SCADA系统在天然气输送中的应用.docx
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SCADA系统在天然气输送中的应用
毕业设计（论文）报告
课题名称
SCADA系统在天然气输送
院/专业
班级
学号
学生姓名
指导教师：
2011年05月20日
SCADA系统在天然气输送中的应用
摘要
随着城市现代化建设的发展,城市燃气管网的规模逐步扩大,用户的种类、数量不断增加,传统的人工调度管理方法已不适应于现代化、大规模的生产和管理的要求。
为了加快科技进步,保证燃气安全生产、合理分配、优化调度、使决策者能够及时掌握当前管网运行情况,燃气管网优化设计等,自动化应用到天然气的输送中将提高其效率及降低工作难度，以及便于远程控制。
SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisitionSystem）的出现，大大对分布距离远，生产单位分散的生产系统以及危险区域的一些数据采集、监视和控制得到了很好的改善。
因此，本人选择制作输送天然气场站SCADA系统为课题加以研究。
关键字：
天然气输送SCADAPLC远程控制
Abstract
Alongwiththecitymodernizationdevelopment,thecityfuelgaspipenetworkscaleexpandsgradually,user'stype,quantityincreaseunceasingly,thetraditionalmanualdispatchmanagementdidnotadaptinmodernized,thelarge-scaleproductionandthemanagementrequestinordertospeeduptheadvanceintechnology,guaranteedthefuelgassafetyinproduction,therationaldistribution,theoptimizeddispatch,willenablethepolicy-makertokeepabreastofthecurrentpipenetworkmovementsituationpromptly,thefuelgaspipenetworkoptimizethedesignandsoon,theautomationapplythenaturalgasinthetransportationtoenhanceitsefficiencyandtoreducetheworkdifficulty,aswellaswillbeadvantageousforthelong-distancecontrol.SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisitionSystem）theappearance,isawayfromgreatlytothedistributionfar,theproductionunitdispersestheproductionsystematicaswellasthedangerousregionsomedataacquisition,thesurveillanceandthecontrolhadtheverygoodimprovement.Therefore,IchoosethemanufacturetransportationnaturalgasairfieldSCADAsystemtostudyforthetopic.
Keywords:
NaturalgasSCADAPLCLong-distancecontrol
目录
第1章SCADA系统简介6
1.1SCADA系统简介6
1.1.1SCADA系统概述6
1.1.2SCADA系统发展历程6
1.1.3SCADA系统发展瞻望7
1.2SCADA系统控制7
1.2.1调度控制中心级7
1.2.2站场控制级7
1.2.3现场控制级7
1.3SCADA系统主要功能及构成8
1.3.1调控中心功能及构成8
1.3.2站控系统功能及构成9
1.3.3SCADA系统网络构成10
1.4控制系统的实现10
1.4.1控制系统结构10
1.4.2监控中心组成和功能11
第2章顾山输气站自控系统设计12
2.1设计目标及原则12
2.2硬件设计12
2.2.1站控系统硬件结构12
2.2.2站控系统硬件设备清单13
2.2.3站控系统PLC模块清单13
2.3软件设计14
2.3.1顾山站控系统I/O点数分配15
2.3.2顾山站站控系统PLC配置16
