天然氣集輸過程中的信息化管理系統應用

吳 垠

（重慶燃氣培訓學院，重慶 400050）

0 引言

集輸系統是開發、利用天然氣的重要環節，其運行過程中會涉及大量且復雜的信息，例如管線運行情況、計量站運行情況及安全狀況等。傳統管理手段及方式已難以滿足現在天然氣企業及集輸工程的發展需求。因此，開發設計一個統一、高效且安全的集輸信息管理系統對集輸系統進行實時監測及管理，對推動天然氣企業及行業發展有深遠的現實意義[1]。為了滿足天然氣集輸信息化管理及安全管理的需求，遵循“分布式監測，一體化管理”的原則，運用現代信息化技術構建了一個統一的、能夠自動監測數據及采集信息的信息化管理系統，該系統有助于更加高效地開展集輸信息的監測、查詢及管理等工作。該系統是基于C/S+B/S混合軟件架構而設計開發的，采取分布式部署的方法且將系統分有2個層級：1） 計量站實時監測系統。該系統連接在計量站的工控機上，是基于C/S架構開發而成的，可有效提高工控機的運行效率及質量，還可以有效地將服務器的負荷控制在合理范圍內。2） 集輸信息管理系統。該系統是根據B/S架構而設計開發的，不僅方便了各部門的使用及對系統的升級維護，而且也提高了系統的集成化，可以對多個不同地區的計量站信息及數據進行有效管理。

1 遠程實時監測系統

1.1 總體結構

該天然氣計量站的遠程實時監測系統的組成部分主要包括計量間及現場儀表間，設備主要有遠程測控終端設備、不間斷電源UPS、加密狗、工業計算機控制設備及打印機等。為增強監測系統的可靠性，2臺工業計算控制設備采取主輔機設計，并用TCP/IP協議通信將主機和輔機連接到一起；再用RS485總線及Modbus協議把主機跟采集模塊連到一起，在使用過程中可以實現互相熱冗余備份。同時，以不間斷電源UPS為后備電源，可確保系統不受停電等因素的影響；加密狗可以驗證系統管理員的身份，提高了監測系統的安全性。在現場儀表間中有用于監測溫度、壓力及差壓等數據的電子儀表設備[2]。該遠程實時監測系統的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 遠程實時監測系統的網絡拓撲結構示意圖

1.2 工作流程

該遠程實時監測系統的功能主要包括統計管道的流量、結合運行情況進行數據分析、實時報警、報表打印、參數設置及網絡通信等，為確保數據安全，實現權限管理，還應用了工業安全概念，并按簡潔開放的工業設計原則對人機交互界面進行優化設計。該遠程實時監測系統的工作流程如圖2所示。

圖2 遠程實時監測系統工作流程示意圖

1.2.1 系統初始化

因為該實時監測系統只要開始運行就會不斷地采集數據及計算數據，所以為保證運行質量，需要先初始化實時監測系統的參數、數據庫文件及加密密鑰等，再進行其他操作。

1.2.2 數據采集及流量計量

該天然氣管道系統采用的是標準孔板計量法統計流量。為確保準確地統計相關數據，在管道上布置了很多的溫度傳感器、壓力傳感器及差壓傳感器，用來采集管道的相關流量信息及天然氣組分，再按照標準孔板計量法來計算天然氣管道的瞬時流量。

1.2.3 主機與采集模塊通信

利用Modbus協議計量站主機可以獲得RS485總線中的所有RUT數據及信息，并可以對其進行相應的處理。

1.2.4 監測報警

監測報警是指當監測管道中的相關數據出現異常時可以實時報警，以便第一時間發現及解決問題，確保整個系統的安全運行。該實時監測系統主要是通過管道上的溫度傳感器、壓力傳感器及差壓傳感器來監測采集數據，并在異常時發出警報。同時，因為報警事件具有突發性特征，所以為確保報警的準確性及有序性，采取隊列技術對報警進行設計，使危險事件能夠根據時間前后有序發出報警信號，并將其記錄和儲存在系統中。

1.2.5 數據處理

數據處理主要是指對數據進行加密、儲存、查詢及打印相關報表等。該實時監測系統中不僅設計了訪問數據庫的權限，而且還設計了相應的加密方法，即對數據進行加密后再傳送出去或存至數據庫中，有效地保障了數據的安全性。同時，該系統中針對工作交接用的報表進行了統一設計，并且可以將當天整點的溫度、壓力、差壓、瞬時流量及累計流量等相關數據調出來自動打印成報表，提高了工作效率。

1.2.6 主機與Web服務器通信

因為計量站通常都是布置在不同的地點及區域，所以只有通過實施監測軟件及數據服務器的通信網絡才能實現整個系統及綜合信息管理系統的信息共享。為此，針對用戶設計了相應的服務器IP地址和通信端口，使用戶通過LabVIEW的DataSocket通信功能來上傳所需要的信息及數據，同時，系統的接收服務器端會根據指令信息作出對應的反應。

1.2.7 權限管理

對計量站來說，其在人員配置上比較復雜且人員技術水平各有不同，同時，系統參數設置直接影響流量計量的準確性。因此，為了使流量計量足夠準確，并避免人為操縱因素影響系統的參數設置，針對實時監測系統設計了未登錄、系統管理員和應急賬號3個等級的用戶權限，即未登錄狀態下，實時監測系統也是可以正常運行的；登錄系統管理員賬號后，可以根據需要設置和修改相應的數據及參數且所有的操作會保存在系統內，方便后期查看。

