77第五章 SCADA 系统、GIS 系统和 MIS 系统51 城市天然气 SCADA 系统511 SCADA 系统概述SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统,又称计算机四遥（遥测、遥控、遥信、遥调）技术。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA 系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关，SCADA 技术建立在3C+S（ Computer、Communication、Control、Sensor）基础上。1、计算机（Computer ）技术近些年来，计算机 PC 技术以每一年多更新一代的速度飞速发展。强大的硬件平台支持着不断更新的视窗操作系统 Windows 软件和网络技术。为构建高功能的 SCADA 系统创造了条件。众所周知在 SCADA 系统中 PC 机主要用做 Master 或称调度中心。近来国内外许多厂家都推出了基于 Windows 的 for SCADA 的组态软件。这些软件平台上可以完成与调度相关的数据采集（提供了与多种 PLC 或其它智能设备通讯驱动程序 Driver、动态数据交换 DDE 功能及 OLE 技术等等） 、数据处理、数据显示和数据记录等工作，具有良好的图形化人机界面。PC 机的网络功能为多级调度 SCADA 系统的建设和管理提供了很多意想不到的功能。2、通讯（Communication）技术远程数据要想传回调度中心必须通过相应的传输技术，因此通讯技术与设备的选择是构建 SCADA 系统要考虑的重要方面，现在各种通信技术发展很快，公共通信技术在市场的发展中逐步建立了可靠而廉价的平台，这为 SCADA 系统的迅速普及带来了有力条件3、控制（Control）技术控制设备为 SCADA 系统的 Slave，或称下位机，远程终端 RTU 和现场测控智能装置，也可以是专用的 RTU、智能仪表和智能控制器以及 PLC 系统等统称下位控制单元。控制设备，在每一个 SCADA 系统中都会有若干台，对 SCADA 系统的可靠性和价格影响最大。所有现场数据采集、设备控制都是依靠这些设备。4、传感（Sensor）技术传感器可分为智能和非智能型两类。非智能型完成电量的标准化信号转换和非电量的 78理化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器的工作之外，还具有上、下限报警设置，数据显示，简单数字逻辑控制，PID 调节等功能。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、天然气等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。般来说，遥测系统应达到以下几方面要求：技术设备先进，数据准确可靠，系统运行稳定，扩充扩容便利，系统造价合理，使用维护方便。国外先进国家在燃气管网管理指挥调度中，早已成功地采用计算机测控技术和数据通信技术。近年来国内各人中城市燃气公司也纷纷上马燃气管网遥测调度指挥系统，城市燃气管网遥测系统正在不断普及。它的使用能够更加合理调度，保证安全供气，节约能源与资金，加快紧急事件反应时间，减少不应有的损失，同时通过更加合理的调度节约大量的人力和物力，提高经济效益和管理水平，与国际先进水平接轨。目前国内也有多家燃气公司采用计算机技术进行燃气参数检测，对燃气进行科学调度与管理起到了重要作用。但由于有的系统采用自行研制的小系统，设计起点低，从最底层的数据采集单元开始就存在可靠性差、精度低、寿命短、维护工作量大的缺点，难以满足燃气调度系统不间断运行的严格要求。目前 SCADA 系统在技术上日趋成熟，特别是国外著名公司的成套 SCADA 系统性能及可靠性越来越高，价格也为国内要求较高的燃气公司所承受。随着国家西气东输工程建设、城市环境保护政策的出台、城市建设的不断发展，天然气输配管网也在不断地扩展，供气量在急刷地增加。天然气输配管网及设施是燃气公司的基本生产设施，其运行工况将直接关系到公司的生产效率和效益，直接关系到燃气公司向广大天然气用户提供服务质量的好坏，不仅如此，天然气输配管网及设施的安全运行也是公司极为关注的问题，它是公司的生命线，是工作的重中之重，安全运行关系到社会公众的生命财产。目前，许多燃气公司生产调度部门以及有关部门获得管网运行工况的手段仍停留在电话询问、手抄、眼看的水平上，而且仅限于几个有人职守的站区内，对于整个市区管网、长输管线的运行工况，调度人员根本无法实时地了解，这就直接影响了调度人员合理平衡地调度，也就难以保证整个城市的输配系统运行在安全、可靠、平衡和经济高效的状态下。解决这一严重问题的根本措施是尽快建设一套计算机 SCADA 系统。为保证天然气输配管网安全、均衡、高效地运行，必须依靠高科技手段，建设城市天然气输配管网数据采集与监控系统。512 SCADA 系统原理5121 SCADA 系统的基本原理SCADA 系统是集远程终端装置 RTU/PLC 站控系统、调度控制中心主计算机系统和数传通信系统三大部分于一体的监视控制和数据采集系统。 （图 51） 。城市天然气系统的站场主要包括：城市门站、储配站、调压站、阀室、阴极保护站、监测点、CNG 加气站等，这些站均由调度中心通过站控系统实施监控，故站控系统是SCADA 系统运行的基础。