第3章顾山输气站站控SCADA软件系统18
3.1系统软件操作界面18
3.2顾山分输站仪表设备清单19
3.3顾山站工艺流程图20
3.4流量数据显示21
3.5变送器维护与ESD命令22
3.6长输管线图23
3.7参数一览23
3.8报警显示25
3.9参数曲线25
3.10数据查询27
3.11远程控制的实现28
3.12系统特点29
第4章SCADA系统的维护30
4.1系统备份与维护30
4.2数据库备份30
4.3系统常见故障分析及注意事项32
4.3.1系统常见故障及分析32
4.3.2注意事项33
4.4PLC维护34
结束语36
谢辞37
参考文献38
第1章SCADA系统简介
1.1SCADA系统简介
1.1.1SCADA系统概述
SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。
SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。
1.1.2SCADA系统发展历程
SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系统，全名为数据采集与监视控制系统。
SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。
SCADA系统发展到今天已经经历了四代。
第一代是基于专用计算机和专用*作系统的SCADA系统，这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时开始到70年代。
第二代是80年代基于通用计算机的SCADA系统，在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。
第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。
90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/SCADA系统称为第三代。
第四代SCADA/EMS系统，该系统的主要特征是采用Internet技术、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术等技术，继续扩大SCADA/EMS系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。
1.1.3SCADA系统发展瞻望
SCADA系统在不断完善，不断发展，其技术进步一刻也没有停止过。
当今，随着电力系统以及铁道电气化系统对SCADA系统需求的提高以及计算机技术的发展，为SCADA系统提出新的要求，概括地说，有以下几点：
1）SCADA/EMS系统与其它系统的广泛集成
SCADA系统是电力系统自动化的实时数据源，为EMS系统提供大量的实时数据。
同时在模拟培训系统，MIS系统等系统中都需要用到电网实时数据，SCADA系统与电能量计量系统，地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成成为SCADA系统的一个发展方向。
2）变电所综合自动化
以RTU、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。
3）专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用
利用这些新技术模拟电网的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策软件，由专家系统根据不同的实际情况推理出最优化的运行方式或出来故障的方法，以达到合理、经济地进行电网电力调度，提高运输效率的目的。
4）面向对象技术、Internet技术、及JAVA技术的应用
面向对象技术（OOT）是网络数据库设计、市场模型设计和电力系统分析软件设计的合适工具，将面向对象技术（OOT）运用于SCADA/EMS系统是发展趋势。
1.2SCADA系统控制
输气管道的SCADA系统常采用管理集中、控制功能分散的分布式控制方式，一旦通信系统或调度控制中心设备故障，各站仍能独立地运行。
一个完整的输气管道SCADA系统一般可分为三级控制：
调度控制中心级、站场控制级和现场控制级。
1.2.1调度控制中心级
调度控制中心是SCADA系统的核心，承担着对SCADA系统进行管理、集中数据处理、监控和数据交换控制等功能，同时实现管道在线模拟、运行优化、计量管理、模拟培训等任务，具有良好的适应性、灵活性和扩展性。
