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一．前言
現今社會環境質量問題已成為影響民生的重要因素之一，成為影響人民生活幸福感的重要指標。天然氣因其相較煤炭、石油等能源而言，具有使用安全、熱值高、潔凈等優勢特點，被稱為“清潔能源”，已成為當前重要能源之一。
天然氣主要存在于油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣中，也有少量出于煤層。最初開采上來的天然氣被稱為原料氣，通常在原料氣中含有硫化氫、二氧化碳、水和其他各種硫化物以及機械雜質。其中硫化氫和二氧化碳都成為酸性氣體，在水的存在下能生成酸或者酸性溶液。將會對管道等設備發生腐蝕作用，嚴重時還會堵塞管道，同時未經凈化的天然氣泄漏到外界也會對環境造成污染。因此需要對原料氣進行凈化，使其成分符合最終使用標準。
二．系統概述
目前最終用戶是一個以天然氣采集、天然氣凈化輸送、天然氣精細化工生產為主的生產型企業。擁有10余口天然氣井、1家160萬立方米/日的天然氣凈化廠、1座儲氣站、4座調壓站、4座配氣站（包括1座門站）和數10公里的天然氣傳輸管網。從數據采集的角度，公司擁有凈化廠DCS控制系統3套，另有天然氣儲氣站、CNG加氣站PLC數據采集裝置，天然氣井場、天然氣傳輸管網等。但是這些場站或分廠分布在方圓100余平方公里的丘陵和山區，各自相對獨立的運行，單獨負責裝置的監控和計量工作，個別裝置尤其是天然氣采氣井還沒有數字化，不能進行數據采集和傳輸。現場生產信息的管理還是停留在各自的分廠、場站，數字信息沉淀在現場，不僅各個控制系統之間缺乏有效的信息溝通和綜合的信息處理能力，而且無法上傳有效的現場信息。公司領導遠離工作現場，對現場情況的獲取渠道主要是人員匯報、部門報表和現場視察，所獲取的信息基本上是“過去時”，不利于對現場工作的管理和公司天然氣資源統一調度。因此亟需搭建一整套生產調度與安全監控系統，滿足當前信息化和工業化的高層次深度結合的新需求。
本系統以天然氣輸配管網監控與數據采集（SCADA）系統為核心，主要監控天然氣凈化廠的實時數據和生產工藝，采用流行可靠的計算機網絡構成的二級式分布式控制系統。調度中心為系統控制管理級，負責數據的處理和監控，分布于輸配管網的遠程RTU為系統過程控制級，負責現場數據采集和設備控制，二級系統通過有線網絡和無線網絡有機的結合在一起構成一個完整的數據采集和監控（SCADA）系統和生產調度系統。生產調度系統的任務是保證天然氣輸配管網安全、可靠、平穩、高效、經濟地運行。
三．系統架構
天然氣凈化廠生產輸配調度系統是以現場儀表、力控ForceControl系列監控組態軟件、力控pSpace實時歷史數據庫、SQL Server關系數據庫、以及RTU模塊為核心并采用以太網交換機、路由器、防火墻等現代網絡設備構成的一個分布式計算機數據采集與監控網絡。圖1所示為系統架構示意圖。
圖1 系統架構示意圖
系統通過調度中心集中監視和控制天然氣輸配管網的運行、管理與維護。在每個站點的本地實現實際流程控制和設備保護功能，并可從調度中心和場站進行監控。
3.1調度中心
調度中心提供系統的全部功能，實現在調度中心通過計算機系統遠程監控天然氣凈化廠、場站、天然氣輸配管網的運行情況。配備冗余配置的企業級實時數據庫pSpace Server做為SCADA實時服務器負責處理、存儲、管理從凈化廠、場站、輸配管網各遠程站點傳送來的實時數據，同時又為網絡中的其它服務器和工作站提供實時數據。雙機冗余架構使得數據可實時實現備份增加了系統的安全穩定性。歷史數據經壓縮處理后存放在pSpace Server歷史庫中，也可以通過ODBCRouter寫入關系型數據庫SQL Server 中。同時配備SCADA服務器運行通信管理軟件，可完成與各遠程站點的通信鏈接、協議轉換、網絡管理等任務。另外單獨配備WEB服務器專門用于網絡發布，即可實現廣域網遠程客戶瀏覽，又避免系統數據直接遭到網絡黑客、病毒攻擊所帶來的安全隱患。
