城鎮天然氣實流檢定站智慧控制系統設計

于 歡，周 聰

(北京市煤氣熱力工程設計院有限公司，北京 100032)

1 概述

對于燃氣計量器具的檢定，相比空氣流檢定方式，天然氣實流檢定更準確，應用更廣泛。目前國內的實流檢定站多服務于壓力級制10 MPa及以上計量儀表的檢定，適用于城鎮燃氣計量儀表的實流檢定市場需求很大。建設城鎮燃氣領域的計量檢定站，適應我國燃氣流量量值溯源體系建設和國家計量管理體制的要求，有利于技術進步。為從根本上保證檢定站的正常、安全、智慧運行，需要建立一套穩定、安全、經濟、靈敏、完善的安全管理監控平臺和體系。本文結合智慧控制功能，對城鎮天然氣實流檢定站(簡稱檢定站)內的燃氣工藝系統、配電系統、照明系統、安防及報警系統進行探討。

2 檢定站工藝流程與基礎系統

檢定站氣源接自高壓A(設計壓力4.0 MPa)天然氣管網。工藝流程為：天然氣經過濾、計量、調壓穩壓后，首先進入檢定區的待檢流量計，之后進入移動車載檢定裝置區的標準表流量計，兩流量計的計量結果相對誤差在允許范圍內，表示待檢流量計計量精度符合要求，否則需調校后重新檢定。再次檢定仍不合格，按照報廢處理。天然氣出站壓力為高壓B(設計壓力2.5 MPa)，出站后進入下游天然氣管網。

檢定站主要包含燃氣工藝系統、配電及照明系統、安防及報警系統。安防及報警系統包含視頻監控系統、門禁系統、周界入侵報警系統、可燃氣體報警系統。

3 檢定站智慧控制系統集成設計

3.1 設計概述

檢定站智慧控制系統(簡稱智慧系統)利用物聯網技術，通過各種網絡，把燃氣工藝、配電、照明、安防及報警不同系統和不同智能化設備實現統一集成，檢定站內任一系統節點都可與智慧系統協同聯系，通過匯集分析各種數據信息，實現高效、便捷的集中自動化管理，實現實時數據的交流共享。檢定站借助智慧系統實現無人值守，上級調度中心管理人員通過該系統監視檢定站運行參數，并在權限范圍內輔助站內設備運行。

檢定站智慧系統見圖1，圖1下虛線框內設備和線纜設置在檢定站內。首先將反映燃氣閥門、燃氣設備、配電設備、燈具、監控感應設備等狀態的數據，以及各種探測器或傳感器的檢測數據，通過控制面板、控制模塊、I/O模塊實現初步整合，與移動車載系統狀態參數一起，分別上傳至智慧燃氣工藝RTU控制系統(簡稱RTU控制系統)、智慧配電系統、智慧照明系統和智慧安防及報警系統。這4個系統通過網絡將數據上傳至物聯網控制器，物聯網控制器實現數據接收、控制、儲存、處理等指令，并配合其他設備實現大屏顯示、計算機記錄、打印、手機APP(工作人員隨身攜帶)和觸摸屏的移動端顯示，并與上級調度中心進行遠程數據通信。

智慧系統具有開放性和連通性。通過合適的硬件配置和搭建，將檢定站內各系統集成，達到集中顯示、連鎖、控制的功能，減少運營成本，針對傳統控制系統數據采集孤立以及難以聯動的問題，提出了有效的解決方案，并達到智能、高效、安全、節能、環保的目的。

圖1 檢定站智慧系統

智慧系統主要功能包括：保證正常生產過程持續、高效運轉，調度人員及時了解當前檢定站運轉情況。通過快速傳遞并反饋設備信息，實現快速定位、業務處理和故障修復。降低各種故障停機時間，延長檢定系統高效率生產時間。實現電能等能源節約，精確計量。提高計量檢定系統工作效率，增強檢定能力。保證廠區內照明相關要求，實現智能控制，因需調節。安防及報警滿足值守要求，系統反饋靈敏，安全可靠。

3.2 各系統設計

3.2.1RTU控制系統

RTU控制系統依據功能性、實用性、可維護性、可拓展性、安全性等設計原則，選擇技術成熟、性價比高、功能適當的控制系統，完成對進出站閥門區、過濾區、進站計量區、穩壓系統區、移動車載檢定裝置、檢定區、分流區、流量調節區和調壓計量區內數據的采集和控制。

