石油与天然气化工  2012, Vol. 41 Issue (1): 92-95
天然气SCADA系统的设计与实现
王存伟 , 廖德云 , 史玉林 , 张智 , 吕素芳 , 李杰     
中原油田分公司天然气产销厂
收稿日期：2011-02-16；修回日期：2011-03-03
作者简介：王存伟：男，工程师，2008年毕业于西北工业大学电子信息学院，现任职于中原油田分公司天然气产销厂计量管理科。E-mail:iamcunwei@163.com.
摘要：为了实现天然气计量数据信息化建设，以Intranet为基础阐述了天然气SCADA系统的设计与实现方法。该设计优化了计量模式，完成了各站场自动计量系统的组网和计量数据的远传共享，用户通过B/S模式实现对现场计量数据实时分析和监测管理。
关键词：天然气    自动计量    SCADA    Intranet    
Design and implementation of SCADA system for natural gas measurement
Wang Cunwei , Liao Deyun , Shi Yulin , et al     
Natural Gas Production and Marketing Company, Zhongyuan Oilfield Corporation, Puyang 457162, Henan, China
Abstract: In order to realize the informatization of natural gas measuring data, the design and realization method of SCADA system for natural gas measurement on the basis of intranet were discussed in this article. The design optimizes the measurement model, completes network interconnection of each station's automatic measuring system and remote transmission sharing of measuring data. Users can realize real-time analysis, monitoring and management of field measuring data through B/S model.
Key words: natural gas    automatic measurement    SCADA    intranet    

自动计量系统在天然气计量工作中发挥着重要的作用。随着信息和网络技术的发展，为了满足计量信息化的要求、实现自动计量系统的互联和计量数据的远传共享，建立一套基于Intranet的天然气SCADA系统是十分必要的。为此，各站场建立天然气自动计量系统，完成天然气各项参数的自动计量，并通过“光纤到站”局域网将各站场计量数据上传远端计量服务器，通过Web在线监测系统发布，建成集天然气开采、集输和销售为一体的天然气计量网络监测系统[1-3]。

1 相关技术

该天然气SCADA系统是一个基于计算机和数据库等多种现代技术的自动化系统。该系统设计要求具有可靠性高、实时性强以及可远程监测等特点，涉及的技术有数据采集技术、通信技术、数据管理技术和动态矢量显示技术。

1.1 数据采集技术

天然气计量数据的采集是基于PLC实现的。PLC系统是一种专用的工业计算机系统，广泛应用于工业生产的过程控制。该系统采用模块化设计，模块丰富、扩展能力强，能完成各种计量仪器仪表输出的数字信号、模拟信号和脉冲信号的采集。通过自带通信接口以统一的Modbus协议上传工业控制计算机显示；也可以给PLC系统设置独立IP，通过自带网络接口经Intranet上传计量服务器，完成计量数据的发布。

1.2 通信技术

为了将分布相对较远站场的自动计量系统联网，使用光纤为传输媒介接入局域网，站场使用超5类网线联入自动计量系统，实现“光纤到站”，站场网络覆盖率达90%以上。使用光纤网络传输现场计量数据具有抗干扰能力强、传输速度快和传输距离远等特点。

为了实现现场计量数据自动远传，以往的做法是基于OPC技术通过工业控制计算机将现场计量数据以TCP/IP协议传至远端服务器实现数据共享。这样，站场工业控制计算机需要安装OPC Server，服务器端需要安装OPC Client。但由于工业控制计算联网易遭受病毒侵袭以及操作系统不断打补丁、不间断运行极容易导致死机，致使站场计量数据无法准确、实时远传。而本次研究的PLC控制器中的CPU模块自带网络接口，可以轻松实现计量数据的远传共享，具有数据处理速度快、稳定性高等特点，并且支持标准的Modbus协议，通过它可以将计量数据以统一的协议远传共享。

Modbus协议已经是工业领域全球流行的协议，支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC、DCS和智能仪表等都在使用Modbus协议作为通讯标准。该协议可以将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。PLC控制器以Modbus协议上传中控室工业控制计算机，实现计量数据本地显示，以Modbus/TCP协议实现站场计量数据的远传共享。Modbus/TCP通讯协议是通过协议转换将Modbus消息封装成IP包，放在Intranet/Internet上传输的一种协议，使用该协议实现了站场PLC系统与远端计量服务器的通信[4]。

1.3 数据管理技术[5]

