物联网技术在智慧城市燃气管网监控的应用

张 超

（江苏方洋集团有限公司，江苏 连云港222006）

城市燃气一般经长输管线到达城市门站，然后通过城市高压管网送到高/中压力调压站，降压以后进入城市二级中压管网，由二级中压管网送入中/低压调压站和专用调压站供应给居民用户或直接供应给工业用户。

某城市燃气管网监控和数据采集系统（SCADA）主要包括门站、储配站、LNG站、高中压管网系统、调压站和大用户计量站。根据总体供气方案和管理模式，要求建立一套基于物联网（IoT）架构下完整的监控与数据采集调度的SCADA系统，该系统主要包括建立燃气管网信息的采集和汇聚、分析和处理、以及交换和共享的感知层，建立适合燃气管网数据监测监控的网络层，建立整个城市燃气管网数据信息协同和信息资源共享的应用层，从而实现城市燃气管网数据监控、数据采集和输配气调度自动化等功能，保证燃气输配系统安全、可靠和高效运行。该系统主要建设内容如下：（1）在市燃气总公司新建调度管理中心MCC（主站）一个；（2）在门站、储配站及LNG站设置有人值守监控站共3个,系统已建设，需要将已采集的数据传输到调度中心MCC；（3）在高中压调压站、大用户计量站、小区调压站,新建无人值守监控站一期400个，采集流量、压力、温度和阀门等IO量。

1 基于物联网下城市燃气系统规划

1.1 物联网技术在城市燃气输配自动化应用

物联网作为智慧城市应用的一个分支，是近几年热炒的一个概念，它通过射频识别（RFID）等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网结构有多种提法，普遍接受的是国际电信联盟提出的感知层、网络层和应用层如图1所示三层结构。

感知层是物联网的核心，它由各种传感器以及传感器网关构成，如城市燃气监控常用的温度、压力、流量和燃气泄露传感器、以及管网设备RFID标签、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用是局部区域内完成物体识别和信息采集。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，实质就是信息与知识聚合，在城市燃气监控中用到的无线GPRS网和有线公用网；应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它需要与具体行业需求结合，如和城市燃气结合，就实现物联网在城市燃气管理方面的应用。

在三层构架上采取开放式架构，实现智慧城市大量数据终端接入（含实体和虚拟终端，如已建的门站、储配站和LNG站可以抽象为一个虚拟终端），解决了网络传输异构协议的转换，在应用层通过城市燃气管网和各子站“集散控制”，实现城市燃气输配自动化调度和管理。

图1 物联网系统示意图

1.2 某城市燃气管网SCADA系统结构

某城市新区燃气管网调度监控系统主要由调度中心（MCC）、网络通讯系统、本地监控站（SCC或SCS）即及现场检测仪表、传感器、变送器、执行机构等部分组成，实现主城区天然气管网的实时中央监控和统一调度管理的功能。主站与远端有人值守站之间SCADA系统的通信采用租用电信部门专用电路；主站与远端无人值守站之间采用GPRS通信信道。SCADA系统分三层，系统结构图如图2。

图2 某市SCADA系统结构

第一层：调度中心应用层

主要由SCADA系统、数据库系统构成。SCADA系统：通过广域网与各本地监控站点建立通信，获取燃气管网运行的实时数据，实现整个管网系统的遥测、遥信、遥控、遥调功能，完成对全管网数据集中采集和监控；数据库系统：将SCADA系统提供的管网运行状况实时监测数据非实时数据有机地统一起来，实现数据及信息的无缝连接和交换，以及系统的跨平台、跨系统、跨网络、跨应用的集成。

第二层：网络通信层

系统的网络通信包括局域网通信、广域网通信两部分。局域网通信：在中心调度层的各系统，采用千兆全交换式以太网作为骨干网络，通信协议采用TCP/IP。广域网通信：对于SCADA系统的广域网通信，从中心调度层到各SCC之间的广域网连接，通过GPRS或租用专业通信公司的信道，实现远程数据的传递和交换。通信协议MODBUSTCP协议。

第三层：数据感知层

数据感知层由RTU/DTU、智能仪表、传感器、变送器、执行机构等组成，独立完成各本地监控点的数据采集和闭环控制功能。通过网络通信，为调度中心提供可靠的现场实时数据，同时也能接受调度中心发来的控制和参数设定指令。

2 基于物联网下某城市燃气管网SCADA详细设计

操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对全市天然气管网的监控和运行管理，无人值守站点可达到无人值守的水平。以下是该系统设计概括性的说明。

