西南油气田城市燃气业务SCADA系统中一体化RTU应用研究

夏太武 齐安彬 唐柳怡

1中国石油西南油气田分公司燃气工程研究所

2四川利能燃气工程设计有限公司

3新疆油田分公司石西油田作业区

城市燃气主要通过高压、次高压、低压管道连接站场（门站、配气站、CNG、LNG站等）、橇装、调压箱、调压柜、阀井等生产单元，将气田外输管道或长输管道的天然气经过滤、分离、调压等工艺处理后进入终端用户。近年来，随着城市燃气市场竞争日趋激烈，国内外大型城市燃气公司纷纷借助新兴IT技术，建设SCADA（数据采集与监视控制）等信息系统[1-2]，以提高企业产管理水平和效益，降低安全生产风险和成本，进而提升企业市场竞争力[3]。SCADA系统所涉及的生产单元点位多、分布广，应用广泛，投入的人力、财力也较大。本文主要针对SCADA系统中数量最多的橇装、调压箱、调压柜，研究建立一套一体化RTU（远程终端单元），以期优化SCADA系统建设方案，节省项目投资和后期运行维护管理费用。

1 现状

近些年，SCADA系统正成为国内外城市燃气信息化建设的热点。燃气公司通过SCADA系统建设，采集前端生产单元重要生产数据，创建SCADA系统调度中心，实现了燃气公司对生产单元的远程监视和重点部位的远程控制管理。以此为基础，建立了基于SOA架构的数字化管理系统，逐步开展各项业务的集成应用建设，提高了燃气公司的生产管理效率和应急处理能力，有效降低了安全生产风险。

西南油气田分公司在“十二五”期间对城市燃气业务的SCADA系统建设进行了试点探索，积累了较为丰富的经验；“十三五”伊始，西南油气田分公司先后制定了SCADA系统建设总体规划、技术方案以及配套的技术标准，目前SCADA系统建设正有条不紊地展开。

2 SCADA系统建设总体规划与技术方案

西南油气田城市燃气业务SCADA系统借鉴了集中部署式的信息化系统架构，将系统分为现场层、基础数据层和系统应用层[4]。现场层完成对生产单元重要生产数据的采集，并接受应用层的控制指令，实现生产单元关键部位的远程控制；基础数据层完成所有数据的集中采集、储存、整理和Web发布，同时将数据推送至部署在办公网上的综合数据集成数据池，为管道完整性管理、客户信息管理等应用系统提供基础数据支撑；应用层设置工作站和Web客户端，与基础数据层之间构成B/S、C/S架构，实现托管单位、燃气公司对生产单元的远程集中监视和控制管理。为确保生产数据、控制指令流传输安全、可靠，现场层与基础数据层、系统应用层之间的数据流传输采用生产局域网，与公网和办公局域网隔离。SCADA系统建设总体结构如图1所示。

在数据传输网络方面，为优化项目投资，采用有线和无线相结合的传输方式。站场部分数据量相对较大，且有远程控制指令，传输网络的要求相对较高，采用有线传输；对点位数量多、单点位数据传输量相对较小的橇装、调压箱、调压柜、阀井等生产单元租用电信运营商无线APN网络（图2）。此外，为确保基础数据层采集数据的完整性，要求基础数据层与各生产单元之间具备断点续传功能，故生产单元的RTU/PLC需遵循基础数据层数据采集与传输的私有Modbus TCP/IP协议。

图1 SCADA系统建设总体结构Fig.1 Overall structure of SCADA system

图2 现场层与基础数据层之间的网络架构Fig.2 Network architecture between field layer and basic data layer

3 信息采集技术分析

橇装、调压箱、调压柜等生产单元作为城市燃气生产单元的主体，掌握其及时、真实的生产状况对燃气公司安全生产起着举足轻重的作用，也是城市燃气SCADA系统建设的主体。但由于这类生产单元地处城市街区或郊区，存在周边人居环境复杂、安全生产风险高、用电难、设备安装位置受限等问题。

目前，尚未见文献研究橇装、调压箱、调压柜等生产单元信息采集一体化RTU的案例。现场实际做法主要有3种：①采用常规RTU、DTU、太阳光伏板+蓄电池+充放电控制器；②采用集成DTU模块的RTU，以及太阳光伏板+蓄电池+充放电控制器；③采用集成DTU、太阳能光伏板充放电控制模块的RTU，以及太阳光伏板+蓄电池。上述3种做法都遵循标准Modbus RTU或Modbus TCP/IP协议，租用运营商无线公网，通过RTU厂家专用数据库采集软件和平台，为燃气公司提供Web端接口，实现燃气公司对前端生产单元的远程监视和管理。橇装、调压箱、调压柜现有数据采集架构如图3所示。