由于不同站场多路计量数据上传，容易导致计量服务器端数据的采集和存储量越来越大，再加上对数据的集中处理，服务器任务繁重，必将会影响数据处理结果的发布。因此，由PLC系统对现场数据进行预处理，以Modbus/TCP协议上传服务器后经过解析直接得到计量数据。

服务器对计量数据的管理主要是对上传的计量数据进行缓存或数据库存储，经过批量数据处理后以B/S模式在Web在线监测系统上发布。所以，对计量数据的管理分为两类：一、数据采集系统在从数据缓存区批量读取数据经过运算处理后以数据方式和图形方式实时输出，即实时数据和实时曲线；二、数据采集系统从数据库中批量读取数据经过运算处理后以图形方式和报表方式输出，即历史曲线和数据报表。为了增强客户端的体验效果，在实现实时数据和实时曲线两个功能时使用了AJAX技术，优化了客户端和服务器之间的沟通，平衡了前、后端的负载能力。

1.4 动态矢量显示技术

现场计量数据有图形方式和数据输出两种方式。图形方式的输出采用在站场流程图(图 1)上实时显示计量数据。流程图采用专业矢量工具绘制，实现用户对流程图任意放大缩小而不失真，也可以对流程图任意拖拽，查看相应位置计量数据。

图 1     矢量流程图

2 系统结构设计

天然气SCADA系统主要从站场基于PLC的自动计量系统和计量服务器两大部分来实现。采用计量仪器仪表+PLC系统+远端计量服务器(中控室工业控制计算机)的计量模式，系统结构见图 2所示。站场建立基于PLC的自动计量系统，与位于流程区的计量仪器仪表相结合完成对天然气压力、差压、温度、瞬时流量和累计流量等参数的测量，由中控室工业控制计算机完成计量数据的显示，同时也完成对自动化仪表运行参数的设置；建立远端计量服务器，服务器通过Intranet接收各站场PLC系统上传的计量数据，通过Web在线监测系统实现对现场计量数据的实时分析和监测管理。

图 2     系统硬件结构图

2.1 基于PLC的自动计量系统

如图 2所示，基于PLC的自动计量系统主要由现场计量仪器仪表、站场PLC系统、工业控制计算机、网络设备和UPS系统五部分组成。

(1) 现场计量仪器仪表。包括自动化仪表和智能变送器，由自动化仪表自带压力和差压变送器完成天然气生产过程中的压力和差压的测量，外接热电阻完成天然气温度的测量；并且该仪表具有强大的天然气流量计算功能，通过其内置流量计算方法，根据测量的压力、差压和温度自身就完成天然气瞬时流量和累计流量的计算。其压力、差压和温度传感器均由省计量科学研究院现场检定。流量计算通道的检定结果为0.2级，满足GB/T 18603-2001《天然气计量系统技术要求》的规定。

(2) PLC系统。PLC系统是SCADA系统的核心部分，它的任务是对各种计量仪器仪表的输出信号进行采集，再按照统一的通讯协议对数据进行传输。本研究的重点是采集RS485信号，由于输出该信号的自动化仪表支持标准的Modbus协议，所以方案选用PLC家族的485通信转换模块来接收。然后再选用一个CPU模块进行数据交换和通信，该模块自带多种通信接口，一路以Modbus协议传至中控室工业控制计算机，标准的Modbus使用一个RS232兼容的串行接口；另一路给CPU模块设置独立的IP地址后通过自带网络接口经Intranet上传远端计量服务器。

(3) 工业控制计算机。计量数据以Modbus协议上传工业控制计算机，完成天然气压力、差压、温度、瞬时流量和累计流量以及现场计量点基础资料等各项参数的本地显示。

(4) 网络设备。包括路由器和光纤收发器。将站场基于PLC的自动计量系统连入Intranet，实现现场计量数据到计量服务器的远传共享。

(5) UPS系统。站场安装直流UPS，同时为PLC系统和现场自动化仪表供电。在正常供电时，UPS系统处于充电状态。在供电异常时，UPS启动，有效保证了PLC系统和自动化仪表正常运行，从而不影响站场计量数据到远端计量服务器的上传。

2.2 计量服务器

服务器端主要由计量服务器、网络设备和客户端组成。计量服务器安装Oracle数据库，用于存储站场PLC系统上传的计量数据；网络设备同样包括路由器和光纤收发器；客户端包括领导决策层、生产、销售和调度部门以及各基层单位等，通过Visual studio 2008自主开发的Web在线监测系统浏览发布的实时计量数据。

