城鎮(zhèn)天然氣實流檢定站智慧控制系統(tǒng)設(shè)計

于 歡，周 聰

(北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司，北京 100032)

1 概述

對于燃?xì)庥嬃科骶叩臋z定，相比空氣流檢定方式，天然氣實流檢定更準(zhǔn)確，應(yīng)用更廣泛。目前國內(nèi)的實流檢定站多服務(wù)于壓力級制10 MPa及以上計量儀表的檢定，適用于城鎮(zhèn)燃?xì)庥嬃績x表的實流檢定市場需求很大。建設(shè)城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域的計量檢定站，適應(yīng)我國燃?xì)饬髁苛恐邓菰大w系建設(shè)和國家計量管理體制的要求，有利于技術(shù)進(jìn)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(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)、靈敏、完善的安全管理監(jiān)控平臺和體系。本文結(jié)合智慧控制功能，對城鎮(zhèn)天然氣實流檢定站(簡稱檢定站)內(nèi)的燃?xì)夤に囅到y(tǒng)、配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安防及報警系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2 檢定站工藝流程與基礎(chǔ)系統(tǒng)

檢定站氣源接自高壓A(設(shè)計壓力4.0 MPa)天然氣管網(wǎng)。工藝流程為：天然氣經(jīng)過濾、計量、調(diào)壓穩(wěn)壓后，首先進(jìn)入檢定區(qū)的待檢流量計，之后進(jìn)入移動車載檢定裝置區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)表流量計，兩流量計的計量結(jié)果相對誤差在允許范圍內(nèi)，表示待檢流量計計量精度符合要求，否則需調(diào)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(shè)計壓力2.5 MPa)，出站后進(jìn)入下游天然氣管網(wǎng)。

檢定站主要包含燃?xì)夤に囅到y(tǒng)、配電及照明系統(tǒng)、安防及報警系統(tǒng)。安防及報警系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、周界入侵報警系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報警系統(tǒng)。

3 檢定站智慧控制系統(tǒng)集成設(shè)計

3.1 設(shè)計概述

檢定站智慧控制系統(tǒng)(簡稱智慧系統(tǒng))利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過各種網(wǎng)絡(luò)，把燃?xì)夤に?、配電、照明、安防及報警不同系統(tǒng)和不同智能化設(shè)備實現(xiàn)統(tǒng)一集成，檢定站內(nèi)任一系統(tǒng)節(jié)點都可與智慧系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)系，通過匯集分析各種數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高效、便捷的集中自動化管理，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的交流共享。檢定站借助智慧系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守，上級調(diào)度中心管理人員通過該系統(tǒng)監(jiān)視檢定站運行參數(shù)，并在權(quán)限范圍內(nèi)輔助站內(nèi)設(shè)備運行。

檢定站智慧系統(tǒng)見圖1，圖1下虛線框內(nèi)設(shè)備和線纜設(shè)置在檢定站內(nèi)。首先將反映燃?xì)忾y門、燃?xì)庠O(shè)備、配電設(shè)備、燈具、監(jiān)控感應(yīng)設(shè)備等狀態(tài)的數(shù)據(jù)，以及各種探測器或傳感器的檢測數(shù)據(jù)，通過控制面板、控制模塊、I/O模塊實現(xiàn)初步整合，與移動車載系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)一起，分別上傳至智慧燃?xì)夤に嘡TU控制系統(tǒng)(簡稱RTU控制系統(tǒng))、智慧配電系統(tǒng)、智慧照明系統(tǒng)和智慧安防及報警系統(tǒng)。這4個系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)控制器，物聯(lián)網(wǎng)控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、控制、儲存、處理等指令，并配合其他設(shè)備實現(xiàn)大屏顯示、計算機(jī)記錄、打印、手機(jī)APP(工作人員隨身攜帶)和觸摸屏的移動端顯示，并與上級調(diào)度中心進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

智慧系統(tǒng)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(nèi)各系統(tǒng)集成，達(dá)到集中顯示、連鎖、控制的功能，減少運營成本，針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集孤立以及難以聯(lián)動的問題，提出了有效的解決方案，并達(dá)到智能、高效、安全、節(jié)能、環(huán)保的目的。

圖1 檢定站智慧系統(tǒng)

