城市燃氣SCADA系統設計與維護實踐與創新

摘要：隨著城市化的不斷推進，城市燃氣供應安全顯得尤為重要。其中，燃氣監控自動化系統（SCADA）在保障燃氣供應安全中扮演著至關重要的角色。通過深入分析城市燃氣SCADA系統設計與維護的實踐過程，探討了其創新應用及遇到的挑戰。在對約150個城市燃氣SCADA系統進行廣泛調研并收集整理數據的基礎上，獨特地定義了系統的架構與功能模塊，并將之與現行的國際標準進行了對比分析。同時，結合現代網絡技術、物聯網感知技術及數據處理技術，提出了基于云計算的監控系統設計方案，實現了數據的高效處理與存儲。

關鍵詞：城市燃氣SCADA系統；系統架構；數據處理技術；維護策略；網絡安全

一、前言

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市燃氣管網的規模也在不斷擴大。城市燃氣管網是城市重要的生命線工程之一，關系到城市居民的生活質量和城市的可持續發展。為了提高燃氣管網的安全性和可靠性，實現燃氣管網的高效運行和智能化管理，城市燃氣企業普遍采用了SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制系統）技術[1]。SCADA系統能夠實時監測管網的運行狀態，及時發現和處理各種異常情況，保證燃氣供應的安全穩定。

然而，城市燃氣SCADA系統的設計與實現是一項復雜的系統工程，涉及通信、自動化、信息等多個領域的技術[2]。系統的穩定性、可靠性、安全性都面臨著嚴峻的考驗。同時，城市燃氣管網不斷擴張，用戶需求日益多樣化，對SCADA系統的功能和性能提出了更高的要求。因此，如何根據實際需求合理設計SCADA系統架構，采用先進適用的技術手段，實現系統的優化升級和智能化運維，是擺在燃氣企業面前的一項重要課題。

二、城市燃氣SCADA系統概述

SCADA系統是燃氣公司信息化、自動化和智能化的重要基礎。目前國內城市燃氣公司普遍建設了SCADA系統，實現了對城市門站、調壓站、閥室等生產設施的遠程監控[3]。一個典型的燃氣SCADA系統由以下4部分組成：

（一）現場端

包括RTU、PLC、流量計、壓力變送器、液位變送器等，負責采集管網各測點的實時數據并控制閥門等設備。常見的通信協議有Modbus、IEC 104等。門站RTU一般具有100～200個AI/DI測點，調壓站RTU測點在50個左右。

（二）通信網絡

采用光纖、GPRS等方式，將現場端數據可靠地傳輸到主站。大中型城市燃氣管網點多、面廣，需要組網的RTU數量可達上百個，對通信可靠性和實時性要求高。

（三）主站系統

通過組態軟件，如組態王、iFIX等，實現對管網的集中監控、統計分析和生產調度。典型的主站配置為雙機熱備，I/O點數在數萬個量級。主要功能模塊包括：

1.圖形組態

生成各類拓撲圖、趨勢圖、報表等，直觀展現系統運行狀態。

2.實時數據庫

存儲海量的實時和歷史數據，為statistical分析提供支撐。常見的時間序列數據庫有PI、InfluxDB等。

3.報警管理

及時發現并通知值班人員處理系統異常和超限等告警事件。

4.統計報表

對生產運行數據進行統計分析，生成日、月、年報表，為管理決策提供依據。

（四）二次開發平臺

在組態軟件基礎上，使用VB、C++等語言進行個性化的功能擴展開發，以滿足燃氣公司的實際業務需求，如計量管理、搶險調度、巡檢管理等。

除了基本的 SCADA功能，城市燃氣系統還普遍與GIS、PDMS等專業系統進行數據集成[4]，實現管網數據一張圖綜合展示。通過在 GIS 平臺上溯源管網壓力、流量等實時數據，可以直觀評估管網的健康水平。此外，SCADA 還作為數據源，為管網仿真、配氣優化、泄漏檢測等智能應用提供基礎支撐數據。隨著燃氣行業信息化的不斷深入，SCADA系統必將與越來越多的業務系統實現互聯互通、融合創新，為燃氣公司的安全生產和精細化管理提供堅實保障[5]。

三、系統設計方法與實現

在城市燃氣SCADA系統的設計與維護實踐中，采用多種手段確保系統的高效穩定運行與安全性，包括系統架構設計、數據處理流程、通信協議安全等[6]。SCADA系統數據庫的接口設計具體見表1。系統設計遵循模塊化、分層次、網絡化的基本原則，通過真實工況模擬和數據反饋，實現長期穩定控制。燃氣 SCADA系統中間人攻擊示意圖如圖1所示。數據處理流程的優化是提升系統響應速度和準確性的關鍵環節，采用分布式計算和數據冗余策略，確保關鍵數據的實時處理和備份，以SCADA系統數據處理關鍵公式進行優化處理，具體見公式（1），實現數據的高效整合和精確計算[7]。最終呈現的天然氣SCADA系統運行狀態界面如圖2所示。

四、系統維護與創新手段

在城市燃氣SCADA系統的維護與創新實踐中，調整對于系統長效運行至關重要。本研究深入分析了優化SCADA系統的多維度方法，旨在通過自動化與信息化手段提升系統穩定性和響應速度。其中，SCADA系統維護自動化腳本的設計是系統提升的關鍵環節，不僅減少了人工干預頻次，也極大提高了維護操作的精準性和效率[8]。維護自動化腳本以Python語言為基礎，結合SCADA系統的運行特性，設計了一系列功能模塊。腳本首先根據IP地址參數通過connect函數初始化與系統的連接，確保了與現場設備的實時通信。具體腳本如圖3所示。接下來的主體函數maintenance_tasks調用連接實例，按設定周期執行檢查系統日志、更新配置參數、執行系統自檢、數據備份等一系列維護任務[9]。針對可能出現的異常情況，例如，網絡波動或數據錯誤，腳本內嵌有錯誤處理機制，能夠捕捉異常，并執行預定義的故障處理流程，確保系統穩定性不受影響。任務完成后，通過disconnect函數安全終止與系統的連接，并且保證所有維護操作留下可追溯的記錄。

五、結語

城市燃氣SCADA系統是保障城市能源安全、促進行業高質量發展的關鍵基礎設施。只有堅持創新驅動、與時俱進，以先進的信息化手段支撐業務管理變革，城市燃氣企業才能在新時期保持強勁的市場競爭力。本文對SCADA系統設計、維護及創新方法的探討，可為業內同行提供一定的參考和啟示。

參考文獻

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[9]石磊，相世權，王聰，等.城鎮燃氣安全運行管理創新體系的建設及應用[J].新型工業化，2021，11（09）：52-53.

作者單位：東莞新奧燃氣有限公司

責任編輯：王穎振、鄭凱津