西南油氣田城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)SCADA系統(tǒng)中一體化RTU應(yīng)用研究

夏太武 齊安彬 唐柳怡

1中國(guó)石油西南油氣田分公司燃?xì)夤こ萄芯克?/p>

2四川利能燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)有限公司

3新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū)

城市燃?xì)庵饕ㄟ^(guò)高壓、次高壓、低壓管道連接站場(chǎng)（門(mén)站、配氣站、CNG、LNG站等）、橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜、閥井等生產(chǎn)單元，將氣田外輸管道或長(zhǎng)輸管道的天然氣經(jīng)過(guò)濾、分離、調(diào)壓等工藝處理后進(jìn)入終端用戶(hù)。近年來(lái)，隨著城市燃?xì)馐袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)內(nèi)外大型城市燃?xì)夤炯娂娊柚屡dIT技術(shù)，建設(shè)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）等信息系統(tǒng)[1-2]，以提高企業(yè)產(chǎn)管理水平和效益，降低安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和成本，進(jìn)而提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。SCADA系統(tǒng)所涉及的生產(chǎn)單元點(diǎn)位多、分布廣，應(yīng)用廣泛，投入的人力、財(cái)力也較大。本文主要針對(duì)SCADA系統(tǒng)中數(shù)量最多的橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜，研究建立一套一體化RTU（遠(yuǎn)程終端單元），以期優(yōu)化SCADA系統(tǒng)建設(shè)方案，節(jié)省項(xiàng)目投資和后期運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用。

1 現(xiàn)狀

近些年，SCADA系統(tǒng)正成為國(guó)內(nèi)外城市燃?xì)庑畔⒒ㄔO(shè)的熱點(diǎn)。燃?xì)夤就ㄟ^(guò)SCADA系統(tǒng)建設(shè)，采集前端生產(chǎn)單元重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建SCADA系統(tǒng)調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夤緦?duì)生產(chǎn)單元的遠(yuǎn)程監(jiān)視和重點(diǎn)部位的遠(yuǎn)程控制管理。以此為基礎(chǔ)，建立了基于SOA架構(gòu)的數(shù)字化管理系統(tǒng)，逐步開(kāi)展各項(xiàng)業(yè)務(wù)的集成應(yīng)用建設(shè)，提高了燃?xì)夤镜纳a(chǎn)管理效率和應(yīng)急處理能力，有效降低了安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

西南油氣田分公司在“十二五”期間對(duì)城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的SCADA系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了試點(diǎn)探索，積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)；“十三五”伊始，西南油氣田分公司先后制定了SCADA系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃、技術(shù)方案以及配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前SCADA系統(tǒng)建設(shè)正有條不紊地展開(kāi)。

2 SCADA系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃與技術(shù)方案

西南油氣田城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)SCADA系統(tǒng)借鑒了集中部署式的信息化系統(tǒng)架構(gòu)，將系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和系統(tǒng)應(yīng)用層[4]?，F(xiàn)場(chǎng)層完成對(duì)生產(chǎn)單元重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并接受應(yīng)用層的控制指令，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元關(guān)鍵部位的遠(yuǎn)程控制；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層完成所有數(shù)據(jù)的集中采集、儲(chǔ)存、整理和Web發(fā)布，同時(shí)將數(shù)據(jù)推送至部署在辦公網(wǎng)上的綜合數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)池，為管道完整性管理、客戶(hù)信息管理等應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)用層設(shè)置工作站和Web客戶(hù)端，與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層之間構(gòu)成B/S、C/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)托管單位、燃?xì)夤緦?duì)生產(chǎn)單元的遠(yuǎn)程集中監(jiān)視和控制管理。為確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制指令流傳輸安全、可靠，現(xiàn)場(chǎng)層與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)流傳輸采用生產(chǎn)局域網(wǎng)，與公網(wǎng)和辦公局域網(wǎng)隔離。SCADA系統(tǒng)建設(shè)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，為優(yōu)化項(xiàng)目投資，采用有線和無(wú)線相結(jié)合的傳輸方式。站場(chǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)量相對(duì)較大，且有遠(yuǎn)程控制指令，傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求相對(duì)較高，采用有線傳輸；對(duì)點(diǎn)位數(shù)量多、單點(diǎn)位數(shù)據(jù)傳輸量相對(duì)較小的橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜、閥井等生產(chǎn)單元租用電信運(yùn)營(yíng)商無(wú)線APN網(wǎng)絡(luò)（圖2）。此外，為確?；A(chǔ)數(shù)據(jù)層采集數(shù)據(jù)的完整性，要求基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層與各生產(chǎn)單元之間具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能，故生產(chǎn)單元的RTU/PLC需遵循基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)乃接蠱odbus TCP/IP協(xié)議。

