天然气计量网络监控系统的设计与实现.pdf

第 4 7卷第 3期 2 0 1 1年 6月 石油化工 自动化 AUT0M AT1 0N I N PETR0一 CHEM I CAL I NDUSTRY Vo 1 ． 4 7．No ． 3 J u r i e，2 011 天然气计量 网络监控系统 的 设计 与实现 廖德云 ， 张智 ， 王存伟 ， 李杰， 连建晓 ， 吕素芳 ， 时梅英 中原油 田分公司 天然气产销厂 ， 河南 濮 阳4 5 7 1 6 2 摘 要 天然气计量是生产经营过程中指导科学组织 、 调配 、 控制和巡线 的依据 。为了对各站场 自动计量系统集中管理 ， 实 现计量数据 的远传共享 ， 对生产数据实时监控 ， 以 P L C为基础介绍 了天然气 计量 网络监控系统 的设计 和实现方法 。该设计 优 化 了计量模式 ， 利用 I n t r a n e t 完成各站场 自动计量系统 的组网和现场计量数据到远端服务器的上传 。用户通过局域网以B ／ s 模 式实现对现场计量数据实时分析和监控管理 ， 可以及时掌握现场运行状态 ， 完 成计量信息化建设。同时， 该 系统具有可靠性高 、 兼容性强等特点 ， 平均无 故障时 间得到延长 ， 方便后续维护工作 。 关键词 天然气计量； 数据远传； 监控； 可编程控制器 中图分类号 T P 2 7 4 ， T P 2 7 7 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 一 0 3 - 0 0 4 2 - 0 4 De s i g n a n d I mpl e me n t a t i o n of Ne t wo r k M o ni t o r i ng S y s t e m f o r Na t u r a l Ga s M e t e r i n g Li a o De y u n，Z h a n g Z h i ，W a n g Cu n we i ，Li J i e ，L i a n J i a n x i a o，Lv S u f a n g，S h i M e i y i n g S i n o p e c Z h o n g y u a n Oi l f i e l d Co r p o r a t i o n ，Na t u r a l Ga s Pr o d u c t i o n a n d Ma r k e t i n g Co mp a n y，Pu y a n g ，4 5 7 1 6 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Na t u r a l ga s me t e r i n g i s t he ba s i s o f gu i d i n g s c i e nt i f i c or g a ni z a t i o n， de pl o y m e n t ， c o n t r ol a nd p a t r o l d ur i n g pr o du c t i o n a nd ma r ke t i ng ．I n or d e r t o c o c e nt r a t e m a na g e me n t o n a ut oma t i c m e t e r i n g s ys t e m of e a c h s t a t i o n， a c hi e v e r e mo t e t r a ns m i s s i o n a nd s h a r e o f me t e r i n g d a t a， a nd r e a l t i me mo ni t or i n g o n pr o du c t i o n d a t a s ，de s i g n a nd r e a l i z a t i on m e t ho d of ne t wo r k m o n i t o r i ng s y s t e m f o r na t ur a l ga s me t e r i n g b a s e d o n PLC i s i n t r o duc e d．