王正義，史浩波

城市燃?xì)馐浅鞘心茉垂?yīng)的重要組成部分，是城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。發(fā)展城市燃?xì)猓瑢?duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、方便人民生活、促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展城市公用事業(yè)意義十分重大，是實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。現(xiàn)在正值城市燃?xì)庀蛱烊粴廪D(zhuǎn)換的關(guān)鍵階段。而在城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，調(diào)壓站是必不可少的環(huán)節(jié)。如圖1所示，調(diào)壓站是管網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)下一級(jí)管網(wǎng)和用戶所需的壓力來調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫ΑＦ淇刂票仨殱M足實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和安全性要求。

 
圖1  城市管網(wǎng)簡(jiǎn)圖

在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中調(diào)壓站一般有城市門站、區(qū)域站、分輸站等系列。門站是接納天然氣關(guān)鍵設(shè)施。具體有除塵、計(jì)量、貯存、加臭、降壓等部分組成。區(qū)域站主要負(fù)責(zé)區(qū)域供氣，具有過濾、調(diào)壓、穩(wěn)壓等功能。由北京安控科技發(fā)展有限公司和常州信力公司共同開發(fā)的區(qū)域調(diào)壓站系統(tǒng)，將RTU作為控制神經(jīng)單元，結(jié)合國(guó)外的先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表設(shè)備集成的新型調(diào)壓站系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)RTU應(yīng)用于調(diào)壓站系統(tǒng)的空白。
1  產(chǎn)品簡(jiǎn)介
RTU（Remote Terminal Unit）是一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，以前的RTU的概念一般是以PLC為核心，再配置相關(guān)的軟硬件設(shè)備來集成。而SuperE的研制具備了RTU和PLC的雙重功能，集“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”于一體，具有自診斷硬件存在與否等功能，使其通用性極強(qiáng)。其一體化的設(shè)計(jì)，從電源到采集、控制、顯示、通信、接線都完整的集成，免除了用戶許多額外的工作。還可以擴(kuò)展，在某些需要更多數(shù)據(jù)點(diǎn)的場(chǎng)合同樣可以勝任，解決了許多原來組合RTU的缺點(diǎn)，如軟硬件各設(shè)備間的接口問題等。
與常用的可編程控制器PLC相比，SuperE具有優(yōu)良的通訊能力和更大的存儲(chǔ)容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計(jì)算功能。SuperE具有多種程序編譯方法（ELadder邏輯梯形圖與C語言等），為應(yīng)對(duì)通訊的各種實(shí)際問題提供強(qiáng)大的軟件支持和多種解決方法。如協(xié)議的轉(zhuǎn)換、生成、實(shí)現(xiàn)，傳輸信號(hào)的多種調(diào)制方式（可自定義）等。
同樣通過ELadder邏輯梯形圖與C語言，SuperE能夠解決許多復(fù)雜而無法建立精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的控制問題，通過對(duì)各個(gè)行業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，建立控制模型，在C語言的編譯后，可以成功地將模糊控制應(yīng)用于自來水行業(yè)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制傻瓜化。
SuperE RTU主要面向數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)，不但可以單獨(dú)使用，實(shí)現(xiàn)就地顯示、控制，更可以方便地組成SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。它具有性能卓越、使用簡(jiǎn)單、體積小巧、安裝方便、擴(kuò)展靈活、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，可以在石油、化工、電力、市政等行業(yè)加以應(yīng)用。
如圖2所示，SuperE提供的二次開發(fā)，定制用戶所需系統(tǒng)。開發(fā)所需工具包括EDraw顯示屏組態(tài)軟件，ELadder邏輯梯形圖軟件以及C語言編譯軟件三種。
ELadder邏輯梯形圖軟件可以完成簡(jiǎn)單的計(jì)算、控制和通訊等工作。
C語言用來完成復(fù)雜的計(jì)算、控制。ELadder與C程序可同時(shí)運(yùn)行，不會(huì)相互干擾。
EDraw用來組態(tài)屏幕，用戶可以根據(jù)自己的需要，組態(tài)出相應(yīng)的畫面，完成數(shù)據(jù)的顯示、控制、狀態(tài)檢測(cè)及報(bào)警監(jiān)測(cè)等功能。

