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1、燃气SCADA系统 基础知识培训,上海航天能源有限公司 二0一0年四月,控制技术研究室：王耀生TEL:1E-MAIL:,数据通信系统,SCADA系统特性,SCADA（Supervisor Control And Data Acquisition）燃气监控及数据采集系统，是集测量技术、计算机技术、通讯技术于一体的综合性集成控制系统,可实现燃气管网的实时中央监控和管理调度。,SCADA系统定义,输配的优化调度、故障分析、辅助决策提供科学的手段，它的应用将使燃气生产、输配管理更加安全、准确、高效。,SCADA系统融合了先进的PLC技术、RTU技术、现场总线技术、网络通信技术、数据库技术、SCADA/
2、HMI技术、客户/服务器技术等，能实现对燃气系统的进气、计量、输配、调压全过程的监控、管理和调度，能实现生产信息、管网状况的自动化收集、分类、传送、整理、分析和存储，为管网,SCADA系统简介,SCADA系统发展历程,经历三个阶段：一阶段：80年代初，采用单机控制、专用软件和系统。二阶段：80年代中期到90年代末，采用通用操作系统和工作站，操作系统一 般采用DOS/UNIX，通信采用PSTN、数传电台、专线等。三阶段：90年代末到现在，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SCADA系统。,SCADA系统发展前景,SCADA系统与其它系统的广泛集成；专家系统、模糊决策、
3、神经网络等新技术研究与应用；面向对象技术、Internet技术、及JAVA技术的应用；,SCADA系统由三部分组成：第一部分：数据采集系统，也成为站控系统；第二部分：过程监控与管理系统，即调度中心（MCC）；第三部分：数据通信系统，包括上位机网络系统、下位机网络系统一及将 上、下位机系统连接的通信网络。,天然气利用工程SCADA系统方案,站控系统 站控系统由现场仪表、控制器和开发的应用软件组成。,现场仪表 现场仪表主要包括传感器、变送器、就地显示仪表、智能仪表及执行机构，主要负责检测、测量现场站点的运行参数并控制现场设备。,站控器 控制器一般由通信模块、电源模块、CPU模块、IO模块及附件组成
4、，常用控制器有可编程逻辑控制器(PLC)和远程控制模块（RTU）。常用的小型PLC产品有SIEMENS S7-200、AB FLEXLOGIX、施耐德 Premium等；中型PLC产品有SIEMENS S7-300，AB SLC500、施耐德M340等；大型PLC产品有SIEMENS S7-400,AB Controllogix5000,施耐德的Quantum等。常用的RTU有美国SIXNET公司系列产品、美国爱默生过程管理公司ROC800产品、北京安控SUPER系列产品。,下述情况易引起设备雷击损坏：电阻耦合引起的感应雷：直击雷经过接闪器（如避雷针、带）直接泄放入地，导致防雷接地网电位急剧上
5、升，对附近的其他低电位地网、设备产生反击电流；电感耦合引起的感应雷：雷电流沿引下线入地时，在引下线周围产生强大的磁场，引下线周围的各种金属管（线）上经感应而产生过电压、过电流；,电容耦合引起的感应雷：进出大楼的电源线和信号线，受直击雷或感应雷影响而加载的过压过流；空气开关动作，大型用电设备，如电焊机、马达工作，其产生的电磁干扰在附近电源、信号回路中产生过电压、过电流。,防雷系统,与电信公网的连接处；供电系统的连接处；与其他系统的通信接口；站场内的模拟量及开关式仪表的开量；ESD系统的所有I/O点。,防雷安装位置,数据通信系统 通信系统实现了SCADA系统的数据通信，燃气SCADA系统特点是监控