The d e s i g n op t i mi z e m e t e r i n g mod e l ， c o m pl e t e ne t wo r k f or ma t i o n o f e a c h a u t o ma t i c me t e r i ng s y s t e m a nd u p l o a d l o c a l me t e r i n g d a t a t o r e mo t e s e r v e r ． The u s e r i s a bl e t o f i n i s h r e a l t i me a na l y s i s ，mo ni t or i n g a nd ma na ge m e nt o n l oc a l me t e r i n g d a t a t hr ou g h i n t r a ne t a n d B／ S mo d e l ，t i me l y k n o w t h e l o c a l o p e r a t i o n s t a t u s ，a c h i e v e me t e r i n g i n f o r ma t i z a t i o n c o n s t r u c t i o n ． At t he s a me t i me，t he s ys t e m i s hi gh l y r e l i a bl e a nd c o mpa t i bl e，M TTF i s e x t e n de d，whi c h i s he l pf u l f o r l a t e r ma i nt e n a nc e ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s me t e r i ng；d a t a r e mo t e t r a n s mi s s i o n；mon i t o r i n g；PLC 0 引 言 天然气计量是 整个生产经 营过程 中一项很 重要 的基础工作。由于各站场 自动计 量系统相互独立 ， 没 有实现系统的互 联和计量数据 的远 传共享 ， 随着信息 和网络技术 的发展 ， 各站场独立 的计量模 式已经不能 满足计量信 息化 的要 求。为 此 ， 各 站场 引 进先 进 的 P L C设备， 完成天然气各项参数的 自动计量， 并利用 P L C强大的联 网功能 ， 将各站场计量数据 上传远端计 量服务器 ， 通过 We b 在线监控 系统发布 ， 建成集天然气 开采 、 集输和销售为一体的天然气计量网络监控系统 1 相 关技术 1 ． 1 P L C技 术 P L C是一种 专 用 的 工 业 计 算 机 系统 ， 广 泛 应 用 于工业 生产 的过 程控 制 。该 系统 采 用模 块 化 设 计 ， 模 块丰 富 、 扩 展能 力强 ， 能完 成各种 计量 仪器 仪 表输 出 的数 字信 号 、 模 拟 信 号 和 脉 冲信 号 的采 集 。 其中 C P U模块能轻松进行整数 和浮点运算， 完成 数 据 的处 理 和 交 换 ， 通 过 自带 通 信 接 口 以统 一 的 Mo d b u s 协议 上传 计量 工控 机显 示 ； 也 可 以给 P L C 设 置独 立 I P， 通 过 自带 网 络 接 口经 I n t r a n e t 上 传 远端计量服务器 ， 完成计量数据的发布 。 1 ． 2通信技 术 整个 系统 采用 Mo d b u s ／ TC P协议 实现 与 远端 收稿 日期 2 0 1 1 0 40 7 修改稿 。 作者简介廖德云 ， 2 0 0 0年毕业 于昆明理工大学 自动 化专 业 ， 现任中原油田分公 司天然气产销厂计量 管理科科 长， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 廖德云等．天然气计量 网络监控 系统的设计 与实现 4 3 计量 服务 器 的通 信 。该 协议 已经 是 工 业 领 域 全 球 流行 的 协 议 ， 支 持 传 统 的 R S一2 3 2 ， RS一4 2 2 ， R S ～ 4 8 5和 以 太 网 设 备 。许 多 工 业 设 备 ， 包 括 P L C， DC S和 智 能 仪 表 等 都 在 使 用 该 协 议 作 为 相 互 问 的通 信标 准 。该 协 议 可 以将 不 同 厂 商生 产 的 控 制设 备 连成工 业 网络 ， 进行 集 中监 控 。Mo d b u s ／ TC P通信 协议 是通 过 协 议 转 换将 Mo d b u s 消 息 封 装 成 I P包 ， 放 在 I n t r a n e t ／ I n t e r n e t 上 传 输 的 一 种 协议 ， 使 用该 协 议 实 现 了站 场 P L C与 计 量 服 务 器 的通信 。 1 ． 3数 据 管理技 术 由于不 同站 场多路 计 量数 据上 传 ， 容易 导致 计 量服 务器 端数 据 的采集 和存 储 量越 来越 大 ， 再 加 上 对数 据 的集 中处 理 ， 服 务 器 任 务 繁 重 ， 必 将 会 影 响 数据 处理 结果 的发 布 。 