燃气SCADA技术方案完整版.docx

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燃气SCADA技术方案完整版

燃气SCADA技术方案

2015年1月

第1章建设目标

建立SCADA系统的主要目的有2个：

一方面是用于管理，包括生产的管理，设备的管理；另一方面,SCADA系统可以作为调度中心，通过对历史数据及实时数据的分析及模型计算，为生产管理者提供决策。

SCADA系统的主要功能是用于对大范围的远程场站、管网监测点、工商用户和居民用户进行监控，包括对各站点相关数据的实时采集、各种设备状态的实时监测以及对远端设备的调节和控制等。

除此之外，SCADA系统还包括以下功能：

1）利用预置的报警值，可以实时地对监测设备及监控到的数据产生报警；

2）能够根据保存的历史数据进行统计分析，并绘制历史趋势图；利用实时数据绘制实时趋势图；

3）根据系统保存的历史数据、人工输入数据以及其它相关系统的数据，编制统计报表、绘制统计曲线等；

4）为其它提供实时数据和历史数据。

SCADA系统最终目标是为实现对燃气系统的进气、计量、输配、调压全过程的监控、管理和调度，能实现生产信息、管网状况的自动化收集、分类、传送、整理、分析、和存储，为管网输配的优化调度、故障分析、辅助决策提供科学的手段。

第2章规范标准及选型

2.1系统架构标准

一般来说，标准的SCADA系统主要包括三部分组成：

主站端，通讯系统和远程终端单元。

◆主站一般采用先进的计算机，有着良好的图形支持，现在采用PC计算机和WINDOWS系统居多，在历史上，曾经有很多系统采用UNIX系统和XWINDOWS图形界面。

一个主站可能的分站数量从几十到几百、几千个不等。

◆通讯系统可以多种方式，有线的包括音频电缆、载波电缆、光纤、电力载波等，无线的包括电台、卫星、微波等。

◆远程终端单元（RTU/PLC）的品种也很多，大的系统由很多机柜组成，小的系统可能就是一个小设备盒。

2.2方案软件选型标准

2.2.1主要软件组成

1）组态软件

在系统构架中，组态软件是整个SCADA系统的核心软件。

该软件运行于WINDOWS操作平台上，提供ODBC或JDBC数据接口，并支持双机冗余热备及各类标准通讯协议的功能。

HMI工作站在数据采集的基础上进行相关的系统组态，并根据通讯状况切换数据采集路径，实现整个燃气管网的总体监控和管理，同时可以根据需要将用户感兴趣的监控画面发布在WEB上，实现基于Internet的综合管网信息监控和远程信息的综合诊断功能；采集的实时现场数据进入实时数据库进行有效存储和管理。

