韓衛國（1976-）男，黑龍江哈爾濱人，工學(xué)學(xué)士，畢業(yè)于黑龍江大學(xué)光電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)，現任北京安控科技股份有限公司油氣事業(yè)部副總工程師，主要從事RTU、油氣田產(chǎn)品研發(fā)工作。

    摘要：本文將以城市燃氣SCADA系統的應用為案例，闡述了RTU產(chǎn)品在該系統中各環(huán)節的應用，體現RTU在SCADA系統中應用的可靠性、靈活性、方便性。

    關(guān)鍵詞：SCADA；RTU；城市燃氣；冗余

    1 系統簡(jiǎn)述

    城市燃氣是每個(gè)城市發(fā)展的重要組成部分，供氣對象包括每個(gè)城市規劃用地區域內的居民、商業(yè)及公共建筑、工業(yè)、燃氣空調、燃氣燃料汽車(chē)等用戶(hù)。一個(gè)高可靠性、高性?xún)r(jià)比的SCADA系統有助于城市燃氣實(shí)現安全、高效的燃氣輸配管理。

    燃氣SCADA系統包括調度監控中心、門(mén)站、儲配站等PLC/RTU站控系統、無(wú)人值守RTU站、安防系統等。系統投產(chǎn)后，操作人員在調度控制中心通過(guò)SCADA系統可完成對全市燃氣輸配系統的監控和運行管理。系統的基本功能如下：

    （1）運行工況實(shí)現“四遙”

    在調度監控中心可觀(guān)察到全市管網(wǎng)的運行工況，為管網(wǎng)運行調度提供依據，并根據調度方案向各重要節點(diǎn)發(fā)出調整、控制指令到執行機構。調整、控制后的新工況參數又實(shí)時(shí)地傳送到調度監控中心，從而對管網(wǎng)實(shí)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(wǎng)絡(luò )聯(lián)網(wǎng)

    本系統為標準的以太網(wǎng)，能方便地與公司計算機管理網(wǎng)絡(luò )聯(lián)網(wǎng)運行。公司有關(guān)負責人和相關(guān)部門(mén)可根據其權限（由SCADA限定），對管網(wǎng)運行狀況和相關(guān)數據進(jìn)行查詢(xún)、調用。

    （3）安全報警系統

    在輸配管網(wǎng)的調壓站、門(mén)站等子站，當壓力超高限或超底限發(fā)出報警信號。通過(guò)PLC/RTU進(jìn)入SCADA系統，對事故的及時(shí)處理提供決策和調度依據。

    （4）系統可維護性

    設備出現故障時(shí)，只需簡(jiǎn)單地插入模塊/部件替換故障部件，即可排除故障。系統硬件和軟件盡可能多地使用開(kāi)放系統，增強系統的可維護性，并確保將來(lái)的可擴充性。

    （5）系統的可擴充性

    系統留有足夠的擴展區。當需要增加RTU或監測點(diǎn)時(shí)，只需進(jìn)行系統組態(tài)更改，而不需要編程人員重新設計程序。系統數據庫具有開(kāi)放的結構，對各種平臺再開(kāi)發(fā)具有透明性。

    （6）實(shí)時(shí)事故預測及報警

    通過(guò)對檢測數據分析處理，并與正常工況進(jìn)行比較，可及時(shí)發(fā)現異?，F象及事故，并結合GIS、CIS系統確定發(fā)生的地點(diǎn)以及現場(chǎng)管道、設備情況，在調度監控中心顯示屏上顯示出來(lái)，同時(shí)發(fā)出報警信號。在管網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)，由計算機給出發(fā)生地局部區域管網(wǎng)布置的詳細情況，準確判斷出事故波及影響的范圍及相關(guān)的閥門(mén)，結合GPS系統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。

    1.1 調度監控中心功能

    調度監控中心實(shí)時(shí)采集本地監測站的運行參數，實(shí)現對管網(wǎng)和工藝設備的運行情況進(jìn)行自動(dòng)、連續的監視管理和數據統計，為管網(wǎng)平衡、安全運行提供必要的輔助決策信息。

    調度監控中心的主要任務(wù)是通過(guò)各站點(diǎn)的RTU/PLC對管網(wǎng)和場(chǎng)站的工藝參數進(jìn)行數據采集和監控。調度監控中心的操作人員通過(guò)計算機系統的操作員工作站所提供的管網(wǎng)和場(chǎng)站工藝過(guò)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(wǎng)的運行監控和管理。操作人員還可以通過(guò)調度管理計算機完成數據的發(fā)布、傳輸等調度管理工作。