因此 ， 由 P L C对 现 场数 据 进行 预处 理 ， 以 Mo d b u s ／ T C P协 议 上 传 服 务 器 后 经过解 析 直接得 到 计量 数据 。 服 务 器 对 数据 的管 理 主要 是 对 上 传 的 计量 数 据 进行 缓存 或数 据库 存储 ， 经 过批 量 数据处 理 后 以 B ／ S模式 在 We b在 线 监 控 系 统 上 发 布 。所 以 ， 对 计 量数 据 的管 理 分 为 两 类 a 数 据 采 集 系 统 从 数 据缓存区批量读取数据经过运算处理后 以数据方 式 和 图形方 式实 时输 出 ， 即实 时数 据 和 实 时 曲线 ； b 数据 采集 系统 从 数 据 库 中批 量 读 取 数 据 经 过 运 算处 理后 以图形方 式 和报 表方 式输 出 ， 即历 史 曲线 和数 据报 表 。为 了增强 客 户端 的体 验效 果 ， 在实 现 实 时数 据 和实 时 曲线 两个 功 能 时 使用 了 A J AX 技 术 ， 优 化 了 B r o ws e r 和 S e r v e r之 间 的沟 通 ， 平 衡 了 前 、 后 端 的负 载能力 。 1 ． 4动态 矢量 显 示技 术 现 场 计 量 数 据 有 图形 和数 据 输 出 两 种 方 式 。 图形 方 式 的输 出 采 用 在 站 场 流 程 上 实 时 显 示 计 量 数 据 如 图 1所 示 。 流 程 图 采 用 专 业 矢 量 工 具 绘 制 ， 实 现 用 户 对 流 程 图 任 意 放 大 缩 小 而 不 失 真 ， 也 可 以对 流 程 图 任 意 拖 拽 ， 查 看 相 应 位 置 计 量 数据 。 鲞 鑫霉 图 1 矢量流 程 2系统结构 设计 基 于 P L C的天 然气计 量 网络监 控 系统 采 用 三 级 结构设 计 现 场 设 备 级 、 站 场 P I C控 制 级 和 网 络监 控级 ， 采 用计 量仪 表 P L C远 端 计量 服 务器 中控室 计量 工控 机 的计 量模 式 ， 系统 结 构如 图 2 所示 。位 于 流 程 区 的计 量 仪 表 属 于 现 场 设 备 级 ， 位 于 站 场 中控 室 的 P L C 和计 量 工 控 机 属 于 站 场 控 制 级 ， 完 成 站 场 计 量 仪 表 输 出信 号 的 采 集 、 数 据 处 理 和 显 示 ， 同 时 也 完 成 对 自 动 化 仪 表 运 行 参 数 的设 置 ； 最 上 层 是 远 端 计 量 服 务 器 ， 服 务 器 通 过 I n t r a n e t接 收 各 站 场 P I C 上 传 的 计 量 数 据 ， 通 过 W e b在 线 监 控 系 统 实 现 对 现 场 计 量 数 据 的 实 时 分 析 和 监 控 管 理 ， 属 于 网 络监 控 级 。 一 一 网络设备 t 网络 监控级 计量 仪器仪表 图 2 计量仪 器仪表 系 统 硬 件 结 构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 石 油化 工 自动 化 第 4 7卷 现场 基于 P L C的 自动计量 系统 和计 量服 务器 两 大部分来 实现 。站 场建立 基 于 P L C的 自动 计量 系统 ， 与 现场计 量仪器 仪表 相结合 完成 对天 然气压 力 、 差 压 、 温 度和 瞬 时 流量 和 累计 流量 等 参数 的测 量 ， 同时完成计量数据本地显示 和远传共享 ； 建立 计量 服务器 ， 接 收 现 场 上 传 的 计 量 数 据并 以 We b 方式发 布 。 2 ． 1 基 于 P L C的 自动 计量 系统 如 图 2 所 示 ， 系统 主要 由以下 五部分 组成 a 现 场 计 量 仪 器 仪 表 。包 括 自动 化 仪 表 和 智 能 变 送 器 ， 直 接 或 间 接 完 成 现 场 天 然 气 静 压 、 差 压 、 温 度 、 瞬 时 流 量 和 累 计 流 量 等 各 项 参 数 的 测 量 。 b P L C。P L C是 网络监 控 系 统 的 核 心 部 分 。 它的任务是对 各种计 量仪表 的输 出信号进 行采 集 并进 行 数据 处 理 或 流 量 计 算 ， 再 按 照 统 一 的通 信协议对数 据进行 传输 。计量 仪表输 出有标 准 4 ～2 0 mA， RT D， 脉 冲 ， R S一 4 8 5信 号 ， 方 案 采 用 P L C的 AI ， R TD， 高速计 数模 块和通信转换模 块 分别接收 ， 再 由 C P U模块进行 数据处理和交 换 ， 通过 自带通信 接 口以 Mo d b u s 协议 传 至计 量 工 控 机 ， 标 准 的 Mo d b u s使 用 一 个 R S 一 2 3 2 兼 容 的 串行接 日。