在调度控制中心可完成对各个增压站、分输站等站场的数据汇总、数据存储、组态显示、远程控制、远程视频监控等工作。
调度控制中心能够进行信息发布，授权用户可以通过网络对生产数据进行查看、浏览、甚至控制；技术人员可通过调度控制中心对各站场的生产参数进行远程设置、远程组态，完成对管道全线的远程监控和统一调度管理。
调度控制中心主要由SCADA主机系统、操作员接口、应用计算机系统、通信设备等组成，它通过信道与分布在管道上各站场的控制系统相连。
1.2.2站场控制级
站场控制系统（站控系统）是保证天然气管道系统安全操作的基础，它通过现场仪表或成套控制设备检测和处理压力、温度、流量以及运行状态等相关数据，并控制相应阀门，同时向调度中心传送必要的数据并接受调度控制指令。
站控系统以结构简单，控制逻辑修改简单、扩展性好、可靠性高、通讯方便为设计原则。
对站控系统来讲保持站内设备与人身安全是特别重要的。
自控系统的检测仪表、操作逻辑和控制设备在设计时应充分考虑它们故障或维护时可能带来的危害。
站控系统完成以下主要功能：
现场数据的采集、存储和处理；各职能子系统的监控；显示动态
工艺流程、有关参数和报警、人机对话窗口；显示实时趋势曲线和历史曲线；压力、流量控制；
ESD、站控逻辑控制；压缩机组的监控、打印报警和事件报告、打印生产报表、执行控制中心发送的指令、向控制中心发送带时间标志的实时数据、数据通信管理。
输气干线首站、支线首站、气体接收站作为调压计量站主要是接收天然气，向输气干线输送符合管输标准的气体。
1.2.3现场控制级
现场控制主要是指对工艺单体或单台（套）设备进行手／自动就地独立的操作。
输气管道现场仪表的性能和正确的设置直接影响对工艺参数检测的准确性和实时性。
一个性能优良的检测仪表能及时可靠地反映工艺参数变化，准确无误地提供给控制系统进行运算和判断，它是实施控制策略的依据。
输气管道的压力一般都在10MPa以下，并且在无凝液条件下运行，所以大多数常规仪表都可适用。
仪表检测回路一般按隔爆系统设计，也可按本系统设计。
1.3SCADA系统主要功能及构成
1.3.1调控中心功能及构成
调控中心是SCADA系统的最高控制层．负责整个管道运行的控制和管理。
如图1.3.1所示：
图1.3.1调控中心结构示意
图中调控中心设有工程师站、操作员站、调度员站、模拟仿真工作站、培训工作站、投影仪工作站。
工程师站完成整个SCADA系统的管理、维护和根据生产需要进行的开发工作。
不参加生产运行管理；操作员站控制整条管道的运行．完成对各个站场生产数据的监控和生产运行管理工作：
调度员工作站完成生产调度工作．依据生产运行指标通过操作员站下达调度指令．并随时控制生产运行情况。
处理紧急事件：
模拟仿真工作站与模拟仿真服务器配合．通过管道高级仿真应用软件对管道运行情况进行模拟仿真。
为生产调度提供依据；培训工作站完成对工作人员的培训工作：
投影仪工作站控制调度中心大屏幕的控制功能．完成各个站的监控电视的呈现和必要事件的大屏幕显示功能。
调控中心配有2台互为冗余的实时服务器。
安装实时Versant对象数据库．通过SCADA系统
的TCfyIPLAN从各个输气站服务器上实时读取和发送生产数据。
处理能力超过10000点I／O的能力，同时具有存储历史数据功能：
配有1台历史数据服务器安装Oracle历史数据库管理系统．对历史数据进行存储和管理：
配有WEB服务器用于对外发布系统生产信息．WEB服务器通过网络不断与2台SCADA实时数据服务器通信．将扫描到的参数送人自身数据库中．并通过WEBSERVER实现用户对SCADA的相关信息的浏览访问。
为了确保SCADA系统各部分实现时钟同步．调控中心服务器内置FEP通讯前置实现时钟同步。
通过美国Turetime公司高精度的GPs系统为SCA．DA系统注入标准时钟信号。
通过NTP协议．利用DNP3．0通信协议的时间传输功能．控制中心和各场站间的时间同步在10ms内．
调控中心采用了Invensys公司的I／ASCADA系统软件。
它是基于UNIX的Solaris操作系统。
客户操作端可选择安装在Windows2000操作系统下，具有完整的数据库管理功能．并具有图形组态编辑器．为客户操作端提供结合生产需要的人机交换界面．
1.3.2站控系统功能及构成
站控系统由互为冗余的PLC、操作站、流量计算机、10设备和网络通信设备构成。
见图1.3.2：
图1.3.2站控系统结构示意图
结构图中站控系统核心为PLC。
通过PLC定期扫描流量计算机和IO设备获取生产数据．再由PLC通过网络将数据传输给操作站和调控中心：
操作站和调控中心的控制命令也是通过网络传给PLC．由PLC执行命令。
站控系统PLC采用了双机热备机构，以提高站控系统可靠性。
