物聯網技術在智慧城市燃氣管網監控的應用

張 超

（江蘇方洋集團有限公司，江蘇 連云港222006）

城市燃氣一般經長輸管線到達城市門站，然后通過城市高壓管網送到高/中壓力調壓站，降壓以后進入城市二級中壓管網，由二級中壓管網送入中/低壓調壓站和專用調壓站供應給居民用戶或直接供應給工業用戶。

某城市燃氣管網監控和數據采集系統（SCADA）主要包括門站、儲配站、LNG站、高中壓管網系統、調壓站和大用戶計量站。根據總體供氣方案和管理模式，要求建立一套基于物聯網（IoT）架構下完整的監控與數據采集調度的SCADA系統，該系統主要包括建立燃氣管網信息的采集和匯聚、分析和處理、以及交換和共享的感知層，建立適合燃氣管網數據監測監控的網絡層，建立整個城市燃氣管網數據信息協同和信息資源共享的應用層，從而實現城市燃氣管網數據監控、數據采集和輸配氣調度自動化等功能，保證燃氣輸配系統安全、可靠和高效運行。該系統主要建設內容如下：（1）在市燃氣總公司新建調度管理中心MCC（主站）一個；（2）在門站、儲配站及LNG站設置有人值守監控站共3個,系統已建設，需要將已采集的數據傳輸到調度中心MCC；（3）在高中壓調壓站、大用戶計量站、小區調壓站,新建無人值守監控站一期400個，采集流量、壓力、溫度和閥門等IO量。

1 基于物聯網下城市燃氣系統規劃

1.1 物聯網技術在城市燃氣輸配自動化應用

物聯網作為智慧城市應用的一個分支，是近幾年熱炒的一個概念，它通過射頻識別（RFID）等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網結構有多種提法，普遍接受的是國際電信聯盟提出的感知層、網絡層和應用層如圖1所示三層結構。

感知層是物聯網的核心，它由各種傳感器以及傳感器網關構成，如城市燃氣監控常用的溫度、壓力、流量和燃氣泄露傳感器、以及管網設備RFID標簽、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用是局部區域內完成物體識別和信息采集。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，實質就是信息與知識聚合，在城市燃氣監控中用到的無線GPRS網和有線公用網；應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它需要與具體行業需求結合，如和城市燃氣結合，就實現物聯網在城市燃氣管理方面的應用。

在三層構架上采取開放式架構，實現智慧城市大量數據終端接入（含實體和虛擬終端，如已建的門站、儲配站和LNG站可以抽象為一個虛擬終端），解決了網絡傳輸異構協議的轉換，在應用層通過城市燃氣管網和各子站“集散控制”，實現城市燃氣輸配自動化調度和管理。

圖1 物聯網系統示意圖

1.2 某城市燃氣管網SCADA系統結構

某城市新區燃氣管網調度監控系統主要由調度中心（MCC）、網絡通訊系統、本地監控站（SCC或SCS）即及現場檢測儀表、傳感器、變送器、執行機構等部分組成，實現主城區天然氣管網的實時中央監控和統一調度管理的功能。主站與遠端有人值守站之間SCADA系統的通信采用租用電信部門專用電路；主站與遠端無人值守站之間采用GPRS通信信道。SCADA系統分三層，系統結構圖如圖2。

圖2 某市SCADA系統結構

第一層：調度中心應用層

主要由SCADA系統、數據庫系統構成。SCADA系統：通過廣域網與各本地監控站點建立通信，獲取燃氣管網運行的實時數據，實現整個管網系統的遙測、遙信、遙控、遙調功能，完成對全管網數據集中采集和監控；數據庫系統：將SCADA系統提供的管網運行狀況實時監測數據非實時數據有機地統一起來，實現數據及信息的無縫連接和交換，以及系統的跨平臺、跨系統、跨網絡、跨應用的集成。

第二層：網絡通信層

系統的網絡通信包括局域網通信、廣域網通信兩部分。局域網通信：在中心調度層的各系統，采用千兆全交換式以太網作為骨干網絡，通信協議采用TCP/IP。廣域網通信：對于SCADA系統的廣域網通信，從中心調度層到各SCC之間的廣域網連接，通過GPRS或租用專業通信公司的信道，實現遠程數據的傳遞和交換。通信協議MODBUSTCP協議。

第三層：數據感知層

數據感知層由RTU/DTU、智能儀表、傳感器、變送器、執行機構等組成，獨立完成各本地監控點的數據采集和閉環控制功能。通過網絡通信，為調度中心提供可靠的現場實時數據，同時也能接受調度中心發來的控制和參數設定指令。