另外 ， 给 C P U模 块设 置 独立 的 I P， 通过 自带 网 络 接 口经 I n t r a n e t上 传 厂 计 量 服 务 器 。 c 计量工控机 。计量数据 以 Mo d b u s 协议上 传计量工控机 ， 完成天然气静压 、 差压 、 温度、 瞬时 流量 和累计 流量 等各 项参数 的本 地显示 。 d 网络设备。包括路 由器和光纤 收发器 。将 站场基 于 P L C的 自动计量 系统 连入 I n t r a n e t ， 实现 现场计 量数 据到计 量 服务器 的远传 共享 。 e UP S系 统 。站 场 安 装 直 流 UP S ， 同 时 为 P L C和现场计量仪 表供 电 。在正 常供 电时 ， UP S系 统处于充电状态。在供电异常时 U P S 启动， 有效保 证 了 P L C和计量 仪表的正 常运行 ， 从 而保 证站场 计 量数据 到远端计量服务器 的上传 。 2 ． 2计 量服务 器 服务器 端 主要 由计量服 务器 、 网络 设备 和客 户 端 组成 ， 计 量服务 器 安装 O r a c l e 数 据 库 ， 用 于 存 储 站场 P L C上传的计量数据 ； 网络设备同样包括路 由器 和光纤 收发 器 ； 客户端 包括 领导决 策层 、 生 产 、 销售 和调 度 部 门 以及 各 基 层 单 位 等 ， 通 过 Vi s u a l s t u d i o 2 0 0 8自主 开 发 的 We b在 线 监 控 系 统 浏 览 发布 的实时 计量数 据 。 3软件 设计 该 系统软 件设 计 流程 如 图 3所示 。 图 3软 件设 计流程 示 意 3 ． 1 P L O程序 设计 P L C程 序 主 要 完 成 对 生 产 数 据 的 采 集 和 计 量 。数据采 集程 序提 取天 然气 的压力 、 差压 、 温度 、 瞬 时量 和累积量 等 测 量 数据 ， 然 后 在 C P U 模 块 的 内存 中分配 寄存 器 地址 并 由上 位 机 的驱 动 程 序进 行存取操作 ， 传给组态软件对计量数据进行可视化 组 态 。同时远端 计 量 服务 器 中程 序也 可 以对 这些 分 配 的寄存 器进 行 读 取 操作 。流量 计 算 程 序根 据 天然气的压力值 、 差压值和温度值完成天然气瞬时 流量、 日和月累计量等参数 的计算 ， 并完成计量数 据本地和远程的存储 、 显示 任务， 程序 流程如图 4 所 示 。程 序 中对 天然 气 流 量 的计 算 按 照 现行 的天 然气 计量 标准 进行 编程 。各站 场 P L C程 序 根据 现 场 实际情 况采 用最 大计量 路数 冗余 设计 ， 以满 足今 后计 量点增 加 的需要 。 图 4 PL C 程 序 流 程 3 ． 2组态 软件 的程序 设计 中控 室计量工控机 软件设计包括组 态软件 设计 和驱动程序设 计 。计量 工控 机安 装 I n t o u c h组态 软 件接收上传 的各项计 量数据 ， 软件 界面友 好 ， 实现 了 实时数据显示 、 参数设 置 、 实时／ 历 史 曲线 查看 、 报 警 信 息 、 生产报表 和校 表 时流 量补 偿 等功 能 。为 了实 现组态 软件与 P L C之问进行数 据传 递 ， 用 V B 6 ． 0编 写驱动 程序 。驱 动 程序 可实 现 将 Mo d b u s 协 议解 析 ， 提取各项参 数并在组态界 面显示 ； 将组态 界面对 孔径 、 管 径 、 相 对 密 度 等参 数 值通 过 P L C写入 自动 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 廖德云等．天然气计量 网络监控 系统 的设 计与实现 4 5 化仪表 。 3 ． 3监 控软 件 的程序 设计 监控 软 件 的程 序 是 整个 系统 的关 键 部 分 。计 量服 务器 程序 主要 包括 协议 转换 程序 、 数 据 管理 程 序 和监 控 软 件 程 序 。协 议 转 换 程 序 接 收 现 场 的 Mo d b u s ／ TC P协议 ， 并 从 I P包 中解 析 出 Mo d b u s 数据 ， 再 根据 帧格式 见 表 1所 列 ， 从 寄 存 器 中 提 取各项 参 数 ， 实 现 了计 量 服 务 器 对 P L C上 传 数 据 的接 收 。Mo d b u s 协 议有 AS C I I 和 R TU 两种 传 输 模 式 ， 这里 采用 R TU模 式 。 表 1 RT U帧 格 式 注 1 T1 一 I ’2 一 T4指 捎 息 发 送 至 少 要 以 3 ．5个 罕 符 时 I司 的停顿间隔开始 ， 并至少 以 3 ． 