    1.2 PLC/RTU站控系統功能

    門(mén)站、儲配站等各重要站場(chǎng)的站控系統作為管道SCADA系統的現場(chǎng)控制單元，除完成對所處站場(chǎng)的監控任務(wù)外，同時(shí)負責將有關(guān)信息傳送給調度控制中心并接受和執行其下達的命令。主要為：①對現場(chǎng)的工藝變量進(jìn)行數據采集和處理；②經(jīng)通信接口與第三方的監控系統或智能設備交換信息；③監控各種工藝設備的運行狀態(tài)；④對供電設備及其相關(guān)變量的監控；⑤站場(chǎng)可燃氣體的監視和報警；⑥消防系統的監控；⑦周界報警系統的監控、顯示動(dòng)態(tài)工藝流程、提供人機對話(huà)的窗口、顯示各種工藝參數和其它有關(guān)參數、顯示報警一覽表；⑧數據存儲及處理、顯示實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)和歷史曲線(xiàn)；⑨數據計算、邏輯控制、聯(lián)鎖保護、緊急停車(chē)（ESD）；⑩打印報警和事件報告、打印生產(chǎn)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(guān)數據、接受并執行調度控制中心下達的命令等。

    1.3 無(wú)人值守站功能

    系統在小型調壓站等無(wú)人值守站點(diǎn)處配置RTU，完成對現場(chǎng)的工藝參數進(jìn)行數據采集和處理：監控管網(wǎng)安全切斷閥門(mén)和電動(dòng)閥門(mén)；供電系統的監控；可燃氣體的監測和報警；數據存儲及處理；邏輯控制；緊急停車(chē)(ESD)；與主控中心通訊，為調度控制中心提供有關(guān)數據；接受并執行調度控制中心下達的命令。

    2 系統特點(diǎn)

    2.1 系統的開(kāi)放性

    系統軟硬件均具有長(cháng)期可靠的應用實(shí)例，采用通用接口協(xié)議，便于互聯(lián)。無(wú)論軟硬件產(chǎn)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(kāi)發(fā)。

    在業(yè)務(wù)層面上，無(wú)論是整個(gè)系統，還是單各站點(diǎn)，無(wú)論整個(gè)SCADA系統到DMS系統的擴展，還是與GIS、CIS等分立系統的連接，都體現了開(kāi)放性的原則。

    2.2 模塊化設計

    系統的總體設計及部分重要設備采用了模塊化設計。系統的部分功能調試（如調度監控中心和門(mén)站本地控制系統）可分部完成而不會(huì )影響整體的調試效果，這樣有利于系統的并行生產(chǎn)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(shí)際情況的需要靈活組態(tài)。

    2.3 可擴展性

    各站的I/O模塊的增加只需簡(jiǎn)單的配置即可投入使用；終端站I/O點(diǎn)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(wú)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(diǎn)、Espider客戶(hù)端數量及數據庫(應改為組態(tài)軟件)的用戶(hù)數量都可根據日后需要而擴展；通訊系統具有靈活的擴展性。

    2.4 可靠性設計

    系統實(shí)時(shí)監視輸配管網(wǎng)及各站的運行狀態(tài)，定期進(jìn)行自診斷并且形成報告。在系統重要環(huán)節如主服務(wù)器、通訊信道、門(mén)站PLC等做了冗余設計。系統正常工作時(shí)，重要數據進(jìn)行自動(dòng)備份，當發(fā)生故障時(shí)，系統進(jìn)行即時(shí)切換；同時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)報警程序，顯示引起切換的故障原因，如信道故障、電源故障、違規操作、I/O失效、CPU錯誤等。

    3 系統結構
             
                                      圖1 SCADA系統結構框圖

    在SCADA系統中，通訊系統是重要的組成部分，其穩定性與靈活性對于系統來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本系統中遙測通信協(xié)議采用國際工業(yè)標準的DNP3.0和Modbus二種通信協(xié)議。這兩種協(xié)議已經(jīng)被絕大多數主要SCADA集成商和遙測設備供應商采用。系統可支持有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、微波、衛星、DDN、GSM/GPRS/GPRS等多種方式與現場(chǎng)設備或其他的系統進(jìn)行通信。系統采用標準的通信協(xié)議便于今后的發(fā)展和維護。

    本系統采用的通訊系統結構及功能如下：
門(mén)站等重要場(chǎng)站采用ADSL數字電路為主用通信線(xiàn)路，GPRS無(wú)線(xiàn)通訊為備用通信線(xiàn)路的通信方式；
無(wú)人值守站采用GPRS無(wú)線(xiàn)通訊方式；
各ADSL站將有線(xiàn)通信方式的數據傳輸到調度監控中心；GPRS的數據傳輸到移動(dòng)公司機房，然后采用光纖或其他有線(xiàn)連接方式接入主調度監控中心；
調度監控中心及各下級站點(diǎn)采用固定IP地址的方式，組成一個(gè)虛擬LAN，實(shí)現DNP3.0數據通訊協(xié)議的TCP/IP通訊，以及實(shí)現中心端對RTU/PLC遠程配置。各場(chǎng)站內采用Modbus通訊協(xié)議；
通信線(xiàn)路故障期間，各站點(diǎn)的PLC/RTU按時(shí)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(shí)間順序將這些數據插入到數據庫的適當位置的功能；
系統具備通信診斷、分析的工具，各個(gè)通信口及其通信參數記錄并可在網(wǎng)絡(luò )上的任何一臺操作員工作站上顯示。