圖1 SCADA系統(tǒng)建設(shè)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of SCADA system

圖2 現(xiàn)場(chǎng)層與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層之間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network architecture between field layer and basic data layer

3 信息采集技術(shù)分析

橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜等生產(chǎn)單元作為城市燃?xì)馍a(chǎn)單元的主體，掌握其及時(shí)、真實(shí)的生產(chǎn)狀況對(duì)燃?xì)夤景踩a(chǎn)起著舉足輕重的作用，也是城市燃?xì)釹CADA系統(tǒng)建設(shè)的主體。但由于這類(lèi)生產(chǎn)單元地處城市街區(qū)或郊區(qū)，存在周邊人居環(huán)境復(fù)雜、安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高、用電難、設(shè)備安裝位置受限等問(wèn)題。

目前，尚未見(jiàn)文獻(xiàn)研究橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜等生產(chǎn)單元信息采集一體化RTU的案例。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際做法主要有3種：①采用常規(guī)RTU、DTU、太陽(yáng)光伏板+蓄電池+充放電控制器；②采用集成DTU模塊的RTU，以及太陽(yáng)光伏板+蓄電池+充放電控制器；③采用集成DTU、太陽(yáng)能光伏板充放電控制模塊的RTU，以及太陽(yáng)光伏板+蓄電池。上述3種做法都遵循標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU或Modbus TCP/IP協(xié)議，租用運(yùn)營(yíng)商無(wú)線公網(wǎng)，通過(guò)RTU廠家專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)采集軟件和平臺(tái)，為燃?xì)夤咎峁￤eb端接口，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤緦?duì)前端生產(chǎn)單元的遠(yuǎn)程監(jiān)視和管理。橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集架構(gòu)如圖3所示。

其中，第①種做法的現(xiàn)場(chǎng)信息采集設(shè)備總功耗偏高，設(shè)備集成度不高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不多；第②、③種方式將DTU固化在RTU主板上，現(xiàn)場(chǎng)信息采集設(shè)備總功耗相對(duì)較低，應(yīng)用最為廣泛，但這種做法中的DTU升級(jí)改造很困難，尤其在燃?xì)夤緦?duì)SCADA系統(tǒng)安全要求越來(lái)越高、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)不斷升級(jí)的情況下，以及公網(wǎng)改ANP專(zhuān)網(wǎng)、2G升4G、普通SIM卡改物聯(lián)網(wǎng)卡時(shí)，需要對(duì)RTU主板進(jìn)行重新研制。此外，上述3種做法的主要問(wèn)題還在于不支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳功能的要求。

為此，在西南油氣田城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)大力推廣SCADA系統(tǒng)建設(shè)的背景下，開(kāi)展針對(duì)橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜實(shí)際生產(chǎn)情況，研究符合西南油氣田城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)SCADA系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和框架的一體化信息采集方案是非常必要的。

4 信息采集一體化RTU方案研究

按照城市燃?xì)馇裂b、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜信息采集的總體框架和要求，橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜等生產(chǎn)單元前端信息采集一體化RTU需包括信息采集、存儲(chǔ)、通信、供電等模塊。各模塊應(yīng)既相對(duì)獨(dú)立，又同時(shí)集成在同一張RTU主板上，便于后期各模塊升級(jí)和系統(tǒng)的整體運(yùn)行維護(hù)管理。信息采集一體化RTU硬件組成如圖4所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集

4.1.1 需求分析

（1）常規(guī)數(shù)據(jù)。橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜等生產(chǎn)單元需采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括壓力數(shù)據(jù)（AI）、可燃?xì)怏w探測(cè)器數(shù)據(jù)（AI）、天然氣流量數(shù)據(jù)（RS485）。

圖3 橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集架構(gòu)Fig.3 Data acquisition architecture on diagramskid-mounted equipment，pressure regulating box and pressure regulating cabinet

圖4 信息采集一體化RTU硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware structure diagram of integrated RTU with information acquisition

（2）物聯(lián)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。包括內(nèi)部溫度、濕度、功耗、通信流量、運(yùn)行時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、異常告警等數(shù)據(jù)。

（3）物聯(lián)靜態(tài)數(shù)據(jù)。包括硬件設(shè)備型號(hào)、軟件版本號(hào)、地理位置、產(chǎn)品序列號(hào)、出廠日期、安裝日期等數(shù)據(jù)。