6、站点分布分散，通信多样性，包括无线GPRSCDMA、卫星通信、有线有光纤、专线等。,调度中心（MCC）MCC负责对整个燃气管网进行输配调度管理、安全监控、数据分析等功能。MCC由硬件和软件组成。MCC硬件包括：服务器、工作站、网络设备、打印设备等 MCC软件包括：操作系统、SCADA软件、数据库软件、报表分析软件等,定义 SCADA系统及其他控制系统的人机界面的开发平台，为用户提供快速地构建数据采集和实时监控功能服务。,通用组态软件结构,SCADA软件平台选择 目前主要SCADA系统软件根据运行平台的不同分为两大类：一类是运行于UNIX/LINUX平台的 SCADA系统软件，该类软件目前在燃气
7、行业应用的主要有美国TRANSDYNC DYNAC软件、加拿大TELVENT平台软件。另一类是运行于WINDOWS平台的SCADA软件，该类软件目前在燃 气行业主要有SIEMENS WINCC、GE、IFIX。该两类SCADA系统平台软件各有特点，以下就从其价格、性能、维护等几个方面进行比较：价格方面：运行于UNIX/LINUX上平台软件价格一般比 WINDOWS平台软件贵很多；,性能方面：运行于UNIX/LINUX平台软件一般稳定性能比较好，其很少受到病毒或黑客的攻击，因此运行一般都很稳定，尤其是服务器端，而运行于WINDOWS平台软件无论是服务器端还是客户端都易受到病毒或外界的影响。因此U
8、NIX/LINUX平台软件安全性、稳定性、可靠性要高。维护方面：由于WINDOWS操作系统一般比UNIX/LINUX容易掌握，因此对于用 户来说基于WINDOWS 平台软件比UNIX/LINUX平台软件好维护。通过以上比较，大的燃气SCADA监控系统，由于对系统安全性、稳定性要 求高，建议采用基于UNIX/LINUX SCADA平台软件。而对于小的燃气SCADA 系统采用基于WINDOWS SCADA平台性价比更高。,SCADA软件平台功能部件人机界面系统实时数据库设备组态与管理 网络应用与通信系统系统安全与用户管理脚本语言运行策略,SCADA软件技术特点简单灵活的可视化操作界面实时多任务特性
9、强大网络功能 高效通信的能力接口的开发性多样化的报警功能良好的可维护性,丰富的设备对象图库和控件丰富、生动的画面,数据通信系统,数据通信系统分类无线通信有线通信网络通信,数据通信系统,数据通信系统分类无线通信:无线电台、微波通讯、GPRS/CDMA、卫星通讯等有线通信:PSTN、同轴电缆、电力载波、光纤等网络通信:Internet、局域网等,数据通信系统,通信系统选择依据站点重要性，对通信实时性要求是否需要实现远程控制功能通信系统运营成本和建设成本？通信系统稳定性和可靠性 对于重要站点（如调度控制中心、门站等），采用有线DDN为主、无线 GPRS/CDMA为辅方式；对于一般站点（如管网调压站、
10、专用调压站、大用户、管网监测点 等），仅采用无线GPRS/CDMA通讯方式。,通讯系统中心网络设备拓扑图,数据通信系统,通讯方式比较,数据通信系统,主要负责数据采集、逻辑控制、接受控制指令对设备进行控制，下位站控系统按照是否配置上位监控系统可分为有人值守站和无人值守站。,站场数据采集、显示流程、趋势、过程控制、连锁保护、计量、数据存储等；数据上传调度中心，并接受调度中心下达的操作指令；监控参数包括压力、温度、过滤器差压、流量、清管球控制、泄漏报警、阴极保护、阀门状态、故障信号、热值分析；本地具有工艺数据显示、操作、报警等人机界面。,有人值守场站,监控参数包括压力、温度、过滤器差压、流量、清管球
11、控制、泄漏报警、阴极保护、阀门状态、故障信号；数据上传调度中心，并接受调度中心下达的操作指令。,无人值守场站,监控参数包括压力、温度、过滤器差压、流量、清管球控制、泄漏报警、阴极保护、阀门状态、故障信号；数据上传调度中心，并接受调度中心下达的操作指令。,无人值守场站,SCADA系统特性,系统开放性和可扩展性；系统稳定性和可靠性；平衡可靠性和投资平衡；数据完整性；调度中心先进性设计；如何对采集的数据进行分析和应用：例如以SCADA系统实时数据为核心，实 现管网调度综合管理、调度方案辅助决策、用气计划、实际用量和预测动 态管理、管网产销差动态跟踪、管网生产设施全生命周期维护等。,燃气SCADA系统