2）数据库软件

SCADA系统中的关系数据库是支持网络高可靠性、安全性的数据库软件。

实时数据服务器通过访问标准的数据接口如ODBC（或OLEDB），将数据存储在历史数据服务器中。

在历史数据库服务器上，系统通过运行内部触发器、存储过程等多种方式，将实时数据按照用户的要求存储为历史数据。

3）通讯前置机

在一般中大型的SCADA站控系统中，数据通讯都有专用的通讯前置机，实现本地站控和调度控制中心的交互，从而实现更高效、更稳定的数据传输。

4）服务器/客户端操作系统

服务器采用WINDOWSSERVER中文版操作系统。

工程师站、操作员站、图形工作站操作系统均采用Windows桌面中文版操作系统。

5）防毒软件

为保障通讯网络的安全性和运行的可靠性，选用企业版防毒软件。

该方案能够保护工作站和服务器免受当今所有种类的网络威胁，清除电子邮件中的病毒，保护所有网络资源的可用性和信息安全。

2.2.2组态软件标准

系统监控组态软件本身及相关文档均为中文版本。

应该具有全图形化界面、全集成、面向对象的开发方式，使得系统开发人员使用方便、简单易学。

功能覆盖广，软件组合灵活，高效性、内在结构和机制的先进性应确保用户可快速开发出实用而有效的自动化监控系统。

系统应支持在各种语言版本的操作系统上运行，可在画面中同时使用汉字及其他多国文字和符号，具备全中文的开发和运行环境。

工程师／操作员站监控、组态必须的软件均基于Windows系列操作系统，且必须提供Windows下的在线帮助功能。

使用该系列软件开发出的工程应具备项目文件备份功能，并且应支持工程文件口令保护。

工程师站应可对整个系统设置安全管理。

支持使用用户，权限，优先级，安全区的方式为用户提供安全验证。

以下内容是对监控组态软件的具体功能要求：

采集要求

数据采集方面，必须同时支持与多个厂家多种型号PLC的通讯，具有很强的兼容性，以方便项目硬件设备选型和以后硬件系统升级改造。

应支持同时采集各种PLC、仪表、变频器、板卡、RTU等设备的数据；应支持电话拨号、电台、GPRS、VPN等远程多种通讯方式。

在数据的采集技术上，必须支持数据缓冲和块传输。

数据采集站系统必须具备在通讯故障或者网络缓慢时，能够将数据进行存储缓冲处理，以缓解网络负荷，从而提高整个系统的性能。

系统数据的传输应采用高效的块传输机制，数据块作为通讯的最小单元，应可由用户自定义采集频率，合理进行打包处理，以提高采集效率。

在数据的采集技术上，应具备相位采集功能。

数据采集必须支持在线组态功能，能够在线添加、删除、编辑站点或者数据点。

必须支持在线监视和故障诊断。

当某个数据点或者站点发生数据传输故障时，能够产生报警，通知相应人员进行处理。

应支持多种冗余方式。

必须支持双链路冗余、双设备冗余、双机热备，应具备专用的冗余探测通道，冗余切换时间应小于1秒。

开发环境要求

大画面和无极缩放

a.开发系统应支持大画面的设计，支持大画面应达到30000*30000分辨率。

b.开发系统应支持在开发环境中进行画面的无极缩放，能够无限的放大或缩小可视空间并且缩放比例不失真，方便工程开发人员的画面开发组态。

画图工具和精灵图库

c.软件应提供方便的画图工具和丰富的动画连接。

d.软件应具有专门针对燃气行业的精灵图库（如阀门，温度、压力传感器，管道等）,精灵图必须内嵌动画链接和逻辑控制，为工程开发提供强大的资源。

e.软件应支持用户对现有精灵图进行编辑、修改、保存，并且应支持用户自己开发精灵图。

工程管理

a.开发环境应该采用项目树，使程序生成灵活，程序组织清晰明了。

b.应支持多个工程同时进行开发组态，开发过程中可以在工程之间任意切换，工程应支持导入\导出功能。

应支持多工程之间资源共享（如画面拷贝、变量拷贝等）。

c.根据应用场景不同，工程应能够直接进行多语言切换。

d.开发环境生成的工程，应该支持口令保护。

应具有项目文件备份功能。

数据模型和图形模型

a.开发环境中应使用数据模型和图形模型的概念。

b.通过数据数据模型实现快速创建变量和逻辑计算处理。

c.通过图形模型实现快速组态已经制作好的带有动画和逻辑脚本的图形对象。

d.修改模型的属性应具备属性传播到实例化对象中的功能。

脚本语言和变量

a.软件应支持全中文的脚本开发语言。

b.开发环境应支持类C语言基础语言作为内置编程语言，支持对象的脚本提示帮助功能，能够将对象的属性和方法列举出来方便选择。

脚本环境应能够便利的进行注释、缩进以及提供语法提亮功能。

c.系统应具有系统事件和自定义事件，为用户提供方便的开发平台。