2 基于物聯網下某城市燃氣管網SCADA詳細設計

操作人員在調度控制中心通過SCADA系統可完成對全市天然氣管網的監控和運行管理，無人值守站點可達到無人值守的水平。以下是該系統設計概括性的說明。

2.1 城市SCADA系統調度中心設計

2.1.1 SCADA系統調度中心功能設計

調度中心實時采集遠端各有人/無人值守站點的工藝運行參數,實現對天然氣管網和工藝設備運行情況進行自動、連續的監視、管理和數據統計，為管網平衡、安全運行提供必要的輔助決策信息。其主要功能：

1）數據采集和處理

2）數據維護，對有些無法直接從SCADA系統中采集到的數據，可以人工錄入；該功能納入生產數據發布、查詢系統，采用B/S結構錄入與查看

3）工藝流程的動態顯示

4）報警顯示、管理以及事件的查詢、歸檔、打印

5）歷史數據的歸檔、管理以及趨勢圖顯示

6）生產統計報表的生成和打印

7）流量計算、管理

8）管道事故處理，如管道發生泄漏、設備運行異常等

9）安全保護

10）控制權限的確定

11）對系統進行時鐘同步

12）為MIS系統提供數據

13）與企業自動化管理系統平臺連接、進行數據交換

（1）SCADA系統運行機制

①各站無線路由器與通訊前置機通訊，建立通訊鏈路

②通訊服務器通過MODUBS協議與現場RTU進行通訊，讀取各站數據

③SCADA服務器與通訊服務器交換數據（通過建立虛擬串口，將TCP/IP網絡接收到數據轉發到虛擬串口上），管理處理數據

④SCADA服務器將數據寫入數據庫服務器；報表系統從數據庫服務器獲取數據，生成生產過程報表與統計報表

⑤操作員工作站，維護員工作站作為SCADA系統的客戶端，從SCADA服務器獲取實時信息，報警信息，歷史趨勢等

⑥區域網內各辦公室可以通過瀏覽器訪問WEB服務器，查看報表

（2）門站/儲備站/LNG站系統設計

門站/儲備站/LNG站的現場站控系統已由業主建設完畢。SCADA系統對門站/儲備站/LNG站功能如下：

14）與原有門站/儲備站/LNG站站控系統通訊，將數據讀到SCADA系統

15）與調度中心通信，將數據傳輸到調度中心

系統實現:

經過調查分析，目前門站/儲備站/LNG站站控系統實現技術路徑相同，其RTU與現場監控計算機之間采用基于TCP/IP的Modbus協議實現。因此門站/儲備站/LNG站要各設置1套通訊RTU，通訊RTU接入現有場站站控系統的通訊網絡，與監控計算機一樣通過基于Modbus協議的OPC方式與現有門站/儲備站/LNG站RTU通訊獲取數據。

門站/儲備站/LNG站RTU實現的ModbusTCP協議地址和數據字段定義已經得到，通訊RTU編程與調試可在線進行，不用對門站/儲備站/LNG站RTU進行特別處理，不影響下現有系統運行。

例如，遠端無人站設計遠端無人站點可以分為包含了高中壓調壓站/區域調壓站/用戶計量站。這些站點通過歸類總結，可以設計成為三類標準化站控系統，即：高中壓調壓計量站控；區域調壓站站控；用戶流量計量站控。

高中壓調壓計量站控和區域調壓站站控配置一套RTU控制器和壓力、流量、溫度、泄露報警探頭若干；RTU內置ModBus RTU協議可以取得總線流量計數據，每種流量計通訊程序只需開發一次即可標準化應用。RTU完成對所在場站的數據采集和監控任務外，還要完成與調度中心計算機監控系統之間的信息傳遞。RTU和調度中心通信選用內置基于GPRS/CDMA的sim卡DTU，DTU通過設置調度中心IP等參數，將數據通過無線網絡傳給調度中心。

用戶流量計量站控，由于采取數字儀表，所以無I/O輸出，選用內置多種燃氣計量數據協議采集單元的DTU，通過RS232或RS485通訊，采集每種流量計溫度、壓力、瞬時和累積流量等實時數據，通過無線與主控中心通訊。

以上各無人站由于取電不便，其供電采取太陽供電。

16）后記

該項目的實施是運用物聯網理念解決城市燃氣管網監測監控和數據采集成功案例。該系統自投運后，實現對全市燃氣各級輸配管網遠程抄表、用氣調度、事故應急、系統調峰、安全儲氣以及安全監控，建立一套高起點、高質量、具有國內先進水平物聯網構架下城市燃氣SCADA系統，提高了該市燃氣的管理水平并創造了巨大的經濟效益和社會效益。

［1］張鐵軍.城市燃氣管網SCADA系統設計與實現[J].石油化工自動化，2012（2）：49-52.

［2］張世寶.城市燃氣管網SCADA系統的設計[J].煤氣與熱力，2005（7）：35-37.