智慧系統(tǒng)主要功能包括：保證正常生產(chǎn)過程持續(xù)、高效運轉(zhuǎn)，調(diào)度人員及時了解當(dāng)前檢定站運轉(zhuǎn)情況。通過快速傳遞并反饋設(shè)備信息，實現(xiàn)快速定位、業(yè)務(wù)處理和故障修復(fù)。降低各種故障停機(jī)時間，延長檢定系統(tǒng)高效率生產(chǎn)時間。實現(xiàn)電能等能源節(jié)約，精確計量。提高計量檢定系統(tǒng)工作效率，增強(qiáng)檢定能力。保證廠區(qū)內(nèi)照明相關(guān)要求，實現(xiàn)智能控制，因需調(diào)節(jié)。安防及報警滿足值守要求，系統(tǒng)反饋靈敏，安全可靠。

3.2 各系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1RTU控制系統(tǒng)

RTU控制系統(tǒng)依據(jù)功能性、實用性、可維護(hù)性、可拓展性、安全性等設(shè)計原則，選擇技術(shù)成熟、性價比高、功能適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)，完成對進(jìn)出站閥門區(qū)、過濾區(qū)、進(jìn)站計量區(qū)、穩(wěn)壓系統(tǒng)區(qū)、移動車載檢定裝置、檢定區(qū)、分流區(qū)、流量調(diào)節(jié)區(qū)和調(diào)壓計量區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和控制。

主要檢測控制內(nèi)容：高壓A天然氣進(jìn)口進(jìn)行壓力、溫度檢測和顯示，并設(shè)置超高、超低報警；在過濾器處設(shè)置壓差變送器，監(jiān)測天然氣流通情況，并設(shè)置壓差超高報警；進(jìn)站計量區(qū)進(jìn)行高壓A天然氣流量檢測；高壓A天然氣經(jīng)調(diào)壓、穩(wěn)壓、分流及流量調(diào)節(jié)后，穩(wěn)定在檢定工藝所需工況；高壓B天然氣出口進(jìn)行壓力、溫度檢測和顯示，并設(shè)置超高、超低報警；記錄、顯示燃?xì)夤艿郎现匾蜷y的閥位開關(guān)狀態(tài)信號，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；單獨設(shè)置移動車載檢定裝置控制系統(tǒng)監(jiān)測運行參數(shù)并完成相關(guān)工藝流程，預(yù)留與RTU控制系統(tǒng)的通信接口并具有開放通信協(xié)議，同時移動車載檢定裝置控制系統(tǒng)可接收RTU控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及指令；檢定區(qū)根據(jù)待檢流量計口徑不同設(shè)置多條檢定線路，RTU控制系統(tǒng)設(shè)定自動切換檢定線路的功能，同時配合起重機(jī)根據(jù)口徑自動選擇檢定線路并實現(xiàn)自動吊裝，天然氣以實流方式通過檢定區(qū)，對已吊裝流量計進(jìn)行檢定。RTU控制系統(tǒng)電源模塊為冗余配置，考慮以后的擴(kuò)展功能，I/O模塊數(shù)量結(jié)合現(xiàn)有規(guī)模留有一定余量，同時預(yù)留與其他設(shè)備信號的接口。

3.2.2智慧配電系統(tǒng)

智慧配電系統(tǒng)主要采用兩種模式：智慧終端設(shè)備模式和智慧配電柜(屏)模式。

智慧終端設(shè)備模式：根據(jù)實際需求確定功能范圍，在配電支路加裝智慧終端設(shè)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(shè)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(shè)備根據(jù)自身的數(shù)字化功能進(jìn)行相應(yīng)配電支路的監(jiān)控管理，智慧配電控制器根據(jù)系統(tǒng)詳情進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搭建，確定組網(wǎng)及拓?fù)鋱D，最終實現(xiàn)電壓、電流、功率等多方面精細(xì)化保護(hù)。此模式適用于對普通配電系統(tǒng)的改造項目，智慧配電控制器可接入值班室計算機(jī)和顯示屏，可操作性強(qiáng)且較經(jīng)濟(jì)。