5个 字符 时间 的停顿标 定 了消息 的 结束 ， 新消息在此停顿后开始 ； 2 n为字节数。 数据 管 理程 序是 对提 取 的数据 进 行采 集 、 存 储 和 管理 ， 计量 服务 器安 装 O r a l c e数 据库 ， 实 时存 储 各 站场上 传 的计量 数 据 ， 开发 的数 据采 集程 序采 用 多线 程 原 子技 术 进行 处 理 。监 控 程序 采 用 C语 言 基 于 AS P ． NE T 技 术 开 发 的 可 视 化 平 台 ， 实 现 的 主要功 能 a 以计 量 点为 单位 显示 站 场 生 产信 息 。包 括 压力 、 差压 、 温度 、 瞬时流量 、 累计流量、 管存量和站 内输 差等 信 息 。 b 以矢量 图形 式 显 示 站 场 的工 艺 流 程 ， 动 态 显示 站场 的生产数 据 。 C 具备生 成 参 数 压 力 、 压 差 、 温 度 、 瞬 时流 量 和累计 流量 的实 时趋 势 图表 和历史趋 势图表功 能 。 d 具备 压力 、 差 压 、 温度 、 瞬 时流 量 和 P L C通 信等 参数 报警 信 息 ， 每 个 参 数 设 有 上 下 限报 警 值 ， 数据 异常 时在 流程 图相 应位 置处 给 出报 警信 息 。 e 具备 生 成 各 站 场 及 全 厂 的瞬 时 报 表 、 日报 表 、 月 报 表和年 报表 等功 能 。 f 由于 网 络 异 常 导 致 计 量 数 据 缺 损 时 ， 在 恢 复 网络 后 能够 自动从 站 场 P L C的存 储 卡 中读 取缺 损 的计 量 数据 。 g 客户 端 以 B ／ S模 式 访 问 We b在 线 监 控 系 统 ， 对 用户 设置 访 问权 限 。 4系统 特点 4 ． 1 计 量 系统 可 靠性 高 该 系统 由 P L C对计 量数据 集 中处理 ， 站场 计 量 工控 机只承担 了计量数 据的显示 和 自动 化仪表 参数 设 置功能 。整个 系统无论从 硬件还 是软 件上都 采用 冗余设 计 ， 平均故 障问 隔时间 MB T F 得到延 长 。 4． 2计量 数 据远传 共 享 各站 场 自动 计 量 系 统通 过 P L C联 网 ， 实 现 了 现 场计 量数 据 到计 量服 务器 数据 库 的上传 ， 通过 局 域 网 随 时 可 以 对 计 量 数 据 进 行 实 时 分 析 和 监 控 管 理 。 4． 3兼容 性 和扩展 性 强 该 系统 适 用 于各 种 计 量 仪器 仪 表 的集 输 气 站 场 ， 包 括智 能变 送器 、 多 种流 量计 和 自动化 仪表等 。 扩 展计 量点 增 加 仪 表 时 ， 只 需 要 增 加 P L C相应 模 块 即可 。 4 ． 4安全性 高 通 过硬 件 防火墙 进 行 网 络 隔离 ； P L C的 I P地 址 单独划 分 ， 数 据单 向上 传 ， 同 时使 用 路 由器作 端 口映射 ， 避免 网络 病毒 直 接对 P L C进行 攻 击 ， 确保 基 于 P L C 的 自动 计 量 系 统 的 安 全 运 行 。 同 时 ， P L C具有 光 电隔离 功能 ， 雷 电天气 抗 过压 能力强 。 4． 5实时性 强 服务 器采 用 Or a c l e数 据 ， 实 时存 储 和 处 理 各 站场 上传 的计 量 数 据 。监 控 软 件 设 置 数 据刷 新 周 期 最 小为 1 S 。 5 结束 语 通 过 对 天 然 气 计 量 网络 监 控 系统 研 究 ， 实 现 了 计量 信 息 化 建 设 。该 系 统 实 现 了 各 站 场 生 产 数 据 的采 集 、 计 量 以 及 远 程 的 实 时 分 析 、 监 控 管 理 。 系统 投 入 使 用 后 运 行 稳 定 ， 为 领 导 决 策 、 生 产 监控 、 调 度 管 理 、 销 售 监 督 等 工 作 提 供 实 时 数 据 支持 。 参考 文献 [1 ] 黄和 ， 宋德琦 ， 游 明定． 用标 准 L 板 流量 计测 量天然 气流 量[ s ] ． 北京 中国国家标准化管理委员会 ， 2 0 0 8 ． [2] 高 勇． Mo d b u s 通信协议在生产中的应用[ J ] ． 石油 化工 自 动 化 ， 2 0 0 8 ， 5 9 3 9 4 ． [3] 李桂成． 新一代油气管 网 S C ADA系统设计方案及标准化研 究[ J ] ． 石油化工 自动化 ， 2 0 0 8 ， 5 1 3 ． [4] 郑阿奇． 施耐德 P I C应用 技术 [ M] ． 北京 电 子工 业 出版 社 ， 2 0 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