12、建设需要从以下几个方面进行考虑：,SCADA系统特性,1.场站检测仪表和执行机构等设备因质量问题存在误差或不可靠；2.站控系统硬件设备故障；3.站控系统控制软件开发不完善或不合理；4.调度中心硬件故障；5.调度中心SCADA软件平台不稳定；6.调度中心软件开发不完善或不合理；7.调度中心和站控系统通信网络不稳定；8.调度中心网络遭病毒或黑客攻击；9.设备安装和施工不规范也是造成系统不稳定潜在的威胁；10.系统维护管理不规范。,影响系统稳定性和可靠性主要因素有以下几个方面：,硬件设备选型现场仪表、站控系统设备、网络设备、调度中心硬件都要选用质量可靠，并有在行业内有成功应用被证明是可靠的设备，并要
13、有完善的售后服务保障体系的产品。同类型的产品尽量进行标准化，减少备品备件的类型，利于售后维护。要根据用户的需求选用性价比高的产品，不能一味的追求可靠性而不考虑成本。航天能源利用积累的经验，开展了一系列的标准化工作，其中就包括硬件设备选型的标准化，已形成航天能源设备选型配置表，设置高、中、低的硬件配置。,软件设备选型运行于UNIX/LINUX平台的 SCADA系统软件，该类软件目前在燃气行业。应用的主要有美国TRANSDYNC DYNAC软件、加拿大TELVENT平台软件；运行于WINDOWS平台的SCADA软件，该类软件目前在燃气行业主要有SIEMENS WINCC、GE、IFIX。通过价格、
14、性能、维护等方面的综合比较，大的燃气SCADA监控系统，由于对系统安全性、稳定性要求高，建议采用基于UNIX/LINUX SCADA平台软件。而对于小的燃气SCADA系统采用基于WINDOWS SCADA平台性价比更高。,冗余系统设计在选用可靠的软件平台基础上，为了提高系统的稳定性和可靠性，在设计过程中可以考虑采用冗余方案提高系统稳定性和可靠性。冗余设计包括以下几个方面：站控系统冗余：对重要的场站，比如门站、储配站、电厂调压站对控 制系统要求高的场合需要采用冗余的PLC控制系统。通信网络冗余：为提高通信稳定性，SCADA系统通信系统可以采用冗余 设计，当主通信通道发生故障时系统能自动切换到备用
15、通信通道，由 备用通道来传送数据。,SCADA服务器冗余：对于城市燃气SCADA系统，调度中心SCADA服务器和 通信服务器一般都采用冗余设计，一旦主服务器出现故障，系统能自 动切换到备有服务器，由备用服务器承担起数据通信和采集任务。冗灾中心设计：对于大的城市燃气SCADA系统，一般可以考虑采用双中 心设计（既冗灾方式），当主调度中心出现灾难性事故造成调度中心 软硬件无法正常运行失去调度功能后，能自动切换到异地设置的备用 冗灾中心去，由备用冗灾中心承担起输配调度任务。,通信软件设计通信做为数据传输的桥梁，因此通信机制的建立对SCADA系统数据完整性和系统稳定性起着至关重要的作用。为解决城市燃气
16、SCADA系统无线GPRS/CDMA通信网络不稳定性，我们开发了具有自主知识产权的SAEServerOPC通信软件，其具有以下特点：无站点限制，原则上可以同时接受无限站点通信数据；每个站点通信相互隔离，不会出现站点多而通信速度变慢现象，具有良好 的扩展性；通信服务冗余功能，通信服务器实现自动冗余切换功能，具有高可靠性和 稳定性；主备通信切换功能，通信软件实现主备通信功能，一旦主通信信道出现故 障，能实时自动切换 到备用通信信道。采集数据同时送到SCADA系统和公共历史数据库中（ORACLE/SQL SERVER）中，保证数据的稳定性和可靠性。监视通信状态，并将通信状态送到DYNAC软件显示。,
17、远程RTU设计 对于城市燃气有大量的远程无人值守站，一般都采用无线GPRS/CDMA通信方式，无线通信方式一般都采用35分钟发送一组实时数据到中心，一旦通信中断就会造成数据丢失；同时一旦现场发生报警信息调度中心只能隔35分才能收到报警信号。为了解决无线通信存在该问题，我们对现场控制器RTU用嵌入式C语言开发一套控制程序，完全解决了无线通信过程数据可能丢失和实时报警的功能。该控制程序具有以下特点：就地数据存储和补传功能：通信采用无线通信方式，一旦通信中断通过RTU就地存储数据，当通信 恢复后利用数据传输间隔将存储数据补传到中心SCADA系统中，保证了数据 完整性；加速采集功能：通信采用无线通信，