4.1.2 方案配置

（1） 配置AI、AO、DI、DO、RS485 等接口，以滿(mǎn)足生產(chǎn)單元采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行遠(yuǎn)程控制指令要求。

（2）配置設(shè)備動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集及處理模塊和RFID外圍標(biāo)簽，采集設(shè)備動(dòng)、靜態(tài)信息，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)備自診斷功能，故障報(bào)警信息除了就近存儲(chǔ)外，還可以上傳至SCADA系統(tǒng)監(jiān)控中心，供調(diào)度管理人員參考決策。此外，通過(guò)掃描RFID標(biāo)簽，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)RTU設(shè)備的自動(dòng)坐標(biāo)定位保存，方便尋點(diǎn)巡檢。

（3）配置數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊，除了提供系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存外，可以作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的臨時(shí)儲(chǔ)存，同時(shí)也為斷點(diǎn)續(xù)傳奠定基礎(chǔ)。

4.2 通信

4.2.1 需求分析

（1）RTU與生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)庫(kù)之間采用APN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，RTU需增設(shè)對(duì)應(yīng)的無(wú)線通信模塊。

（2）在進(jìn)行RTU配置、調(diào)試和日常巡檢時(shí)，需要有硬件接口與手持設(shè)備和移動(dòng)電腦實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)通信。

（3）預(yù)留擴(kuò)展接口，便于后期通信功能擴(kuò)展。

（4）通信協(xié)議須與前文所述的私有Modbus相匹配。

4.2.2 方案配置

（1）配置相對(duì)獨(dú)立的全網(wǎng)通4G通信模塊，集成但不固化在RTU主板上，支持運(yùn)營(yíng)商GRE/L2TP物聯(lián)網(wǎng)卡，支持APN。

（2）配置藍(lán)牙通信模塊、WIFI通信模塊和基于Android手持設(shè)備APP。利用即插即用的無(wú)線藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)RTU所有通道的配置；通過(guò)WIFI無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表讀數(shù)校驗(yàn)，并可實(shí)時(shí)獲取RTU設(shè)備信息，方便檢修維護(hù)作業(yè)。

（3）配置PCIE插槽，為后期NB-IoT模塊應(yīng)用擴(kuò)展預(yù)留接口。

（4）在通信協(xié)議方面支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的同時(shí)還具備針對(duì)前文中Modbus私有協(xié)議進(jìn)行訂制開(kāi)發(fā)的功能。

4.3 供電

4.3.1 需求分析

根據(jù)城市燃?xì)馇裂b、調(diào)節(jié)箱、調(diào)壓柜信息采集中現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例，集成有DTU、太陽(yáng)能光伏板充放電控制器的一體化RTU自身功耗可達(dá)到不超過(guò)2 W，為確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性，需要持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地對(duì)RTU供電。

4.3.2 方案配置

（1）配置太陽(yáng)能光伏板充放電控制模塊，集成但不固化在RTU主板上，并設(shè)置配套的太陽(yáng)能光伏板和蓄電池為RTU供電。

（2）太陽(yáng)能光伏板和蓄電池配置方案。文獻(xiàn)[5]對(duì)西南油氣田站場(chǎng)的供電現(xiàn)狀和方式做了詳細(xì)的論述，并就無(wú)人值守站場(chǎng)穩(wěn)定電源提出了解決方案。西南油氣田城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜、閥井等現(xiàn)有供電方式與此類(lèi)似，主要有市電、農(nóng)電和太陽(yáng)能+電池三種。其中，市電供電建設(shè)投資和后期運(yùn)行維護(hù)成本均較高，建設(shè)周期偏長(zhǎng)；農(nóng)電建設(shè)投資和后期運(yùn)行維護(hù)成本均偏高，且到了夏季、冬季用電高峰期會(huì)頻繁停電，不符合系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)供電的需求；采用普通太陽(yáng)能光伏板電能轉(zhuǎn)換效率達(dá)不到要求，一旦遇到持續(xù)陰雨天，太陽(yáng)能+蓄電池組無(wú)法維系現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用電需求，文獻(xiàn)[5]中提出的快充方案雖然可行，但對(duì)點(diǎn)位數(shù)量龐大的橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜，后期運(yùn)行維護(hù)耗費(fèi)的人力、財(cái)力將偏大。