2.1 城市SCADA系统调度中心设计

2.1.1 SCADA系统调度中心功能设计

调度中心实时采集远端各有人/无人值守站点的工艺运行参数,实现对天然气管网和工艺设备运行情况进行自动、连续的监视、管理和数据统计，为管网平衡、安全运行提供必要的辅助决策信息。其主要功能：

1）数据采集和处理

2）数据维护，对有些无法直接从SCADA系统中采集到的数据，可以人工录入；该功能纳入生产数据发布、查询系统，采用B/S结构录入与查看

3）工艺流程的动态显示

4）报警显示、管理以及事件的查询、归档、打印

5）历史数据的归档、管理以及趋势图显示

6）生产统计报表的生成和打印

7）流量计算、管理

8）管道事故处理，如管道发生泄漏、设备运行异常等

9）安全保护

10）控制权限的确定

11）对系统进行时钟同步

12）为MIS系统提供数据

13）与企业自动化管理系统平台连接、进行数据交换

（1）SCADA系统运行机制

①各站无线路由器与通讯前置机通讯，建立通讯链路

②通讯服务器通过MODUBS协议与现场RTU进行通讯，读取各站数据

③SCADA服务器与通讯服务器交换数据（通过建立虚拟串口，将TCP/IP网络接收到数据转发到虚拟串口上），管理处理数据

④SCADA服务器将数据写入数据库服务器；报表系统从数据库服务器获取数据，生成生产过程报表与统计报表

⑤操作员工作站，维护员工作站作为SCADA系统的客户端，从SCADA服务器获取实时信息，报警信息，历史趋势等

⑥区域网内各办公室可以通过浏览器访问WEB服务器，查看报表

（2）门站/储备站/LNG站系统设计

门站/储备站/LNG站的现场站控系统已由业主建设完毕。SCADA系统对门站/储备站/LNG站功能如下：

14）与原有门站/储备站/LNG站站控系统通讯，将数据读到SCADA系统

15）与调度中心通信，将数据传输到调度中心

系统实现:

经过调查分析，目前门站/储备站/LNG站站控系统实现技术路径相同，其RTU与现场监控计算机之间采用基于TCP/IP的Modbus协议实现。因此门站/储备站/LNG站要各设置1套通讯RTU，通讯RTU接入现有场站站控系统的通讯网络，与监控计算机一样通过基于Modbus协议的OPC方式与现有门站/储备站/LNG站RTU通讯获取数据。

门站/储备站/LNG站RTU实现的ModbusTCP协议地址和数据字段定义已经得到，通讯RTU编程与调试可在线进行，不用对门站/储备站/LNG站RTU进行特别处理，不影响下现有系统运行。

例如，远端无人站设计远端无人站点可以分为包含了高中压调压站/区域调压站/用户计量站。这些站点通过归类总结，可以设计成为三类标准化站控系统，即：高中压调压计量站控；区域调压站站控；用户流量计量站控。

高中压调压计量站控和区域调压站站控配置一套RTU控制器和压力、流量、温度、泄露报警探头若干；RTU内置ModBus RTU协议可以取得总线流量计数据，每种流量计通讯程序只需开发一次即可标准化应用。RTU完成对所在场站的数据采集和监控任务外，还要完成与调度中心计算机监控系统之间的信息传递。RTU和调度中心通信选用内置基于GPRS/CDMA的sim卡DTU，DTU通过设置调度中心IP等参数，将数据通过无线网络传给调度中心。

用户流量计量站控，由于采取数字仪表，所以无I/O输出，选用内置多种燃气计量数据协议采集单元的DTU，通过RS232或RS485通讯，采集每种流量计温度、压力、瞬时和累积流量等实时数据，通过无线与主控中心通讯。

以上各无人站由于取电不便，其供电采取太阳供电。

16）后记

该项目的实施是运用物联网理念解决城市燃气管网监测监控和数据采集成功案例。该系统自投运后，实现对全市燃气各级输配管网远程抄表、用气调度、事故应急、系统调峰、安全储气以及安全监控，建立一套高起点、高质量、具有国内先进水平物联网构架下城市燃气SCADA系统，提高了该市燃气的管理水平并创造了巨大的经济效益和社会效益。

［1］张铁军.城市燃气管网SCADA系统设计与实现[J].石油化工自动化，2012（2）：49-52.

［2］张世宝.城市燃气管网SCADA系统的设计[J].煤气与热力，2005（7）：35-37.