18、正常通信时间间隔5分钟，但当现场压力低于或高 于设备压力值时，加快时间采集间隔、通信时间间隔自动缩短到30秒钟，调 度中心能及时发现现场情况，保证管网运行安全；,系统日常维护 系统投入运行后，必须要定期对SCADA系统软硬件进行维护，及时发现 潜在隐患，保证系统一直都运行在最佳状态。要定期对SCADA系统安全运行状况进行评估，现在建设部正在编制燃 气运行安全评价标准，该标准一旦颁布后将定期对燃气管网安全运行状 进行评价，这样系统安全运行提供了有力保障。,1、定义输配管理信息系统：Distribution Management Information SystemDMS系统2、DMS系统结合计算
19、机、信息与控制技术的最新发展，面向燃气调度监控，整合燃气管网监控与数据采集系统(SCADA系统)、燃气管网地理信息系统(GIS系统)、客户信息系统(CIS系统)、收费管理信息系统等，充分利用管网的数据信息，建立燃气管网运行模型，形成统一的管理平台和人机界面，监测管网的实时运行状态，对管网运行工况进行仿真和评估，生成调度策略和紧急抢修策略，保障燃气管网安全、连续、稳定运行。同时为用户提供及时快速的服务响应，加强对购气及销售的科学管理和保障良好的资金回笼。通过综合业务管理信息系统的建立，充分保障输配网络的安全、连续、稳定运行，加强对业务管理及服务流程的支持，提高企业的管理水平。,DMS系统组成,D
20、MS整合了燃气SCADA系统、燃气管网GIS系统、CIS客户服务系统，监 测管网的实时运行状态，充分利用管网的数据资源，建立燃气管网运 行模型，对管网运行进行仿真和评估，生成调度策略和紧急抢修策 略，保障燃气管网安全、连续、稳定运行。,结合计算机、信息与控制技术最新发展，面向燃气输配管理。,DMS给用户带来了什么?,改善了客户服务 一个更有效的工作环境一个更可靠的网络系统 一个更强大的数据支持,降低经营操作成本真正地提高了内在效益无需重复工作 减少了培训费用减少了人工工作,一个真正为用户着想的解决方案!,DMS结构特点,基于Internet/Intranet的应用和集成，使信息在企业内部共享和
21、应用更 便捷充分，易于升级和维护；,模块化结构，灵活组合，伸缩性强；,图形化界面，易于掌握使用；,开放式系统，满足一系列国际标准和事实标准；,系统可靠性高。完全基于浏览器方式，管理维护方便；,采用WINDOWS安全管理机制。,输配管理平台,在此平台上实现优化调度、产销差实时分析、调度应急预案、实时事故抢修决策、调峰计算、管网储量管理等。,DMS功能,优化调度,该软件准确计算复杂管道系统，也可以进行交互式瞬态模拟，可以使用一定范围管径，压力。根据管道测点压力和流量以及有关设备数据，计算和输出相关信息。软件每次模拟期间，计算管道中对应每个管段位置的压力、流量和其他变量的特征，并输入相关数据表和曲线
22、。该数据表可以显示管段的每个节点（计算点）上的每个主要参数对应时间变化，并可以生成不同趋势报告。,应急抢修,接到事故信息，马上能在系统地图上进行定位，确定事故地点，并显示周围管道、设施信息，立即搜索相通的所有一级阀门，使应急处置人员可以立即关闭相关阀门，切断气源，隔离漏点，防止事故范围扩延；能确定事故影响范围，查询、醒目显示断气所影响到的用户，对重要的用户能闪烁显示，并打印停气/断气通知单给所有受影响的用户；根据需要，可叠加显示事故周边地区的危险源、重要单位、消防系统、医院等的信息，为事故抢修提供参考信息。,系统首先对需抢修区域作一空间定位，提示该区域内设备(中压管、低压管、阀门、调压器等)的