PLC采用了高性能的机交换界面．图1.3.1调控中心结构示意施奈德的QuantuIn系列67160PLC．其中网络模块、PLC内部网络、电源模块全部采用了冗余配置。
扫描速率达到0．3ms／K。
操作员站由1台工业计算机构成．安装Won—derwareIntouchHMI软件．根据各个站的生产和工艺需要进行组态。
操作员站与PLC通信。
获取生产数据信息和发送指令，并根据需要显示、记录生产数据，判断生产状况。
发出报警。
流量计算机为超声波流量计．通过串行接口与PLC通信。
IO设备主要与现场的压力变送器、温度变送器、电动球阀、电动调压阀连接．采集数据和执行PLC命令。
1.3.3SCADA系统网络构成
调控中心与各站控系统局域网采用以光缆通信为主通信线路（光缆为管道同沟敷设的光缆）构成光纤网。
针对光缆铺设的光纤网星型结构，DDN（公网）通信为辅助通信线路构成有线网。
1.4控制系统的实现
系统包括场站自动化、输配调度自动化系统（SCADA系统）、公司计算机管理系统。
其中，场站自动化系统，采用“分散控制，集中管理”的控制原理:
调度自动化系统采用分布式控制系统，把直接数字控制（DDC）、监控及数据采集（SCADA）、远程终端（RTU）和调度管理（Management）、MGS通讯、有线电话（备用）等有机地融合为·体，组成调度管理自动化系统。
1.4.1控制系统结构
控制系统结构如图1.4.1所示：
图1.4.1远程RTU/门站/储配站/指挥中心网络数据连接拓扑图
RTU的系统结构，既可分散式安装、又可集中组屏，其设计思想符合国际电工委员会IEC关于变电站自动化系统的规定要求，也可满足老站改造，对己经具有远动RTU和变送器的厂站可以最大限度地保留原有设备，以节约开支，因此可以保证系统很容易进行再开发。
集中式结构:
交流采样、遥控、遥信子系统集中组屏。
间隔级分站:
智能电子装置、电度表、微机保护系统等可真正做到功能上的分布和地理上的分散。
多CPU结构、多功能的模块化处理，可实现灵活数据处理和高速度的运算，也可非常简单任意组合实现多功能组合。
内部网络管理:
可靠、高速实现数据的流向，外部公开网络、RS485/232串行口，可实现多种规约，多种动态智能接口。
系统由公司调度控制中心和远程外围子站组成。
公司调度控制中心站，采用“客户机一服务器”结构的局域网（LAN）,网络采用loom以太网，遵循TCP/IP传输协议。
1.4.2监控中心组成和功能
天然气管理输配调度无线通信SCADA系统的控制中心主要由主控机、后备机、服务器、大屏幕多媒体投影机、电台、铁塔及天线等组成。
监控中心主要完成以下功能:
①大屏幕多媒休投影机动态显示SCADA系统中每一个RTU地图中所处位置及该站点的工作状态和实时参数（包括各条线路的交流电压、电流、功率、电度表读数、亮灯率等）。
②根据该城市所处经纬度及日出日落时间，制定出对应全年的每日开/关灯时间曲线以实时控制路灯的通/断;另外可由控制人员结合具体情况，修改开/关灯时间，并传送给RTU控制。
③定时巡检/定点检测RTU，通过无线Modem获取RTU返回的开关状态、数据参数及报警码。
④在巡检过程中，若发现故障或参数越限，可进行声光报警，并在大屏幕土动态显示以该站点位置为中心的放大地图及相应的工况、实测数据及故障形式。
⑥数据处理、存储及报表打印功能。
第2章顾山输气站自控系统设计
2.1设计目标及原则
系统应具备高可靠性和尽可能强的系统能力，包括：
数据采集、安全监控、系统调节控制、系统自动诊断、对生产区内可燃气体泄漏进行监测报警等功能。
站控系统在实时接受调度中心监控的同时，还应具备足够的自我支持运行能力，以确保系统的可靠性。
调度控制中心的调度和操作人员能通过操作员工作站提供的管道系统工艺过程的压力、温度、流量、水分含量等信息，完成对管道全线的监控及运行管理。
本系统主要为顾山输气管道而设计，在设计时需要考虑并实现在保证安全可靠的同时，能充分利用原有资源。
2.2硬件设计
2.2.1站控系统硬件结构
整个系统的软件建立在MicrosoftWindows2003/XP的平台上。
在选择所采用的控制设备时，首先要考查现场使用的各种一次仪表。
现场采用的仪表主要有：
涡轮流量计、超声波流量计、球阀、调压阀、热敏电阻、压力传感器等。
对这些一次仪表或控制设备，需考查其量程、信号形式、信号输入/输出范围、数量以确定与其相连的二次仪表，从而确定采用什么样的数据采集和流程控制方式。
在最终确定所采用的硬件设备时，需要考虑系统目标。
毕竟解决方案要为系统需求服务。
进行综合考查后，拟采用由计算机、RTU（远程终端单元）、安全栅、继电器、流量积算仪等设备组成的控制系统!