常規(guī)太陽(yáng)能+蓄電池組不能滿(mǎn)足生產(chǎn)單元持續(xù)供電要求的主要因素在于光伏板光電轉(zhuǎn)換效率偏低，蓄電池使用效率和壽命衰減過(guò)快。為此，可從以下兩方面進(jìn)行綜合考慮：

第一，結(jié)合生產(chǎn)單元具體的地理位置和氣候條件，選擇科學(xué)、合理的光伏板安裝角度，提高光伏板日平均光照時(shí)間，從而提高光伏板日平均光電轉(zhuǎn)換量；針對(duì)川渝地區(qū)日照時(shí)間短且多云多霧，到達(dá)地面的太陽(yáng)光通常以散射光居多的情況，優(yōu)化完善光伏板材料組成，加強(qiáng)光伏板對(duì)散光的吸收和轉(zhuǎn)化，從而提高光伏板光電轉(zhuǎn)換量。

第二，常規(guī)蓄電池使用效率和壽命衰減過(guò)快的主要原因是在接受太陽(yáng)能充電的同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。要解決此問(wèn)題，可選擇兩組蓄電池進(jìn)行冗余配置，遵循充電不放電、放電不充電的原則，確保蓄電池的使用壽命。

比如：按本文的一體化RTU解決方案，現(xiàn)場(chǎng)總設(shè)備平均功率不超過(guò)5 W，利用蓄電池容量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[6]蓄電池容量為97.2 AH?？梢栽O(shè)置2組蓄電池，每組2塊（50AH），互為備份，由太陽(yáng)能光伏板充放電控制模塊對(duì)太陽(yáng)能光伏板、蓄電池進(jìn)行監(jiān)控和管理，盡可能減緩蓄電池使用效率和壽命的衰減。

5 應(yīng)用前景

信息采集一體化RTU集成了生產(chǎn)數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)、靜態(tài)數(shù)據(jù)采集功能模塊，以及通信、太陽(yáng)能充放電控制功能模塊，其集成度高，總體功耗較低，達(dá)到了節(jié)能效果，同時(shí)也更好地解決了橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜取市電難的問(wèn)題[7]。

（1）西南油氣田分公司城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的橇裝、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜等生產(chǎn)單元數(shù)量有數(shù)千個(gè)，且目前正在大力推廣SCADA系統(tǒng)建設(shè)，這種完全適合西南油氣田分公司城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)SCADA系統(tǒng)技術(shù)框架和標(biāo)準(zhǔn)的一體化RTU推廣價(jià)值非常大。

（2）由于一體化RTU采用模塊化設(shè)計(jì)，集成但不固化，其兼容性和互換性強(qiáng)，應(yīng)用范圍將不限于燃?xì)馇裂b、調(diào)壓箱、調(diào)壓柜，如完善供電方案和設(shè)備封裝，可以將其應(yīng)用于城市閥井SCADA系統(tǒng)建設(shè)；調(diào)整外圍接口和通信模塊，可以將其應(yīng)用于城市水處理等領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)建設(shè)，應(yīng)用前景非常廣泛。

（3）從項(xiàng)目投資角度來(lái)說(shuō)，一體化RTU的集成度高、功能全，與RTU+DTU等建設(shè)方案相比，本文研究的一體化RTU解決方案因集成度高可以減少不必要的軟、硬件接口的重復(fù)開(kāi)發(fā)，從而降低設(shè)備生產(chǎn)成本，為企業(yè)節(jié)省SCADA系統(tǒng)建設(shè)投資創(chuàng)造了條件。

（4）一體化RTU集成度高，廠家提供成套式服務(wù)，總體維護(hù)費(fèi)用降低，系統(tǒng)建成后的運(yùn)行維護(hù)難度也降低。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）信息采集一體化RTU總功耗低，既有節(jié)能效果，又解決了太陽(yáng)能光伏組件和蓄電池容量配置過(guò)大不易安裝的問(wèn)題。

（2）信息采集一體化RTU采用模塊化設(shè)計(jì)，功能模塊集成而不固化，兼容性和互換性強(qiáng)，外圍接口豐富，在滿(mǎn)足西南油氣田分公司城市燃?xì)鈽I(yè)務(wù)SCADA系統(tǒng)建設(shè)總體框架和標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，還擴(kuò)展了藍(lán)牙、WIFI、物聯(lián)設(shè)備信息采集和自診斷功能模塊，具有一定的前瞻性。

（3）信息采集一體化RTU集成度高，項(xiàng)目投資費(fèi)用和后期運(yùn)行費(fèi)用低，推廣價(jià)值大。