    4 系統選型

    4.1 門(mén)站及儲配站系統選型

    站控系統結構圖如圖2所示。
                      

    SCADA系統中的門(mén)站、儲配站、混氣站、凈化站、LNG站等站場(chǎng)選用北京安控公司生產(chǎn)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開(kāi)發(fā)、工程經(jīng)驗設計的新型站控RTU產(chǎn)品，可實(shí)現對工業(yè)現場(chǎng)信號的采集和設備的控制。該產(chǎn)品采用了先進(jìn)的32位ARM技術(shù)，高效的嵌入式操作系統，整個(gè)系統功能強大、操作方便、集成度高。不僅能勝任邏輯、定時(shí)、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(lián)網(wǎng)等功能。其程序開(kāi)發(fā)方便，可與上位機組成控制系統，實(shí)現集散控制。

    該產(chǎn)品具有多種配置和可選功能?？筛鶕脩?hù)的實(shí)際需求，在不同領(lǐng)域，設計開(kāi)發(fā)成各種控制系統。產(chǎn)品如圖3所示。
                

    產(chǎn)品特點(diǎn)：
    ·功能強大的硬件系統，采用32位ARM處理器，嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(RTOS)；
    ·高效的工程開(kāi)發(fā)工具，符合IEC 61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語(yǔ)言；
    ·結構先進(jìn)，易于擴展，可多站協(xié)調工作，組建復雜系統；
    ·模塊化設計工業(yè)標準設計，DIN導軌安裝結構，方便現場(chǎng)安裝；
    ·經(jīng)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(xié)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(jìn)的冗余/容錯方式；
    ·經(jīng)濟高效的RTU系統；
    ·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(mén)狗及數據掉電保護功能，可長(cháng)期保存設定參數及歷史數據；   
    ·大容量存儲空間，滿(mǎn)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(guò)CE認證，達到EMC電磁兼容3級標準；
    ·ISO9001質(zhì)量管理體系；
    ·MTBF：500,000h，MTTR≤1h。

    I/O模塊的特點(diǎn)：
    ·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(guò)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(dòng)保持功能，回路控制的獨立執行等；
    ·冗余結構：操作員站、系統網(wǎng)絡(luò )、主控單元、I/O模塊、系統電源完全冗余；
    ·故障隔離措施：所有I/O單元都采用可靠的光電隔離技術(shù)，使各單元之間和單元與主控單元之間的CPU無(wú)任何電氣聯(lián)系，從而提高系統的抗干擾能力、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(chǎng)信號側，也提供了隔離措施，可消除由于現場(chǎng)地電位差對系統造成的損壞；
    ·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(jìn)行更換。由于采用了特殊保護措施，系統中所有過(guò)程I/O單元均可帶電拔插，對系統的運行不會(huì )產(chǎn)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(mén)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(guò)載保護、DC24V電壓反向保護、通訊線(xiàn)鉗壓保護、通道過(guò)壓保護。

    4.2 無(wú)人值守站選型

    無(wú)人值守站RTU選用安控科技生產(chǎn)的Super32-L系列RTU，產(chǎn)品如圖4所示。
             

    Super32-L 系列RTU是北京安控科技股份有限公司集多年的開(kāi)發(fā)、工程經(jīng)驗設計的新型RTU產(chǎn)品，是面向工業(yè)現場(chǎng)信號采集和對現場(chǎng)設備控制的新型通用RTU。該系RTU采用先進(jìn)的32處理器，不僅能完成邏輯運算、定時(shí)、計數控制，還能實(shí)現數據處理、PID運算、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。與同類(lèi)RTU相比，具有更大的存儲容量，更強的計算功能，更簡(jiǎn)便的編程與開(kāi)發(fā)能力；更強大的通訊組網(wǎng)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。

    產(chǎn)品特點(diǎn)：
    ·采用32位ARM處理器，嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(RTOS)；
    ·編程軟件符合IEC 61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語(yǔ)言；
    ·一體化模塊設計，可擴展至64點(diǎn)I/O信號通道；
    ·支持Modbus RTU／ASCII／TCP、DNP3（可選）、IEC60870-5-104（可選）等通信協(xié)議；
    ·具有RS232、RS485、Ethernet等通信接口，適用于多種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；
    ·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(mén)狗及數據掉電保護功能，可長(cháng)期保存設定參數及歷史數據；
    ·大容量存儲空間，滿(mǎn)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(yáng)能供電等場(chǎng)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(chǎn)品，經(jīng)過(guò)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(chǎng)安裝；
    ·產(chǎn)品通過(guò)CE認證；
    ·MTBF：500,000h，MTTR≤1h；
    ·支持WEB發(fā)布功能。 
摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十二期