智慧配電柜(屏)模式：結(jié)合不同設(shè)備負(fù)荷情況，綜合考慮各種配電柜(屏)型號規(guī)格、支路配電、相關(guān)參數(shù)配置及智慧配電控制器需求，確認(rèn)一體化智慧配電方案。配電支路開關(guān)、熔斷器等選擇具有信號上傳功能的設(shè)備，通過相關(guān)儀表采集配電回路的電壓、電流、諧波質(zhì)量數(shù)據(jù)、回路的通斷狀態(tài)、電流狀態(tài)、接地和防雷設(shè)備狀況等數(shù)據(jù)，上傳至智能配電柜(屏)。智慧配電柜(屏)內(nèi)設(shè)置PLC或其他智慧控制器，通過數(shù)據(jù)采集來智能調(diào)節(jié)相關(guān)支路設(shè)備的頻率、啟停，對設(shè)備運行質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和狀態(tài)統(tǒng)計。智慧配電柜(屏)配套液晶顯示，觸控設(shè)計，采用安全防漏電形式，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此模式適用于新建的配電系統(tǒng)，可實現(xiàn)配電支路以及系統(tǒng)的高度智慧管理。

兩種模式均應(yīng)用廣泛。在安全運行方面，智慧配電系統(tǒng)對異常狀態(tài)預(yù)警并可及時保護(hù)，尤其是具有電氣火災(zāi)監(jiān)控功能，可有效降低故障發(fā)生率，提高安全運行時間。在節(jié)約用電方面，智慧配電系統(tǒng)根據(jù)完備的能耗管理系統(tǒng)，對各設(shè)備運行進(jìn)行模擬測算和精細(xì)管理，減少能耗成本。在運維管理方面，智慧配電系統(tǒng)提供本地、遠(yuǎn)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(xiàn)集中管理控制，簡化工作內(nèi)容。

3.2.3智慧照明系統(tǒng)

燈具不僅作為照明設(shè)備，也是智能探測和網(wǎng)絡(luò)通信的節(jié)點，具有節(jié)能照明、數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布等功能。智慧燈具可配套GIS定位功能，對每盞燈具進(jìn)行定位和編碼。在燈桿上裝設(shè)攝像頭、環(huán)境傳感器等，對是否有人或車輛經(jīng)過實現(xiàn)自動監(jiān)測，同時根據(jù)實時狀態(tài)調(diào)節(jié)燈的亮度，實現(xiàn)光照調(diào)控，提高節(jié)能效果。對檢定站內(nèi)空氣質(zhì)量、溫度、濕度、噪聲等進(jìn)行監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄以便實施相關(guān)參數(shù)控制。在個別燈桿上安裝LED顯示屏，發(fā)布檢定站信息。

3.2.4智慧安防及報警系統(tǒng)

對視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)、各種報警系統(tǒng)實施遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括查看數(shù)據(jù)參數(shù)、安全狀態(tài)、監(jiān)控圖像以及配套連鎖控制等。通過無線傳感器、視頻數(shù)據(jù)采集等設(shè)備，對實時數(shù)據(jù)采集分析，結(jié)合錄入資料、典型區(qū)域調(diào)查，對監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以及監(jiān)測參數(shù)合理設(shè)置。對各種設(shè)備、車輛、現(xiàn)場人員定位，定位系統(tǒng)一般基于 GIS、GPS等技術(shù)，一旦監(jiān)控范圍內(nèi)發(fā)生工藝設(shè)備故障或其他突發(fā)事件，調(diào)度人員可及時并直觀知曉事件發(fā)生的具體情況，派最近的現(xiàn)場人員快速到達(dá)現(xiàn)場處理。手機(jī)等終端設(shè)備可幫助現(xiàn)場人員第一時間將信息傳遞給調(diào)度中心，同時結(jié)合應(yīng)急報警按鈕、語音對講及求助信息圖像采集等功能，便于調(diào)度中心及時回應(yīng)并提供解決方案。

4 智慧云系統(tǒng)架構(gòu)

檢定站智慧系統(tǒng)作為本地子系統(tǒng)，實現(xiàn)檢定站內(nèi)各系統(tǒng)的智慧控制連鎖功能?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，各不同檢定站智慧系統(tǒng)信息匯總后與上級調(diào)度中心進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)絡(luò)集成在智慧云系統(tǒng)上，見圖1。檢定站借助智慧系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守，上級調(diào)度中心管理人員通過智慧云系統(tǒng)監(jiān)視管理范圍內(nèi)所有檢定站運行參數(shù)和狀態(tài)，并在權(quán)限范圍內(nèi)輔助站內(nèi)設(shè)備運行。