 
圖2  二次開發(fā)流程圖

2  系統(tǒng)介紹
以SuperE為核心的調(diào)壓站系統(tǒng)是一典型的天然氣遠(yuǎn)程采集SCADA系統(tǒng)，主要是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和遠(yuǎn)程調(diào)度。
天然氣遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程調(diào)度系統(tǒng)和調(diào)壓站系統(tǒng)兩部分。如圖3所示，遠(yuǎn)程調(diào)度系統(tǒng)是由控制中心通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)控制RTU組成。控制遠(yuǎn)離危險(xiǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)，通訊采用透明的MODBUS協(xié)議。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控以SuperE RTU作為控制單元核心部分，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)控制，它可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控也可在現(xiàn)場(chǎng)配置上位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，采用由北京安控公司自行開發(fā)的組態(tài)軟件電蜘蛛6.0生成監(jiān)控畫面。

 
圖3  SuperE RTU應(yīng)用于天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要指標(biāo)如下：
系統(tǒng)容量：最大255個(gè)RTU（按每個(gè)泵站1個(gè)RTU計(jì)算）
儀表電源： 220VAC，50Hz
測(cè)量量：綜合誤差≤1.5%，系統(tǒng)綜合誤差≤2.0%，遙測(cè)合格率99.9%
誤碼率：信噪比不大于17dB時(shí)=10-5
實(shí)時(shí)性：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2～4秒更新一次
進(jìn)口壓力范圍：門站     16～100 bar
              區(qū)域站   0.05～4 bar
出口壓力范圍：門站     2～16 bar
              區(qū)域站   10～300 mbar
環(huán)境溫度：-20～70℃
調(diào)壓精度：±5%
關(guān)閉精度：±10%
為滿足調(diào)壓站增補(bǔ)和改造生產(chǎn)工藝的需要，使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)RTU均采用開放式結(jié)構(gòu)，便于未來的擴(kuò)充。
2.1  系統(tǒng)的主要作用
(1)  數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)
連續(xù)、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)各種現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)儀表參數(shù)（包括對(duì)入口壓力、出口壓力、入口溫度、過濾器差壓信號(hào)、燃?xì)庑孤秷?bào)警器等），可根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫處理，編制打印各種日、月、年報(bào)表文件，繪制各種參數(shù)的曲線圖并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，還可以將數(shù)據(jù)保存起來供檢索、修改。
(2)  控制狀態(tài)檢測(cè)
通過數(shù)據(jù)終端連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)有關(guān)閥門（如超壓切斷閥或電動(dòng)球閥）的開關(guān)狀態(tài)，及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)設(shè)備（如旁路的運(yùn)行狀態(tài)等）運(yùn)行狀態(tài)，可以根據(jù)需要進(jìn)行分類處理，繪制出各種狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間圖并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。系統(tǒng)將狀態(tài)信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)供檢索查閱，對(duì)于設(shè)備的異常狀況的發(fā)現(xiàn)及快速處理、解決有極大的幫助。
(3)  調(diào)壓設(shè)備控制
系統(tǒng)調(diào)壓設(shè)備的控制是在上述數(shù)據(jù)、狀態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)、狀態(tài)檢測(cè)能提供大量的數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)控制的前提。通過對(duì)各儀表設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)相應(yīng)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)或其它受控對(duì)象執(zhí)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化管理。
系統(tǒng)的控制還具備開環(huán)控制和閉環(huán)控制雙重用途，兼?zhèn)淞巳斯じ深A(yù)操作遙控與數(shù)據(jù)終端機(jī)（RTU）遠(yuǎn)程自動(dòng)閉環(huán)控制。
系統(tǒng)還具備與其他設(shè)備的冗余接口，采用通用的MODBUS協(xié)議，方便連接與現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，而且RTU可帶顯示屏。