d.开发环境应具有算术运算和逻辑运算函数。

e.开发环境应支持变量的快速搜索，并且为方便用户二次开发，组态软件必须支持全中文变量名和函数名及结构变量和引用变量。

应支持变量的批量生成、修改、合并、导入、导出等功能。

查找定位

a.软件应支持对变量、文本、资源等使用情况进行查找并快速定义到其使用位置。

b.软件应支持根据工程编译过程中出现的错误信息直接定位到故障所在位置。

运行环境要求

1）大画面和无极缩放

a.运行系统应支持大画面的设计，支持大画面应达到30000*30000分辨率。

b.运行系统应支持画面无极缩放，能够无限的扩大或缩小可视空间并且缩放比例不失真。

c.画面应该支持GDI+，支持真彩色显示各种图形对象，支持过滤色和透明色。

2）画面全集成

系统应支持全集成的画面展示，设备的视频信息、实时数据、历史数据和报警数据可以在同一画面上进行显示。

并且通过查找某一信息，即可得到与该信息相关联的其他信息。

3）图形模型

系统中相同设备的画面可以显示实时信息、历史信息，报警信息，这个画面应可以形成图形模型，当在系统上浏览其他与这个设备相类似的设备时，该图形模型可以自动对应到这个设备，从而方便系统的维护和升级。

4）冗余功能

a.软件应支持双机冗余功能。

当发生故障时应能快速在冗余机之间进行无扰切换，切换时间应小于1秒。

b.冗余机之间应具备专用的冗余探测通道（如专用的网卡或者串口等）。

5）趋势曲线

a.趋势曲线应支持实时曲线和历史曲线的在线切换。

b.趋势曲线应可以任意自由放大或缩小时间轴（如跨度可大于一年，也可是1秒）。

c.趋势曲线时间单位应支持毫秒精度。

d.趋势曲线应支持多纵轴多曲线展示，能为不同的曲线设置不同的纵轴，最多应可容纳64条曲线。

e.应支持多曲线同一时间的对比分析；支持单条、多条曲线的不同时间段的对比分析。

f.趋势曲线的游标应具有备注功能，能够根据不同的时间区间显示不同的注释内容。

g.趋势曲线应能够具有良好的客制化功能，能够定制不同外观的趋势曲线，应支持曲线显示设置。

6）报警功能

a.系统应具有强大的报警系统，能够对实时、历史的报警和事件进行显示、存储、查询等操作，并能够及时通知操作人员，以进行故障监控和决策制定。

b.报警显示窗口应支持多种模式，包括实时报警窗口、历史报警窗口和查询窗口。

c.实时报警窗口显示最新的报警信息，报警信息消失条件应可设置。

d.历史报警窗口显示历史报警事件，包括以往的历史报警信息、报警确认信息和恢复信息，报警事件的来源是报警缓存区。

e.查询窗口能够查询报警库中的报警事件，报警事件来源是报警库。

应支持多种报警查询条件，对报警信息的查询，可以按报警时间查询、报警类型查询、按记录类型查询等等。

应支持完全基于SQL的标准化查询语句。

7）报表功能

a.系统应具有独立的报表，能够实现为工程设计复杂的工程报表。

b.应能自动生成各类日、月、年报表。

c.操作人员应可以在远程浏览查看全部的报表数据。

8）历史数据记录

a.系统应具有的性能稳定的历史数据库，而不是依赖于关系数据库存储历史数据。

b.应能够对数据进行压缩存储以节省磁盘空间，应能够避免因为系统异常而丢失数据的可能。

c.为保证数据的完整性，网络间历史数据的传输应采用数据流的形式。

9）分布式系统架构

系统应完全基于C\S模式，应支持分布式的历史数据库和分布式报警系统，使各个功能可以分配在网络上不同的节点上。

10）开放性接口

系统应支持ActiveX控件，支持OPC、DDE，应提供丰富的API接口，支持自动化接口、.NET接口、OLE接口，支持访问历史数据和报警、事件，支持访问权限。

KingScada是亚控科技多年来潜心研发的产品，其组态画面优美、色彩丰富、动画逼真。

具有曲线、表格、柱状图等多种数据表现形式，对数据监控可以做到“一览无余”。

独特的数据模型和图形模型功能大幅减轻了开发和维护的工作量。

由专业人员制作的图库内容丰富，形象逼真，可以很好的体现出环保监控的专业性，让监管人员可以通过简单的操作就可以完全掌控现场设备的运行状况。

2.2.3主流组态软件选型标准

1．IFix：

（美国通用电气公司GE），版本号6.x

是国内做得最成功的组态软件品牌。

连续多年销售额第一。

其主要优势在于以下几点：

1），品牌知名度高，已经在用户心中形成事实上的最好品牌；2）系统稳定，技术先进，支持VBA脚本，产品技术含量在所有组态软件中最高；3）产品结构合理，系统开放性强，包括其IO驱动直接支持OPC接口；4）文档完备，驱动丰富。