智慧云系統(tǒng)需要采用架構(gòu)搭建和通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和傳輸，二者是系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。系統(tǒng)架構(gòu)整合環(huán)境感知、定位巡查、集中管理等資料，通過通信網(wǎng)絡(luò)的輔助與連接，將語音、數(shù)據(jù)、文檔等不同形式信息在高效渠道中進(jìn)行傳遞和處理，不僅可以實現(xiàn)各子系統(tǒng)信息的采集與整理，還能有效實現(xiàn)各功能模塊的協(xié)調(diào)。

智慧云系統(tǒng)需要構(gòu)建硬件平臺和軟件平臺，主要完成信息收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回傳以及決策支持等功能。硬件平臺是功能基礎(chǔ)配件，按照網(wǎng)絡(luò)橫向組成劃分，包括感知節(jié)點、傳感網(wǎng)、核心承載網(wǎng)和信息服務(wù)終端等。軟件平臺是功能神經(jīng)主體，建立在分層的通信協(xié)議體系之上，通常包括數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)軟件、中間件系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等。

智慧云系統(tǒng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)智能處理層和應(yīng)用層,見圖2。

圖2 智慧云系統(tǒng)架構(gòu)

感知層將探測器或傳感器、RFID感應(yīng)器、條碼識讀器、控制器等檢測或識別的數(shù)據(jù)通過M2M終端、傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)等各種短距離通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層由各種無線或有線網(wǎng)關(guān)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，實現(xiàn)感知層與數(shù)據(jù)智能處理層數(shù)據(jù)及控制信息的雙向傳送。數(shù)據(jù)智能處理層實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的核心技術(shù)，通過遠(yuǎn)程調(diào)度、集控、云存儲或計算等手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、存儲、查詢、分析、挖掘、理解，是應(yīng)用層的重要數(shù)據(jù)支持，二者實現(xiàn)緊密的信息接收與反饋。應(yīng)用層包括支撐子層和智慧云系統(tǒng)應(yīng)用，其中支撐子層為智慧云系統(tǒng)應(yīng)用提供通用支撐服務(wù)和能力調(diào)用接口[1]。

結(jié)合圖1與圖2，檢定站智慧系統(tǒng)作為感知層的一個感知節(jié)點，完成數(shù)據(jù)信息采集后上傳至智慧云系統(tǒng)。智慧云系統(tǒng)作為云端可輻射多個檢定站智慧系統(tǒng)，采用集散控制將指令或決策發(fā)送給每個檢定站智系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制器，借助于射頻識別技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)、云計算等收集完整信息，通過網(wǎng)絡(luò)通信端口將不同物聯(lián)網(wǎng)控制器與智慧云系統(tǒng)連接。智慧云系統(tǒng)數(shù)據(jù)智能處理層可引入空間位置信息、身份信息等相關(guān)功能軟件，通過相關(guān)技術(shù)將不同檢定站的所有信息進(jìn)行整合、分類與重組，更加客觀、清晰地表達(dá)空間邏輯關(guān)系，配合身份識別系統(tǒng)、手機(jī)APP、觸摸屏等, 實現(xiàn)人員、設(shè)備等信息顯示和功能交互，并通過網(wǎng)絡(luò)層，有效精確地完成生產(chǎn)管理技術(shù)指導(dǎo)，最終實現(xiàn)智慧云系統(tǒng)下燃?xì)夤に囎詣涌刂?、配電自動分配、能源?jié)約、人力精細(xì)統(tǒng)籌、權(quán)限設(shè)定、安全管理等智慧應(yīng)用。

5 通信網(wǎng)絡(luò)要求

智慧系統(tǒng)和智慧云系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要分為有線通信和無線通信。有線通信包括以太網(wǎng)、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(huán)境考慮，建議RTU控制系統(tǒng)采用并行排列且抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)總線通信網(wǎng)絡(luò)，通過I/O端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，既確保通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定、實時傳輸準(zhǔn)確、容錯性好，又極大降低后期的維護(hù)成本。

智慧系統(tǒng)和智慧云系統(tǒng)均支持BACnet、Modbus等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及Java、Web等開放IT技術(shù)，根據(jù)具體設(shè)備協(xié)議開發(fā)相應(yīng)驅(qū)動，對私有協(xié)議實現(xiàn)開發(fā)集成，同時對行業(yè)內(nèi)大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也提供支持。在設(shè)備方面做冗余設(shè)計，采用擴(kuò)展技術(shù)在不同地點增加現(xiàn)場控制器及操作終端，同時不影響現(xiàn)場正常操作。