遇有緊急情況可自動(dòng)緊急切斷故障源，對(duì)系統(tǒng)起到安全保護(hù)作用。
●高效的網(wǎng)絡(luò)配置可實(shí)現(xiàn)與上級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信及數(shù)據(jù)共享，良好的開放性為日后的系統(tǒng)擴(kuò)容預(yù)留了足夠的接口。
五．結(jié)語
本系統(tǒng)利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將地理位置分散的門站、加氣站、調(diào)壓/計(jì)量站有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)公司在生產(chǎn)過程監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度指揮、安全系統(tǒng)的集中管理，在消除信息孤島的同時(shí)也為領(lǐng)導(dǎo)決策，安全運(yùn)行與聯(lián)合調(diào)度提供可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。從而更好的提升公司在運(yùn)營自動(dòng)化、管理現(xiàn)代化的水平。