其中，第①种做法的现场信息采集设备总功耗偏高，设备集成度不高，现场应用不多；第②、③种方式将DTU固化在RTU主板上，现场信息采集设备总功耗相对较低，应用最为广泛，但这种做法中的DTU升级改造很困难，尤其在燃气公司对SCADA系统安全要求越来越高、运营商网络不断升级的情况下，以及公网改ANP专网、2G升4G、普通SIM卡改物联网卡时，需要对RTU主板进行重新研制。此外，上述3种做法的主要问题还在于不支持断点续传功能的要求。

为此，在西南油气田城市燃气业务大力推广SCADA系统建设的背景下，开展针对橇装、调压箱、调压柜实际生产情况，研究符合西南油气田城市燃气业务SCADA系统建设标准和框架的一体化信息采集方案是非常必要的。

4 信息采集一体化RTU方案研究

按照城市燃气橇装、调压箱、调压柜信息采集的总体框架和要求，橇装、调压箱、调压柜等生产单元前端信息采集一体化RTU需包括信息采集、存储、通信、供电等模块。各模块应既相对独立，又同时集成在同一张RTU主板上，便于后期各模块升级和系统的整体运行维护管理。信息采集一体化RTU硬件组成如图4所示。

4.1 数据采集

4.1.1 需求分析

（1）常规数据。橇装、调压箱、调压柜等生产单元需采集的生产数据包括压力数据（AI）、可燃气体探测器数据（AI）、天然气流量数据（RS485）。

图3 橇装、调压箱、调压柜现有数据采集架构Fig.3 Data acquisition architecture on diagramskid-mounted equipment，pressure regulating box and pressure regulating cabinet

图4 信息采集一体化RTU硬件结构Fig.4 Hardware structure diagram of integrated RTU with information acquisition

（2）物联动态数据。包括内部温度、湿度、功耗、通信流量、运行时间、网络状态、异常告警等数据。

（3）物联静态数据。包括硬件设备型号、软件版本号、地理位置、产品序列号、出厂日期、安装日期等数据。

4.1.2 方案配置

（1） 配置AI、AO、DI、DO、RS485 等接口，以满足生产单元采集数据和执行远程控制指令要求。

（2）配置设备动、静态数据采集及处理模块和RFID外围标签，采集设备动、静态信息，初步实现设备自诊断功能，故障报警信息除了就近存储外，还可以上传至SCADA系统监控中心，供调度管理人员参考决策。此外，通过扫描RFID标签，还可以实现对RTU设备的自动坐标定位保存，方便寻点巡检。

（3）配置数据储存模块，除了提供系统运行内存外，可以作为生产数据的临时储存，同时也为断点续传奠定基础。

4.2 通信

4.2.1 需求分析

（1）RTU与生产数据集成数据库之间采用APN无线网络实现数据交互，RTU需增设对应的无线通信模块。

（2）在进行RTU配置、调试和日常巡检时，需要有硬件接口与手持设备和移动电脑实现现场临时通信。

（3）预留扩展接口，便于后期通信功能扩展。

（4）通信协议须与前文所述的私有Modbus相匹配。

4.2.2 方案配置

（1）配置相对独立的全网通4G通信模块，集成但不固化在RTU主板上，支持运营商GRE/L2TP物联网卡，支持APN。

（2）配置蓝牙通信模块、WIFI通信模块和基于Android手持设备APP。利用即插即用的无线蓝牙连接，实现对RTU所有通道的配置；通过WIFI无线连接，实现现场仪表读数校验，并可实时获取RTU设备信息，方便检修维护作业。

（3）配置PCIE插槽，为后期NB-IoT模块应用扩展预留接口。

（4）在通信协议方面支持标准Modbus协议的同时还具备针对前文中Modbus私有协议进行订制开发的功能。

4.3 供电

4.3.1 需求分析

根据城市燃气橇装、调节箱、调压柜信息采集中现场应用案例，集成有DTU、太阳能光伏板充放电控制器的一体化RTU自身功耗可达到不超过2 W，为确保生产数据的完整性，需要持续、稳定、可靠地对RTU供电。