站控系统监控的对象包括工艺运行参数（如温度、压力、流量等）、火警及气体漏失，输气气质指标（热值、H 2O、H 2S 含量）设备运行状态等。站控系统由 RTU/PLC 进行站场的监视和控制，并将站场、管线的关键运行参数以 79SCADA 系统特有的数据规程，通过微波、光纤等通信数传通道送至调度控制中心主站，并接受主站的操作指令，完成关键设备的远控。调度控制中心主计算机系统即主站计算机通过数传通信通道，连续不断地采集 RTU 的数据，根据 RTU 的设置数量，主站计算机对各 RTU 以一定的扫描周期巡回采集数据。一旦出现警报信息，主站计算机系统将优先接收事故信息并向操作人员显示和报警。主站计算机的51 SCADA 系统示意图1、2、4终端 3网络服务器 5数据库服务器 6SCADA 系统服务器7设备管理服务器 8冗余 MRTU 9无线电发射塔 10无线集群通讯系统 11远程 RTU表 51 SCADA 系统的管理级层级层 位置 功能 设备 管理人员1 输配系统站场（仪表） 压力测量 温度测量 在线分析 流量计量 调节/控制 压力变送器 温度变送器 分析仪 调节阀 运行操作人员2 输配系统站场（站控系统） 检测 监视 控制 数据处理 控制设定 报表 RTU / PLC 运行操作人员3 调度中心监视 控制 统计 计算 诊断 报告指令下达 设定控制点 报告 优化决策 输配调度工作站计算机部门经理主站工程师高层管理人员控制信号通过通信设备传送到远程的 RTU/PLC，开关阀门或者完成其它遥控操作。在管理层级的第一级层，仪器仪表安装在站场分离器、管线、压缩机、等位置，用以显示、监控实际的运行状态。操作人员可方便地随时监视运行状态。系统能根据预先设定的条件，提供逻辑控制和触发自动执行功能，从而达到安全操作和保护运行设备的目的。级层控制的第一层和第二层设在输配系统站场。调度中心是最高级层的管理机构，对输配管 80网及站场实施监控。把握关键的运行参数及状态，下达控制指令及给定设定值，对输配系统进行分析和决策。5122 建设 SCADA 系统的意义建设 SCADA 系统的意义在于：1. 实时掌握管网运行数据，进行科学分析处理，提供优化决策，合理调配利用资源，满足用户要求。2. 采用 SCADA 系统可以有效地对天然气管网和关键站场进行监视、控制，保证安全平稳供气，从而可避免灾难性的事故发生，提高管网系统整体运行的可靠性。3. 生产过程的实时监控与信息系统的结合，可实现现代化快速统计分析，保证信息反馈及时、准确，为指导生产和管理提供决策依据。4. 由于具有实时可靠的数据采集和远程控制能力，可以实施新的运行管理机制，做到减员增效。5. 采用 SCADA 系统，可及时处理操作报警和实施阀门的紧急截断，减少天然气的漏失和避免环境污染。513 仪器仪表RTUPLC 站控系统是 SCADA 系统运行的基础，站控系统的可靠性十分重要。SCADA系统的设计考虑了系统某一环节出现故障时，站控系统仍能可靠运行。实施站控系统监控的基础设备是各种仪器仪表，其种类繁多。与 RTUPLC 配套的仪器仪表应具有输出测量信号的功能，一般选择原则如下：(1) 输出信号应是标准信号，如 420mADC ，15VDC 标准信号；(2) 防爆型电动仪表；(3) 系统内各站仪表力求选型统一，以便于维护。5131 压力、差压测量仪表1压力测量仪表城市天然气输配系统中，天然气分离、调压、计量等环节中的压力、输配气压力、清管压力、输气干线甚至用户用气压力等压力参数，均是 SCADA 系统监控对象。常用的压力测量仪表有指示式压力表和带远传变送器的远传式压力测量仪表（俗称压力变送器） 。指示式压力表仅用于就地显示，要将信号送入 RTU 则需使用压力变送器。压力变送器的工作原理有电容式、扩散硅式、振弦式、电感式等多种形式，其测量精度为 0.2 0.5。常用的压力变送器为防爆型的二线制电动压力变送器，测量出代表实际压力值的 81420mADC 或 15VDC 信号，在站控系统 RTU 上处理并显示和传送至主站。微处理器引入模拟式变送器后构成的智能变送器，具有更好的性能，调校和组态极为方便，并具有环境温度和静压补偿以及自诊断和双向通信功能。图 52 为智能压力变送器的内部结构框图和应用原理图。当智能通信器未接入智能变送器测量回路且采用模拟信号测量时，测量回路的外特性与模拟变送器相同。当智能通信器在任何位置跨接在信号线路上时，可对变送器进行测试和组态。2差压测量仪表差压测量采用差压变送器，测出某一装置或设备的前后压差。最常用的例子是以标准孔板节流装置测量压差来测量天然气流量，分离过滤器过滤段的压差监测等，差压测量原理与压力测量相类似。图 52 智能压力变送器的内部结构框图和应用天然气流量测量常用的方式有差压式测量、容积式测量和速度式测量，有关流量测量仪表已在前面章节作了较详细的介绍。5132 温度测量仪表反映天然气输送中，加压、加热或节流时的温度变化参数都是 SCADA 系统监视对象。用于就地指示的温度测量仪表有水银温度计、双金属温度计等；用于远传式温度测量仪表则有热电偶、热电阻、辐射式高温计等。热电偶主要用于较高温度的测量。集输系统中，天然气温度较低，且变化幅度不大（一般在20 70） ，其温度测量常采用铂热电阻。铂热电阻具有测量精度高、稳定性好、反应灵敏等优点。图 53 为热电阻温度计应用框图。图中热电阻置于被测点，温度变送器通常安装在仪表室中，现场与仪表室之间用三条导线 连接。以降低引线对测量的影响。为简化系统安装与设计，也可采用一体化温度变送器，如图中虚线框内所示。