2 集輸信息管理系統

2.1 總體結構

該天然氣集輸信息管理系統采用B/S結構、J2EE架構、XML技術及Java語言來開發，其數據庫選用的是關系型數據庫MySQL，并通過Hibernate與系統進行連接，確保系統可以穩定地運行。

2.2 系統功能

為滿足用戶需要，該集輸信息管理系統集合了GIS功能，可以將各計量站及管道的空間地理信息顯示出來。同時，系統也具有良好的交互功能，即用戶查詢信息時，系統可快速匹配GIS數據接口，并實現與管道管理及巡檢等系統的信息共享。為了在確保不同部門及不同等級用戶都能接觸到與其相符的數據信息及系統服務的同時，保障系統的安全，該系統也設置了相應的權限管理。另外，該集輸信息管理系統也具有實時數據顯示、歷史數據查詢、分析及報表打印分析等功能。總體來說，可將集輸信息管理系統的功能分為用戶管理、生產信息管理及實時監控3個模塊，具體如圖3所示。

圖3 系統功能結構圖

2.3 系統功能的設計及實現

2.3.1 主索引圖的設計及實現

主索引圖功能界面是根據ExtJS內經典的Border布局進行的設計，且將界面分成了菜單欄、工具條欄及顯示欄3個部分。其中，根據WebGIS構建了主索引，主索引頁面可以對GIS地圖進行放大、縮小及移動等操作。同時，也在計量站點及管道中設計了用戶事件監聽功能，即用戶單擊計量站點或者管道時，系統會顯示計量站點或管道的實時數據及信息；用戶雙擊計量站點或者管道時，系統會顯示其屬性信息。用戶也能夠利用該界面對某一計量站點的實時數據進行監測[3]。

2.3.2 數據查詢的設計及實現

數據查詢功能模塊主要由實時數據監測分析模塊和歷史數據分析模塊2個部分組成。其中，實時數據監測分析模板又按其對象不同分為計量站點實時數據分析模塊和管道實時數據分析模塊。例如用戶單擊主索引圖內的計量站點時，系統便可以從數據庫找到該站點的實時流量情況并顯示出來。而且，用戶也可以從菜單欄中選擇想要查看的計量站，分析其輸差情況。對管道來說，是從兩端統計其流量信息，則用戶單擊圖中的管道時，系統可以把2個計量站間的管道流量輸差情況及時準確地分析出來。同時，也將系統的管道數據分析功能分為歷史數據分析、年數據分析及余額數據分析3個部分，用戶可按照需要來查看及分析某一時間段內管道的溫度、壓力、差壓、瞬時流量及累計流量等信息，最后可以形成折線圖或柱形圖。

2.3.3 計量站點及管道動態添加的設計及實現

天然氣企業在運營及發展過程中，肯定需要建設新的計量站點或者添加新的輸氣管道，為了滿足這一現實需求，該系統設計了計量站點及管道的動態添加功能，增強了系統的拓展性。例如，添加新計量站點時，只要在地圖上選定新站點位置并輸入站點設備資料及相關工作人員基本信息，再單擊確認便可以完成添加新站點的任務。

2.3.4 數據接口的設計及實現

為了避免在添加新計量站的過程中可能會采用其他監測系統的情況并進一步提高系統的拓展性，需要對系統的數據接口進行開放設計，既能增強系統的拓展性，也可實現跟其他系統的數據共享。該系統接口由數據庫接口和表現層接口2個部分組成。其中，數據庫接口可以接收其他系統傳來的數據和信息，實現跨平臺計量站監測系統的信息交互。表現層接口可以與短信系統、郵件系統及管道系統等多個系統實現集成和融合，可以方便用戶使用。集輸信息管理系統的外部數據接口設計情況見表1。

表1 系統外部數據接口設計情況

2.3.5 用戶安全登錄的設計及實現

該集輸信息管理系統結構采用的是B/S結構，用戶可通過瀏覽器進行登錄訪問，這雖便于使用，但也降低了系統的安全性。因此，對集輸信息管理系統的登錄驗證進行安全處理，劃分用戶權限，以保障系統的安全。同時，該系統采用用戶名密碼+USBKey雙重認證法，可有效避免因用戶名+密碼方法認證簡單而給系統帶來巨大的潛在風險。系統管理員可以給每位用戶設計專屬的權限及加密鎖且加密鎖是唯一的密鑰，即在登錄驗證身份時，不僅要驗證用戶名及密碼，而且也要驗證密碼鎖是否匹配，這進一步提高了集輸信息管理系統的登錄安全性。該集輸信息管理系統的登錄驗證流程如圖4所示。

圖4 登錄驗證流程

3 結語

綜上所述，在“數字油田”、“數字石化”等理念不斷普及發展的背景下，石油化工企業之間的信息化競賽已然開始，其中天然氣集輸工程的信息化是一個重點工程。因此，為了能在市場競爭中站穩腳跟，石油化工企業就需要結合自身的實際發展需要，加大對天然氣集輸的信息化投入，構建統一的綜合化集輸信息平臺，實現集輸信息資源的共享及最大化利用，提高石油化工企業的運行效率及管理水平，從而謀求更大的發展空間。