為了便于工作人員實時了解現場情況，調度中心配備工程師站以及操作員站，實時顯示現場工藝畫面，并且可直接接到控制中心大屏幕予以顯示。調度中心采用冗余的10/100Mbps 快速交換式以太網網絡。網絡基于客戶機/服務器模式構建，網絡通訊協議為TCP/IP，通訊介質為5類雙絞線。系統的各項任務按功能劃分分別運行在網絡中不同的服務器中（SCADA服務器、數據庫服務器、Web服務器等），其它客戶機（操作員工作站、工程師工作站、管理員工作站等）通過網絡共享服務器資源。基于這種框架的系統網絡可合理利用網絡資源，減輕了單臺服務器的工作和通訊負荷，同時也可避免由于單臺服務器的故障而導致的系統癱瘓問題，保證系統上層網絡高速穩定運行。
3.2遠程監控站
凈化廠、配氣站（含門站）、儲備站、場站等為本系統的遠程監控站，裝有獨立的控制裝置采集現場儀表信號，遠程站點接受中心下達的指令和向中心傳遞信息；同時它們也是一個相對獨立的控制站，配備有力控就地監控系統平臺，在本地配備工作站或顯示終端，具有就地控制顯示功能。對于已經建設流量計算機的配氣站，暫時以流量計算機作為RTU功能，通過TCP/IP等通訊方式將現場數據傳送給調度中心。
針對地理位置較為偏僻的遠程監控站，采用GPRS無線方式進行數據傳輸，此種方式無需專門架設通信線路，輕松實現數據上傳與下置。
四． 系統功能
整套系統對集團公司整個天然氣輸配管網、場站、凈化廠的生產運行進行調度并對工藝對象進行數據采集及工藝過程和重要設備的控制，同時實現管網設備運行優化、制定輸送計劃、計量管理等一系列任務。調度中心的操作人員通過計算機系統的操作員工作站所提供的各場站工藝過程的壓力、溫度、流量、液位信號及設備運行狀態等信息，完成對整個輸配管網的運行監控和調度管理。系統具有靈活、易于學習和操作的人機界面，開放型的歷史數據庫和實時數據庫系統，使其在投產之后提供給用戶一個良好的開發和使用環境，其主要功能如下：
●實時數據的采集、歸檔、管理以及趨勢顯示及工藝流程的動態顯示。包括現場溫度、壓力、壓差、容積、液位PID調節參數及給定值的設定；球罐區的監控數據，管網輸配運行數據等；并且所有工藝流程均可動態顯示。
●各個場站監控平臺均可執行SCADA系統控制中心發送的調度和操作指令，并向調度中心發送帶時間標簽的實時數據，從而保證數據的同步性。
●現場可燃氣體的監測和報警顯示、管理以及事件的追憶、查詢、打印。同時具備事件記錄功能，管理人員可隨時了解系統運行狀況，根據事件記錄將事件責任落實到具體操作過程或者設備故障等。
●系統具備歷史數據的管理、存貯功能，根據不同需求生成生產報表，并且實現查詢打印功能,可實時顯示數據實時趨勢曲線和歷史曲線。
●系統結合先進的控制策略具備天然氣流量計算、輸配優化調度管理功能，并且可實現與企業信息管理系統ERP、MIS等系統對接，實現數據交互。
●系統遵循嚴格的用戶控制權限管理體制，具備網絡監視及管理功能，針對不同級別的操作人員設定不同的權限，實現安全可靠管理。
●分布式架構設計可以實現通信監視及管理和主備信道的無擾切換，具備系統自診斷和故障分析處理能力。遇有緊急情況可自動緊急切斷故障源，對系統起到安全保護作用。
●高效的網絡配置可實現與上級計算機網絡的通信及數據共享，良好的開放性為日后的系統擴容預留了足夠的接口。
五．結語
本系統利用現代網絡通訊技術，將地理位置分散的門站、加氣站、調壓/計量站有機的結合起來，實現公司在生產過程監控、統一調度指揮、安全系統的集中管理，在消除信息孤島的同時也為領導決策，安全運行與聯合調度提供可靠的實時數據。從而更好的提升公司在運營自動化、管理現代化的水平。
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