(4)  調(diào)壓站計(jì)量
調(diào)壓站的計(jì)量主要是流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。包括瞬時(shí)流量，累計(jì)流量。流量計(jì)可配置智能總線型或普通型。
(5)  遠(yuǎn)程調(diào)度
系統(tǒng)還可通過冗余的通訊口連上遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（如PSTN、無線網(wǎng)絡(luò)等）。可通過遠(yuǎn)端的控制終端（一般為監(jiān)控計(jì)算機(jī)）遙控調(diào)度調(diào)壓站，進(jìn)行宏觀控制。
2.2  SuperE應(yīng)用于調(diào)壓站系統(tǒng)的特點(diǎn)
(1)  一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理，可直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)
本系統(tǒng)采用整體撬裝結(jié)構(gòu)，安裝調(diào)試方便，現(xiàn)場(chǎng)控制與控制現(xiàn)場(chǎng)分體式布局，將調(diào)壓設(shè)備放置危險(xiǎn)的控制現(xiàn)場(chǎng)，控制主機(jī)放在控制室，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
SuperE自帶電源，可直接用220VAC供電，也可使用24VDC供電，具有省電模式，可用太陽能電池供電，并具備電池充電和后備功能，帶顯示和按鍵，用于現(xiàn)場(chǎng)操作，采用壁掛式直接安裝在控制柜內(nèi)，并采用多層接線端子，現(xiàn)場(chǎng)安裝和接線非常方便。
(2)  配置合理，具有很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力
SuperE具有AI、DI、AO、DO、PI等多種類型的輸入、輸出信號(hào)，各種信號(hào)數(shù)量可由客戶選定。用于可檢測(cè)溫度、壓力、流量狀態(tài)等不同類型的信號(hào)，可滿足開關(guān)、報(bào)警、連續(xù)調(diào)節(jié)等不同類型的控制要求，還可以通過配置的冗余COM口，通過C語言編譯智能儀器儀表自帶的協(xié)議，進(jìn)行總線型的數(shù)據(jù)聯(lián)接。
(3)  強(qiáng)大的軟件功能，可以滿足各種靈活控制、復(fù)雜運(yùn)算的要求
支持邏輯梯形圖語言、C語言編程及屏幕組態(tài)功能，支持實(shí)時(shí)多任務(wù)、PID算法和各種氣體流量算法，提供多種專用的檢測(cè)、控制軟件包。對(duì)調(diào)壓站系統(tǒng)的控制可提供調(diào)度控制優(yōu)化軟件。
(4)  靈活的通訊方式，標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，可方便地組成SCADA系統(tǒng)
一臺(tái)SuperE提供最多三路對(duì)外通訊接口，可配接多種通訊設(shè)備，實(shí)現(xiàn)有線、無線通訊支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS RTU/ASCII通訊協(xié)議，也可自定義通訊協(xié)議，與外界直接聯(lián)系對(duì)話進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
(5)  現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控兼?zhèn)洌瑸橄到y(tǒng)操作、診斷、維護(hù)和升級(jí)提供了方便
通過現(xiàn)場(chǎng)顯示、按鍵或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。程序可現(xiàn)場(chǎng)下載或遠(yuǎn)程下載，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)、升級(jí)。
(6)  細(xì)致周密的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，為用戶提供了可靠的保證
電源、信號(hào)入出口均有保護(hù)措施，并與主控電路隔離，具有看門狗及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)、檢驗(yàn)嚴(yán)格按照ISO9001質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
3  淄博天然氣區(qū)域調(diào)壓站
淄博天然氣區(qū)域調(diào)壓站系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、輸出及控制的自動(dòng)化程度較高的系統(tǒng)。包括對(duì)入口壓力、出口壓力、入口溫度、燃?xì)庑孤⒊瑝呵袛唷⑦^濾器差壓信號(hào)、電動(dòng)球閥的開啟/關(guān)閉、流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，將這些數(shù)據(jù)分門別類，以數(shù)據(jù)表格和報(bào)警形式輸出或進(jìn)行控制。由于區(qū)域站采用整體撬裝結(jié)構(gòu)，因而現(xiàn)場(chǎng)電器安裝工作量少，只有安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)的管線連接，整個(gè)電器的連接，操作、維護(hù)方便，使用安全可靠，并且可以實(shí)行遠(yuǎn)程遙控，無需現(xiàn)場(chǎng)值守。
流量計(jì)采用智能文丘利渦街流量計(jì)，它有自己的通訊協(xié)議，系統(tǒng)采用C語言編制協(xié)議的方式，通過SuperE COM口與之建立通訊聯(lián)接，采集流量計(jì)中數(shù)據(jù)。軟件包進(jìn)行專門開發(fā)，用優(yōu)化軟件對(duì)調(diào)壓站系統(tǒng)進(jìn)行控制。
3.1  應(yīng)用軟件