主要檢測控制內容：高壓A天然氣進口進行壓力、溫度檢測和顯示，并設置超高、超低報警；在過濾器處設置壓差變送器，監測天然氣流通情況，并設置壓差超高報警；進站計量區進行高壓A天然氣流量檢測；高壓A天然氣經調壓、穩壓、分流及流量調節后，穩定在檢定工藝所需工況；高壓B天然氣出口進行壓力、溫度檢測和顯示，并設置超高、超低報警；記錄、顯示燃氣管道上重要球閥的閥位開關狀態信號，并實現遠程控制；單獨設置移動車載檢定裝置控制系統監測運行參數并完成相關工藝流程，預留與RTU控制系統的通信接口并具有開放通信協議，同時移動車載檢定裝置控制系統可接收RTU控制系統的相關參數及指令；檢定區根據待檢流量計口徑不同設置多條檢定線路，RTU控制系統設定自動切換檢定線路的功能，同時配合起重機根據口徑自動選擇檢定線路并實現自動吊裝，天然氣以實流方式通過檢定區，對已吊裝流量計進行檢定。RTU控制系統電源模塊為冗余配置，考慮以后的擴展功能，I/O模塊數量結合現有規模留有一定余量，同時預留與其他設備信號的接口。

3.2.2智慧配電系統

智慧配電系統主要采用兩種模式：智慧終端設備模式和智慧配電柜(屏)模式。

智慧終端設備模式：根據實際需求確定功能范圍，在配電支路加裝智慧終端設備(如電量采集器、溫控器等)以及配套智慧電流互感器，之后將電量采集器、溫控器等智慧終端設備采用有線或無線方式接入獨立智慧配電控制器。智慧終端設備根據自身的數字化功能進行相應配電支路的監控管理，智慧配電控制器根據系統詳情進行網絡搭建，確定組網及拓撲圖，最終實現電壓、電流、功率等多方面精細化保護。此模式適用于對普通配電系統的改造項目，智慧配電控制器可接入值班室計算機和顯示屏，可操作性強且較經濟。

智慧配電柜(屏)模式：結合不同設備負荷情況，綜合考慮各種配電柜(屏)型號規格、支路配電、相關參數配置及智慧配電控制器需求，確認一體化智慧配電方案。配電支路開關、熔斷器等選擇具有信號上傳功能的設備，通過相關儀表采集配電回路的電壓、電流、諧波質量數據、回路的通斷狀態、電流狀態、接地和防雷設備狀況等數據，上傳至智能配電柜(屏)。智慧配電柜(屏)內設置PLC或其他智慧控制器，通過數據采集來智能調節相關支路設備的頻率、啟停，對設備運行質量進行監控和狀態統計。智慧配電柜(屏)配套液晶顯示，觸控設計，采用安全防漏電形式，可實現遠程控制。此模式適用于新建的配電系統，可實現配電支路以及系統的高度智慧管理。

兩種模式均應用廣泛。在安全運行方面，智慧配電系統對異常狀態預警并可及時保護，尤其是具有電氣火災監控功能，可有效降低故障發生率，提高安全運行時間。在節約用電方面，智慧配電系統根據完備的能耗管理系統，對各設備運行進行模擬測算和精細管理，減少能耗成本。在運維管理方面，智慧配電系統提供本地、遠程不同控制途徑，大大減少人力需求，降低成本的同時提高管理效率，實現集中管理控制，簡化工作內容。

3.2.3智慧照明系統

燈具不僅作為照明設備，也是智能探測和網絡通信的節點，具有節能照明、數據采集和信息發布等功能。智慧燈具可配套GIS定位功能，對每盞燈具進行定位和編碼。在燈桿上裝設攝像頭、環境傳感器等，對是否有人或車輛經過實現自動監測，同時根據實時狀態調節燈的亮度，實現光照調控，提高節能效果。對檢定站內空氣質量、溫度、濕度、噪聲等進行監測，對數據進行記錄以便實施相關參數控制。在個別燈桿上安裝LED顯示屏，發布檢定站信息。