3 软件设计

该系统软件设计主要包括三个部分：一、PLC程序设计；二、组态软件的程序设计；三、监测软件的程序设计。其原理如图 3所示。

图 3     软件设计原理图

3.1 PLC程序设计

PLC程序主要任务是对计量数据进行采集，将测得的天然气的压力、差压、温度、瞬时量和累积量等各种参数提取，然后在CPU模块的内存中分配寄存器地址并由上位机的驱动程序进行存取操作，传给组态软件对计量数据进行可视化组态。同时，远端计量服务器中的程序也可以对这些分配的寄存器进行读取操作。各站场PLC程序根据现场实际情况采用最大计量30路冗余设计，以满足今后计量点增加的需要。

表 1    某路计量数据的寄存器分配表(起始地址：3000)

3.2 组态软件程序设计

中控室工业控制计算机软件设计包括组态软件设计和驱动程序设计。工业控制计算机安装Intouch组态软件接收上传的各项计量数据，软件界面友好，实现了实时数据显示、参数设置、实时/历史曲线查看、报警信息、生产报表、校表时流量补偿等功能。如图 4所示，为了实现组态软件与PLC之间进行数据传递，用VB 6.0编写了驱动程序。驱动程序完成了两项任务，一是将Modbus协议解析，提取各项计量参数并在组态界面显示；二是将组态界面孔板孔径、管道管径、天然气相对密度等参数值通过PLC写入自动化仪表。

图 4     驱动程序数据交换示意图

3.3 监测软件程序设计

监测软件的程序是SCADA系统的关键部分。计量服务器程序主要包括协议转换程序、数据管理程序和监测软件程序。协议转换程序接收现场的Modbus/TCP协议，并从IP包中解析出Modbus数据，再根据帧格式(表 2)从寄存器中提取各项参数，实现了计量服务器对PLC系统上传数据的接收。Modbus协议传输模式有ASCII和RTU两种，这里采用RTU模式。

表 2    RTU帧格式

数据管理程序是对提取的数据进行存储和管理，计量服务器安装Oralce数据库，实时存储各站场上传的计量数据，开发的数据采集程序采用多线程原子技术进行处理。监测程序是采用C#语言基于ASP.NET技术开发的可视化平台，实现的主要功能有：

(1) 以计量点为单位显示站场生产信息，包括压力、差压、温度、瞬时流量、累计流量、管存量、站内输差等信息；

(2) 以矢量图形式显示站场的工艺流程，动态显示站场的生产数据；

(3) 具备生成参数(压力、压差、温度、瞬时流量和累计流量)的实时趋势图表和历史趋势图表功能；

(4) 具备压力、差压、温度、瞬时流量和PLC系统通讯等参数报警信息，每个参数设有上下限报警值，数据异常时在流程图相应位置处给出报警信息；

(5) 具备生成各站场及全厂的瞬时报表、日报表、月报表和年报表等功能；

(6) 由于网络异常导致计量数据缺损时，在恢复网络后能够自动从站场PLC系统的存储卡中读取缺损的计量数据；

(7) 客户端以B/S模式就能访问Web在线监测系统，对用户设置访问权限。

4 系统特点

(1) 计量系统可靠性高。该系统由PLC对计量仪器仪表输出信号集中采集，中控室工业控制计算机只承担了计量数据的显示和自动化参数设置功能。整个系统无论从硬件还是软件上都采用冗余设计，平均故障间隔时间(MBTF)得到延长。

(2) 计量数据远传共享。各站场自动计量系统通过“光纤到站”联网，实现了现场计量数据到远端计量服务器数据库的上传，通过局域网随时可以对计量数据进行实时分析和监测管理。

(3) 兼容性好、扩展性强。该系统适用于各种计量仪器仪表的集输气站场，包括智能变送器、多种流量计和自动化仪表等。扩展计量点增加仪表时，只需要增加PLC相应模块即可。

(4) 安全性高。通过硬件防火墙进行网络隔离；PLC系统的IP地址单独划分，数据单向上传，同时使用路由器作端口映射，避免网络病毒直接对PLC进行攻击，确保基于PLC的自动计量系统的安全运行。同时，PLC系统具有光电隔离功能，雷电天气抗过压能力强。

(5) 实时性强。采用光纤媒介传输计量数据，上传速度快；服务器采用Oracle数据，实时存储和处理各站场上传的计量数据。监测软件设置数据刷新周期最小为1 s。

5 结语

通过对天然气SCADA系统的设计和研究，实现了计量信息化建设。该系统实现了各站场生产数据的采集、计量以及远程的实时分析、监测管理。系统投入使用后运行稳定，为领导决策、生产监测、调度管理、销售监督等工作提供实时数据支持。

参考文献
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