天然氣集輸過程中的信息化管理系統(tǒng)應(yīng)用

吳 垠

（重慶燃氣培訓(xùn)學(xué)院，重慶 400050）

0 引言

集輸系統(tǒng)是開發(fā)、利用天然氣的重要環(huán)節(jié)，其運行過程中會涉及大量且復(fù)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(tǒng)管理手段及方式已難以滿足現(xiàn)在天然氣企業(yè)及集輸工程的發(fā)展需求。因此，開發(fā)設(shè)計一個統(tǒng)一、高效且安全的集輸信息管理系統(tǒng)對集輸系統(tǒng)進行實時監(jiān)測及管理，對推動天然氣企業(yè)及行業(yè)發(fā)展有深遠的現(xiàn)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(jiān)測，一體化管理”的原則，運用現(xiàn)代信息化技術(shù)構(gòu)建了一個統(tǒng)一的、能夠自動監(jiān)測數(shù)據(jù)及采集信息的信息化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于更加高效地開展集輸信息的監(jiān)測、查詢及管理等工作。該系統(tǒng)是基于C/S+B/S混合軟件架構(gòu)而設(shè)計開發(fā)的，采取分布式部署的方法且將系統(tǒng)分有2個層級：1） 計量站實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)連接在計量站的工控機上，是基于C/S架構(gòu)開發(fā)而成的，可有效提高工控機的運行效率及質(zhì)量，還可以有效地將服務(wù)器的負荷控制在合理范圍內(nèi)。2） 集輸信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是根據(jù)B/S架構(gòu)而設(shè)計開發(fā)的，不僅方便了各部門的使用及對系統(tǒng)的升級維護，而且也提高了系統(tǒng)的集成化，可以對多個不同地區(qū)的計量站信息及數(shù)據(jù)進行有效管理。

1 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該天然氣計量站的遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分主要包括計量間及現(xiàn)場儀表間，設(shè)備主要有遠程測控終端設(shè)備、不間斷電源UPS、加密狗、工業(yè)計算機控制設(shè)備及打印機等。為增強監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，2臺工業(yè)計算控制設(shè)備采取主輔機設(shè)計，并用TCP/IP協(xié)議通信將主機和輔機連接到一起；再用RS485總線及Modbus協(xié)議把主機跟采集模塊連到一起，在使用過程中可以實現(xiàn)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(tǒng)不受停電等因素的影響；加密狗可以驗證系統(tǒng)管理員的身份，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的安全性。在現(xiàn)場儀表間中有用于監(jiān)測溫度、壓力及差壓等數(shù)據(jù)的電子儀表設(shè)備[2]。該遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作流程

該遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要包括統(tǒng)計管道的流量、結(jié)合運行情況進行數(shù)據(jù)分析、實時報警、報表打印、參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)通信等，為確保數(shù)據(jù)安全，實現(xiàn)權(quán)限管理，還應(yīng)用了工業(yè)安全概念，并按簡潔開放的工業(yè)設(shè)計原則對人機交互界面進行優(yōu)化設(shè)計。該遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)工作流程示意圖

1.2.1 系統(tǒng)初始化

因為該實時監(jiān)測系統(tǒng)只要開始運行就會不斷地采集數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)，所以為保證運行質(zhì)量，需要先初始化實時監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)、數(shù)據(jù)庫文件及加密密鑰等，再進行其他操作。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集及流量計量

該天然氣管道系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)孔板計量法統(tǒng)計流量。為確保準(zhǔn)確地統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)，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(guān)流量信息及天然氣組分，再按照標(biāo)準(zhǔn)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(xié)議計量站主機可以獲得RS485總線中的所有RUT數(shù)據(jù)及信息，并可以對其進行相應(yīng)的處理。

1.2.4 監(jiān)測報警

監(jiān)測報警是指當(dāng)監(jiān)測管道中的相關(guān)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時可以實時報警，以便第一時間發(fā)現(xiàn)及解決問題，確保整個系統(tǒng)的安全運行。該實時監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測采集數(shù)據(jù)，并在異常時發(fā)出警報。同時，因為報警事件具有突發(fā)性特征，所以為確保報警的準(zhǔn)確性及有序性，采取隊列技術(shù)對報警進行設(shè)計，使危險事件能夠根據(jù)時間前后有序發(fā)出報警信號，并將其記錄和儲存在系統(tǒng)中。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要是指對數(shù)據(jù)進行加密、儲存、查詢及打印相關(guān)報表等。該實時監(jiān)測系統(tǒng)中不僅設(shè)計了訪問數(shù)據(jù)庫的權(quán)限，而且還設(shè)計了相應(yīng)的加密方法，即對數(shù)據(jù)進行加密后再傳送出去或存至數(shù)據(jù)庫中，有效地保障了數(shù)據(jù)的安全性。同時，該系統(tǒng)中針對工作交接用的報表進行了統(tǒng)一設(shè)計，并且可以將當(dāng)天整點的溫度、壓力、差壓、瞬時流量及累計流量等相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)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(wù)器通信

因為計量站通常都是布置在不同的地點及區(qū)域，所以只有通過實施監(jiān)測軟件及數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)及綜合信息管理系統(tǒng)的信息共享。為此，針對用戶設(shè)計了相應(yīng)的服務(wù)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(shù)據(jù)，同時，系統(tǒng)的接收服務(wù)器端會根據(jù)指令信息作出對應(yīng)的反應(yīng)。