3.2.4智慧安防及報警系統

對視頻監控系統、門禁控制系統、各種報警系統實施遠程監控，包括查看數據參數、安全狀態、監控圖像以及配套連鎖控制等。通過無線傳感器、視頻數據采集等設備，對實時數據采集分析，結合錄入資料、典型區域調查，對監測預警系統以及監測參數合理設置。對各種設備、車輛、現場人員定位，定位系統一般基于 GIS、GPS等技術，一旦監控范圍內發生工藝設備故障或其他突發事件，調度人員可及時并直觀知曉事件發生的具體情況，派最近的現場人員快速到達現場處理。手機等終端設備可幫助現場人員第一時間將信息傳遞給調度中心，同時結合應急報警按鈕、語音對講及求助信息圖像采集等功能，便于調度中心及時回應并提供解決方案。

4 智慧云系統架構

檢定站智慧系統作為本地子系統，實現檢定站內各系統的智慧控制連鎖功能。基于物聯網技術，各不同檢定站智慧系統信息匯總后與上級調度中心進行遠程數據通信，通過網絡集成在智慧云系統上，見圖1。檢定站借助智慧系統實現無人值守，上級調度中心管理人員通過智慧云系統監視管理范圍內所有檢定站運行參數和狀態，并在權限范圍內輔助站內設備運行。

智慧云系統需要采用架構搭建和通信網絡實現遠程控制和傳輸，二者是系統正常運行的關鍵。系統架構整合環境感知、定位巡查、集中管理等資料，通過通信網絡的輔助與連接，將語音、數據、文檔等不同形式信息在高效渠道中進行傳遞和處理，不僅可以實現各子系統信息的采集與整理，還能有效實現各功能模塊的協調。

智慧云系統需要構建硬件平臺和軟件平臺，主要完成信息收集、數據處理、數據回傳以及決策支持等功能。硬件平臺是功能基礎配件，按照網絡橫向組成劃分，包括感知節點、傳感網、核心承載網和信息服務終端等。軟件平臺是功能神經主體，建立在分層的通信協議體系之上，通常包括數據感知系統軟件、中間件系統軟件、網絡操作系統等。

智慧云系統架構主要包括感知層、網絡層、數據智能處理層和應用層,見圖2。

圖2 智慧云系統架構

感知層將探測器或傳感器、RFID感應器、條碼識讀器、控制器等檢測或識別的數據通過M2M終端、傳感網、控制網等各種短距離通信網絡傳輸至網絡層。網絡層由各種無線或有線網關、接入網和核心網組成，實現感知層與數據智能處理層數據及控制信息的雙向傳送。數據智能處理層實現以數據為中心的核心技術，通過遠程調度、集控、云存儲或計算等手段實現數據匯集、存儲、查詢、分析、挖掘、理解，是應用層的重要數據支持，二者實現緊密的信息接收與反饋。應用層包括支撐子層和智慧云系統應用，其中支撐子層為智慧云系統應用提供通用支撐服務和能力調用接口[1]。

結合圖1與圖2，檢定站智慧系統作為感知層的一個感知節點，完成數據信息采集后上傳至智慧云系統。智慧云系統作為云端可輻射多個檢定站智慧系統，采用集散控制將指令或決策發送給每個檢定站智系統的物聯網控制器，借助于射頻識別技術、傳感技術、通信技術、云計算等收集完整信息，通過網絡通信端口將不同物聯網控制器與智慧云系統連接。智慧云系統數據智能處理層可引入空間位置信息、身份信息等相關功能軟件，通過相關技術將不同檢定站的所有信息進行整合、分類與重組，更加客觀、清晰地表達空間邏輯關系，配合身份識別系統、手機APP、觸摸屏等, 實現人員、設備等信息顯示和功能交互，并通過網絡層，有效精確地完成生產管理技術指導，最終實現智慧云系統下燃氣工藝自動控制、配電自動分配、能源節約、人力精細統籌、權限設定、安全管理等智慧應用。

5 通信網絡要求

智慧系統和智慧云系統的通信網絡主要分為有線通信和無線通信。有線通信包括以太網、串口通信等。無線通信分為近距離無線通信、短距離無線通信和長距離無線通信。檢定站按照易燃易爆環境考慮，建議RTU控制系統采用并行排列且抗干擾能力強的工業總線通信網絡，通過I/O端口實現數據傳輸，既確保通信數據穩定、實時傳輸準確、容錯性好，又極大降低后期的維護成本。

智慧系統和智慧云系統均支持BACnet、Modbus等標準協議及Java、Web等開放IT技術，根據具體設備協議開發相應驅動，對私有協議實現開發集成，同時對行業內大多數數據庫系統也提供支持。在設備方面做冗余設計，采用擴展技術在不同地點增加現場控制器及操作終端，同時不影響現場正常操作。