4.3.2 方案配置

（1）配置太阳能光伏板充放电控制模块，集成但不固化在RTU主板上，并设置配套的太阳能光伏板和蓄电池为RTU供电。

（2）太阳能光伏板和蓄电池配置方案。文献[5]对西南油气田站场的供电现状和方式做了详细的论述，并就无人值守站场稳定电源提出了解决方案。西南油气田城市燃气业务的橇装、调压箱、调压柜、阀井等现有供电方式与此类似，主要有市电、农电和太阳能+电池三种。其中，市电供电建设投资和后期运行维护成本均较高，建设周期偏长；农电建设投资和后期运行维护成本均偏高，且到了夏季、冬季用电高峰期会频繁停电，不符合系统稳定、持续供电的需求；采用普通太阳能光伏板电能转换效率达不到要求，一旦遇到持续阴雨天，太阳能+蓄电池组无法维系现场设备用电需求，文献[5]中提出的快充方案虽然可行，但对点位数量庞大的橇装、调压箱、调压柜，后期运行维护耗费的人力、财力将偏大。

常规太阳能+蓄电池组不能满足生产单元持续供电要求的主要因素在于光伏板光电转换效率偏低，蓄电池使用效率和寿命衰减过快。为此，可从以下两方面进行综合考虑：

第一，结合生产单元具体的地理位置和气候条件，选择科学、合理的光伏板安装角度，提高光伏板日平均光照时间，从而提高光伏板日平均光电转换量；针对川渝地区日照时间短且多云多雾，到达地面的太阳光通常以散射光居多的情况，优化完善光伏板材料组成，加强光伏板对散光的吸收和转化，从而提高光伏板光电转换量。

第二，常规蓄电池使用效率和寿命衰减过快的主要原因是在接受太阳能充电的同时对负载供电。要解决此问题，可选择两组蓄电池进行冗余配置，遵循充电不放电、放电不充电的原则，确保蓄电池的使用寿命。

比如：按本文的一体化RTU解决方案，现场总设备平均功率不超过5 W，利用蓄电池容量经验公式计算[6]蓄电池容量为97.2 AH。可以设置2组蓄电池，每组2块（50AH），互为备份，由太阳能光伏板充放电控制模块对太阳能光伏板、蓄电池进行监控和管理，尽可能减缓蓄电池使用效率和寿命的衰减。

5 应用前景

信息采集一体化RTU集成了生产数据，物联网动、静态数据采集功能模块，以及通信、太阳能充放电控制功能模块，其集成度高，总体功耗较低，达到了节能效果，同时也更好地解决了橇装、调压箱、调压柜取市电难的问题[7]。

（1）西南油气田分公司城市燃气业务的橇装、调压箱、调压柜等生产单元数量有数千个，且目前正在大力推广SCADA系统建设，这种完全适合西南油气田分公司城市燃气业务SCADA系统技术框架和标准的一体化RTU推广价值非常大。

（2）由于一体化RTU采用模块化设计，集成但不固化，其兼容性和互换性强，应用范围将不限于燃气橇装、调压箱、调压柜，如完善供电方案和设备封装，可以将其应用于城市阀井SCADA系统建设；调整外围接口和通信模块，可以将其应用于城市水处理等领域的SCADA系统建设，应用前景非常广泛。

（3）从项目投资角度来说，一体化RTU的集成度高、功能全，与RTU+DTU等建设方案相比，本文研究的一体化RTU解决方案因集成度高可以减少不必要的软、硬件接口的重复开发，从而降低设备生产成本，为企业节省SCADA系统建设投资创造了条件。

（4）一体化RTU集成度高，厂家提供成套式服务，总体维护费用降低，系统建成后的运行维护难度也降低。

6 结束语

（1）信息采集一体化RTU总功耗低，既有节能效果，又解决了太阳能光伏组件和蓄电池容量配置过大不易安装的问题。

（2）信息采集一体化RTU采用模块化设计，功能模块集成而不固化，兼容性和互换性强，外围接口丰富，在满足西南油气田分公司城市燃气业务SCADA系统建设总体框架和标准要求的同时，还扩展了蓝牙、WIFI、物联设备信息采集和自诊断功能模块，具有一定的前瞻性。

（3）信息采集一体化RTU集成度高，项目投资费用和后期运行费用低，推广价值大。