但是其产品也有几个明显缺点：

1）产品价格偏高，超出国内价格基本上在10倍左右；2）主要是国内的一些代理做，技术支持和服务能力比较差。

2．intouch：

Wonderware（英国Invensysplc）产品，包括：

WonderwareInTouch10.0组态；wonderware工厂实时/历史数据库IndustrialSQLServer9.0

最早进入国内的组态软件，销售额仅次于IFix。

其主要优势集中在以下几点：

1）品牌知名度高，在用户心中对其认可度高；2）系统稳定，使用方便，画面组态部分相对于IfIX要方便一些；3）文档完备，驱动丰富。

缺点和IFix类似。

3．WinCC：

前期是捆绑西门子的设备，后期慢慢扩展，成为单独的软件，但是大部分还是用于西门子的设备；使用sybase作为数据库，基于C语言、windowsAPI编写脚本；报表是其缺点。

西门子的组态软件产品。

主要优势是：

1）对西门子本身支持完善，多数时候配套西门子硬件设备一起提供；2）软件加密不严格，国内盗版使用量大，一大部分工程师对其掌握熟练。

但是在非西门子设备中使用量较少。

4．DynacES（美国Transdync公司）

开发平台基于JAVA，（跨平台）运行于Linux是其最大的特点。

历史比较悠久，从1981年开始。

5．TRACEMODE（俄罗斯AdAstrAResearchGroup,Ltd公司）

2004年，AdAstrA公司率先将TRACEMODE®开发控制系统的强大功能，与商业生产管理开发系统结合起来，增添了以下模块：

EAM-资产管理；MES-生产管理；HRM-人力资源管理。

2.2.4前置机开发软件选型

通讯前置机一般基于面向对象语言来实现，通常使用如下几种语言：

1）C#

2）C++/C++Builder/VC

3）BV

4）Delphi

其中大部分还是以前两种居多，无论是多线程的并发性、开发的难易程度、后期的可维护性等，都具有优势。

2.3通讯网络标准

SCADA监测点根据重要性的不同，其网络建设可以不同：

1、场站、门站、重要监测点纪要提供有线链路，又要备有无线通讯方式，其中有线一般以租用专线的方式。

2、场站只提供无线链路：

一般为小型站点或工业用户采用宏电8921（3G）或7921（2G）无线路由器。

3、场站提供有线链路和无线链路冗余：

采用宏电8921（3G）、或者其他无线路由器。

2.3.1GPRS通讯网络

通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。

GPRS可说是GSM的延续。

GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。

GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

2.3.2基于光纤专线通讯网络

SDH（SynchronousDigitalHierarchy，同步数字体系）光端机容量较大，一般是16E1到4032E1。

SDH是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络，是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络（SONET）。

国际电话电报咨询委员会（CCITT）（现ITU-T）于1988年接受了SONET概念并重新命名为SDH，使其成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。

它可实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护、不同厂商设备间的互通等多项功能，能大大提高网络资源利用率、降低管理及维护费用、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护，因此是当今世界信息领域在传输技术方面的发展和应用的热点，受到人们的广泛重视。

2.3.3网络传输安全标准

为了实现通讯安全，特别是带有控制功能的通讯，必须考虑网络的安全传输。

这种情况下必须基于路由器选择VPN的隧道加密，隧道类型可以选择IPSec方式。

2.4合理化和建设性建议

1）在SCADA系统建设方案中，不能忽略系统安全的管理和应用。

例如：

数据中心的权限控制，通讯数据的安全性，现场设备的防雷、防爆安全性。

特别是涉及到远程控制时，安全防护机制不能缺少。

例如可以通过在数据中心增加VPN的网络防火墙、WEB防火墙，或者实施数据库审计系统，帐号结合USBKEY的权限验证，现场通讯路由器选择带有VPN隧道的通讯方式等等。