计算机是实现自动化管理的重要设备，其上需要运行监控软件，由它对系统进行统一管理。
RTU标准配置为4个输入/输出模块（DI、DO、AI、AO）,在点数不够时可外接相应的模块；它还带有2个以太网口，可实现本地和远程的高速通信；还具备232/485通信能力。
另外，在RTU中还可以编写简单的程序，实现与计算机的部分冗余控制。
它是计算机与现场仪表的中介。
流量计算机用于测量管道中的流量，并能提供其他参数及短期历史数据。
继电器用于数字量反馈及控制。
天然气站控系统硬件结构如图2.1.2所示。
图2.2.1天然气站控系统硬件结构图
系统的工作过程大致为：
现场仪表采集数据，经安全栅（及继电器）将信号传递到RTU,RTU再通过网络接口连接将数据传递给计算机；计算机对数据进行处理（部分数据由RTU处理）再经RTU实现对现场设备的监视与控制#与流量相关的部分数据经流量计算仪传递给计算机。
2.2.2站控系统硬件设备清单
表2.2.2硬件设备清单
设备名称
数量
厂商
设备型号
双联空开
7
正泰
单联空开
3
正泰
行程开关
1
正泰
三芯插座
1
正泰
AC30-250VAC10A
照明灯
1
国产
220V继电器
1
OMRON
MY2NJ-24VDC
AC/DC电源
1
菲尼克斯
QUINT-PS-100-240AC/24DC/10A
AC/DC电源
1
菲尼克斯
QUINT-PS-100-240AC/24DC/5A
220V电源避雷
1
MTL
ZD14409
24伏电源防雷
1
MTL
ZB90548
220V电源避雷
1
MTL
ZD14409
220V电源避雷
1
MTL
MA15
模拟量防雷栅
3
MTL
2B91333
模拟量防雷栅
2
MTL
ZB24547
PT100防雷栅
2
MTL
开关量3通道防雷栅
13
MTL
2B24542
RS232-RS485转换器
1
ADAM
ADAM-4520
2.2.3站控系统PLC模块清单
表2.2.3PLC模块清单
模块名称
型号
数量
插槽
底板
电源模块
140CPS12420
1
1
主CPU底板
CPU模块
140CPU11303
1
2
RIO模块
140CRP93200
1
3
以太网模块
140NOE77101
1
4
热备模块
140CHS11000
1
5
电源模块
140CPS12420
1
1
从CPU底板
CPU模块
140CPU11303
1
2
RIO模块
140CRP93200
1
3
以太网模块
140NOE77101
1
4
热备模块
140CHS11000
1
5
电源模块
140CPS12420
2
1,2
I/O底板
RIO模块
140CRA93200
1
3
模拟量输入模块
140ACI03000
2
4,5
开关量输入模块
140DDI84100
3
6,7,8
开关量输出模块
140DRA84000
2
9,10
2.3软件设计
软件是整个系统的核心，其质量高低关系到系统的安全性、可靠性及扩展性。
软件用于处理数据、控制设备，并要实现与调度中心的协作，同时它还是人机交互的接口。
在生产工艺和信息处理需求发生变化时，能与需求保持同步。
另外还可实现数据在两者间的无缝交换。
软件的人机接口部分设计为图2.1.3所示:
图2.3人机接口结构示意图
结构示意图中界面上增加导航条，方便各功能间的转换。
张家港末站控制中心主要完成对整个长输管线各个站场的调度控制，同时实时监测站场的所有采集参数。
设备主要包括数据库服务器、DCC操作员站、DCC工程师站、本地SCS工作站、交换机、路由器和相应的DDN、PSTN设备。
监控软件使用Intellution公司的iFix3.5，生产管理软件使用MicrosoftVisualStudio.Net，办公软件使用MicrosoftOffice2003，数据库软件使用MicrosoftSQLServer2000。
2.3.1顾
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