23、信息,显示需关闭的阀门、调压器。,设备维护,报表统计,通过安全评估、决定每年管道的维护和维修情况。,生成整个城市的产销日报表、月报表、年报表、产销差报表等等。,预测消费者行为,为了预测顾客未来的消费行为，计算供气量,确定最佳的进气计划。在预测期间，根据温度、其它依赖天气而定的参数和每天及每周的顾客消费模式的函数变量的影响预测消费量。,负荷预测,负荷预测,负荷预测,利用预报和实测数据间的不同来纠正接下来的 2-4 天中剩下的时间内的预测，每个小时调整一次。预测周期：-循环预报（在每个小时自动运行用来检验当前的处理）。-每周的预报。-应用预报（需要短期优化）。-计划预报（例如年报）。,存量分析,管
24、线总量和Linepack分析：为了帮助客户识别和定量在管线上产品数量，管线模型软件配备了管线总量和Linepack分析模块。它将在压力，温度和密度基础上实时计算。,来自实时动态模块和/或中间测量站的测量数据确定的轮廓形成计算的基础。从这些轮廓，对每个管线段和整个系统，可以计算出实际的Linepack和变化率。,存量分析,泄漏分析,软件使用压力-流量模型，流量-压力模型，统计法分析进行泄漏检测，使用压力特征分析方法进行泄漏定位。所提供的管线模型是全动态，包括完整的动态方程方案，能实现完整的管线动态行为描述，以便适应快速的可能发生的压力和流量变化。,泄漏分析,安全评估,安全评估是对系统发生事故的危
25、险性进行定性和定量分析，评价系统发生危险可能性和程度，以寻求最小的事故率、最小的损失和最优的安全投资效益。安全评估是对系统失效可能性和失效后果进行的综合评价。,安全评估,数据采集监控系统（SCADA）,对主干管网输配系统数据采集和监视管理任务，将个远程站的数据进行处理、分析、存档，并向各远程站发送调度及控制指令。,SCADA,数据采集监控系统（SCADA）,对管网输配系统数据采集和监视管理任务，将个远程站的数据进行处理、分析、存档，并向各远程站发送调度及控制指令。,SCADA,SCADA系统,门站,主控中心,备份中心,专用调压站或区域调压站,中/低压调压站,管网不利点,有线或无线通讯,高/中压
26、调压站(含阀室),远程站控系统,主控中心,网络通讯,SCADA,SCADA系统功能,数据采集和存储时间同步用户管理通讯状态下达指令参数设定工艺流程动态显示趋势分析事故状态下平衡用户用气事件/报警管理安全连锁监控调压站本地监测参数远程设定,SCADA,动态调度输出报表，表格，图形操作记录事故追忆功能系统自诊断通过Web服务器展示给用户的信息界面包括SCADA监控软件显示界面：如曲线界面、数据表格、报警信息、各站控系统的实时工艺流程数据及配置信息等；,SCADA,典型SCADA系统构架,SCADA,主干网的地理信息系统提供管网规划、电子图档、管网设施管理、日常维护等，同时包括抢修车辆GPS/AVL
27、定位系统。,GIS(Geographic Information System,简称GIS)燃气管网地理信息系统,GIS,GIS系统结构,GIS,GIS系统功能,图形显示,图形无级缩放 能对图形进行开窗、中心放大、中心缩小、中心移动、任意中心放大、任意中心缩小、返回前状态和全景显示。,GIS,GIS,设备管理,设备基本信息管理 对燃气管网中的管线及设备的属性数据进行动态维护，含登记设备信息、修改设备信息、报废设备信息,并可打印设备电子卡片（含基本属性数据和简要地形图）。,GIS,空间查询,可进行空间图形与属性的双向查询，并可根据需要进行最佳路径分析,客户信息管理系统（CIS）,主干网大用户信息管理、实时用气工况管理、用户报修信息管理等。,CIS,CIS,客户管理系统的建立是为了掌握天然气大用量客户动态，及时为客户提供服务。受理用气故障的报修及进行处理。主要包含以下内容：记录客户燃气设备；管理客户基本信息掌握客户用气情况,并根据历史用气记录进行分析；了解客户天然气费用付款情况；了解客户燃气设备故障历史记录，分析存在的薄弱环节；受理用气故障的报修并进行处理；接受客户投诉；提供各类查询。,CIS系统结构,CIS,谢 谢!,