2）针对不同规模，不同应用环境有不同的实施规划和验收标准

3）设备选型要充分考虑未来至少5年左右的可扩展性和易于升级

4）加强SCADA和GIS的整合应用，GIS侧重在于监测点全局的展示和告警；而SCADA侧重于数据的采集和传输。

两者的有机结合从而更加有效发挥各自的优势。

5）工程的技术交底过程要严格，有效的实施。

第3章系统架构

3.1系统整体结构

3.1.1大型燃气公司结构

一般来说，大型燃气公司标准的燃气SCADA系统结构如下图所示：

3.1.2中小型公司结构

一般来说，中小型燃气公司标准的燃气SCADA系统结构如下图所示：

3.1.3本地站控系统

即数据采集和监测点，一般位于门站、调压站、场站等物理站点。

根据需要，本地站控系统又可以分为如下几个部分：

1）传感设备（流量计、变送器等）

2）采集总线（RS285、RS232、RS422等）

3）采集设备（RTU/PLC）

4）传输单元（DTU）

3.1.4通讯网络

通讯网络起着数据传输作用，现阶段用的网络传输方式有：

1）电台方式（慢慢被取缔）

2）GPRS/CDMA

3）3G或者4G

4）PVN、DDN

根据实际需要或者限制，可以将上述几种组合网络传输方式交叉使用。

同时根据需要在网络传输中可以基于某种加密方式实现数据的加密传输，避免明文被窃取或篡改。

3.1.5主控中心

主控中心有数据中心/调度中心，实现采集数据的汇总和展示、分析以及生产任务的调度。

一般来说主控中心又包括如下几个部分：

1）通讯前置机

2）存储数据库

3）组态客户端

3.2本地站控系统结构

3.2.1站控系统概述

站控系统俗称“从站系统”，一般来说，站控系统偏重直接控制。

场站主要包括首战、分输站、末站、阀室、门站、高中压调压站、重点工业用户专用调压站以及管网监测点，根据调压站是否有人值班管理分为有人值守场站和无人值守场站。

一般站控系统由现场仪表、远程控制单元及应用软件组成。

◆现场仪表：

现场仪表主要包括传感器、变送器、就地显示仪表、智能仪表及执行机构，主要负责检测、测量现场站点的运行参数并控制现场设备。

◆远程测控设备：

控制器一般由通信模块、电源模块、CPU模块、IO模块及附件组成，控制器有可编程逻辑控制器（PLC）和远程控制模块（RTU）。

常用的小型PLC产品有SIEMENSS7-200、ABFLEXLOGIX、施耐德Premium等；中型PLC产品有SIEMENSS7-300，ABSLC500、施耐德M340等；大型PLC产品有SIEMENSS7-400,ABControllogix5000,施耐德的Quantum等。

常用的RTU有美国SIXNET公司系列产品、美国爱默生过程管理公司ROC800产品。

3.2.2站控系统设计

一般来说，标准站控设计逻辑结构图如下所示：

有人值守场站网络图如下：

无人值守的场站（门站）网络图如下所示：

3.2.3本地站控系统设计

3.2.3.1有人值守

有人值守站站控系统就地设人机界面：

Ø站场数据采集、显示流程、趋势、过程控制、连锁保护、计量、数据存储等；

Ø数据上传调度中心，并接受调度中心下达的操作指令；

Ø监控参数包括压力、温度、过滤器差压、流量、清管球控制、泄漏报警、阴极保护、阀门状态、故障信号、热值分析；

Ø本地具有工艺数据显示、操作、报警等人机界面。

3.2.3.2无人值守

无人值守站站控系统没有人机界面，直接将数据通过通信方式送到调度中心：

Ø监控参数包括压力、温度、过滤器差压、流量、清管球控制、泄漏报警、阴极保护、阀门状态、故障信号；

Ø数据上传调度中心，并接受调度中心下达的操作指令。

3.2.4远传设备（RTU）

远端监控终端即RTU，主要由主机模块、无线数传模块（DataTerminalUnit，DTU，如GPRSDTU或CDMADTU）、电源管理模块（后备电源可选）、设备通信模块、数据存储模块等部分组成。