1.2.7 權(quán)限管理

對計量站來說，其在人員配置上比較復(fù)雜且人員技術(shù)水平各有不同，同時，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置直接影響流量計量的準(zhǔn)確性。因此，為了使流量計量足夠準(zhǔn)確，并避免人為操縱因素影響系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，針對實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計了未登錄、系統(tǒng)管理員和應(yīng)急賬號3個等級的用戶權(quán)限，即未登錄狀態(tài)下，實時監(jiān)測系統(tǒng)也是可以正常運行的；登錄系統(tǒng)管理員賬號后，可以根據(jù)需要設(shè)置和修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)及參數(shù)且所有的操作會保存在系統(tǒng)內(nèi)，方便后期查看。

2 集輸信息管理系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

該天然氣集輸信息管理系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)、J2EE架構(gòu)、XML技術(shù)及Java語言來開發(fā)，其數(shù)據(jù)庫選用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL，并通過Hibernate與系統(tǒng)進行連接，確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定地運行。

2.2 系統(tǒng)功能

為滿足用戶需要，該集輸信息管理系統(tǒng)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(tǒng)也具有良好的交互功能，即用戶查詢信息時，系統(tǒng)可快速匹配GIS數(shù)據(jù)接口，并實現(xiàn)與管道管理及巡檢等系統(tǒng)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(shù)據(jù)信息及系統(tǒng)服務(wù)的同時，保障系統(tǒng)的安全，該系統(tǒng)也設(shè)置了相應(yīng)的權(quán)限管理。另外，該集輸信息管理系統(tǒng)也具有實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、分析及報表打印分析等功能?？傮w來說，可將集輸信息管理系統(tǒng)的功能分為用戶管理、生產(chǎn)信息管理及實時監(jiān)控3個模塊，具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)功能的設(shè)計及實現(xiàn)

2.3.1 主索引圖的設(shè)計及實現(xiàn)

主索引圖功能界面是根據(jù)ExtJS內(nèi)經(jīng)典的Border布局進行的設(shè)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(jù)WebGIS構(gòu)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(shè)計了用戶事件監(jiān)聽功能，即用戶單擊計量站點或者管道時，系統(tǒng)會顯示計量站點或管道的實時數(shù)據(jù)及信息；用戶雙擊計量站點或者管道時，系統(tǒng)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(shù)據(jù)進行監(jiān)測[3]。

2.3.2 數(shù)據(jù)查詢的設(shè)計及實現(xiàn)

數(shù)據(jù)查詢功能模塊主要由實時數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模塊和歷史數(shù)據(jù)分析模塊2個部分組成。其中，實時數(shù)據(jù)監(jiān)測分析模板又按其對象不同分為計量站點實時數(shù)據(jù)分析模塊和管道實時數(shù)據(jù)分析模塊。例如用戶單擊主索引圖內(nèi)的計量站點時，系統(tǒng)便可以從數(shù)據(jù)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(tǒng)計其流量信息，則用戶單擊圖中的管道時，系統(tǒng)可以把2個計量站間的管道流量輸差情況及時準(zhǔn)確地分析出來。同時，也將系統(tǒng)的管道數(shù)據(jù)分析功能分為歷史數(shù)據(jù)分析、年數(shù)據(jù)分析及余額數(shù)據(jù)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(nèi)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(tài)添加的設(shè)計及實現(xiàn)

天然氣企業(yè)在運營及發(fā)展過程中，肯定需要建設(shè)新的計量站點或者添加新的輸氣管道，為了滿足這一現(xiàn)實需求，該系統(tǒng)設(shè)計了計量站點及管道的動態(tài)添加功能，增強了系統(tǒng)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(shè)備資料及相關(guān)工作人員基本信息，再單擊確認(rèn)便可以完成添加新站點的任務(wù)。

2.3.4 數(shù)據(jù)接口的設(shè)計及實現(xiàn)

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

表1 系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口設(shè)計情況

2.3.5 用戶安全登錄的設(shè)計及實現(xiàn)

該集輸信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的是B/S結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的安全性。因此，對集輸信息管理系統(tǒng)的登錄驗證進行安全處理，劃分用戶權(quán)限，以保障系統(tǒng)的安全。同時，該系統(tǒng)采用用戶名密碼+USBKey雙重認(rèn)證法，可有效避免因用戶名+密碼方法認(rèn)證簡單而給系統(tǒng)帶來巨大的潛在風(fēng)險。系統(tǒng)管理員可以給每位用戶設(shè)計專屬的權(quán)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(tǒng)的登錄安全性。該集輸信息管理系統(tǒng)的登錄驗證流程如圖4所示。

圖4 登錄驗證流程

3 結(jié)語

綜上所述，在“數(shù)字油田”、“數(shù)字石化”等理念不斷普及發(fā)展的背景下，石油化工企業(yè)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(wěn)腳跟，石油化工企業(yè)就需要結(jié)合自身的實際發(fā)展需要，加大對天然氣集輸?shù)男畔⒒度?，?gòu)建統(tǒng)一的綜合化集輸信息平臺，實現(xiàn)集輸信息資源的共享及最大化利用，提高石油化工企業(yè)的運行效率及管理水平，從而謀求更大的發(fā)展空間。