RTU的主要功能是：

通过设备通信模块按照指定的时间间隔采集设备端的读数、流量、压力等参数，并通过DTU与管理中心建立连接，将这些数据上传给管理中心。

当无法与管理中心建立连接时，RTU将采集的参数保存在存储模块里，待连接建立后，再将数据上传。

RTU与数据采集器之间采用RS485总线进行通信。

其主要配置有：

◆GPRS/CDMA传输模块

◆以太网口模块

◆数据采集模块

◆电源转换模块

◆后备电源模块

◆交流电源浪涌保护器

◆安全栅

◆电源浪涌保护器

◆信号浪涌保护器

◆通信用数据卡

3.3通讯网络结构

3.3.1通讯系统概述

通信系统实现了SCADA系统的数据通信，燃气SCADA系统特点是监控站点分布分散，通信多样性，包括无线GPRS\CDMA、卫星通信、有线有光纤、专线等。

根据实际的需要，燃气公司可以组建自己的APN或者VPN网络，从而可以更加保证系统数据在网络传输中的安全性。

3.3.2通讯物理网络设计

结合天然气公司现状，系统网络通讯一般设计成两种并行模式：

1．有线光纤专网

2．无线GPRS/CDMA/3G网络

上述两种网络已有线为主链路，无线为备用链路，从而保证网络的畅通。

例如：

对于单个站点，不具备专线的条件，则仅有无线通讯方式。

而对于门站有专网时，则双网络并行运行，系统能够自动在一个链路故障时，自动切换。

双网络的冗余设计如下图所示：

3.3.3单链路网络结构

针对普通站点，即保持在一个时刻单DTU单中心模式，网络拓扑图如下所示：

方案特点：

Ø单DTU配置两个中心IP地址，分别指向主、备中心前置机。

Ø虽然配置两个中心，但在同一时间只连接一个中心。

一旦一路故障，DTU自动切换到另一个链路。

Ø网络基于燃气公司现有的专线网络（APN/VPDN）。

Ø链路数据基于MTEP协议封装和加解密。

Ø数据传至中心后，通过前置机，进入数据库。

3.3.4双链路网络结构

对于一类、重点站点，系统设计成双网络、双链路通讯，网络结构图如下所示：

在该方案中：

Ø每一个RTU控制器通过两个串口挂接两个DTU设备。

Ø双链路采取双在线的方式，各自独立，分别指向主、备中心前置机。

Ø每一个DTU同样配置双中心IP地址，连接主备中心。

Ø网络基于成燃现有的移动专线网络（APN）。

Ø链路数据基于MTEP协议封装和加解密。

Ø数据传至中心后，通过前置机，进入数据库。

3.3.5物理网络配置模式

考虑成燃网络实际架构现状，结合本次项目具体实施方案，具体网络配置结构如下图所示：

由上图可以看出：

1．对于备用中心，配置单网卡，单网络并且走移动专网。

2．对于主中心，配置双网卡、4个IP、即配置移动专线IP，同时配置联通专线IP。

3．前端展示部分和主中心交互；同时可以切换至备用中心。

备注：

虚线链路表示备用IP的备用链路。

3.4中心站控系统结构

3.4.1主站概述

SCADA的主站系统（MCC）负责对整个燃气管网进行输配调度管理、安全监控、数据分析等功能。

一般包括软件和硬件两个部分：

◆硬件部分：

服务器、工作站、网络设备、打印设备等。

◆软件部分：

操作系统、SCADA软件、数据库软件、报表分析软件等。

庞大的主站系统一般包括如下内容：

Ø通讯前置系统，主要负责解析各种不同的规约，完成通