（安全技术及工程专业论文）Web技术在煤气调度系统中的设计与实现.pdf

a b 钉r a c t ：n e d c s i 萨o f 屺g 够s u p p l yi n d u d 伪s 岫e t h i n gs u c h 髂g 舔d i s 打i b u t i o n ， a d d i n g 锄e ua n dp 瞄s u t 0g 够，t c m p c 咖伽咖n i n g 强d o ma m o n gt h e m ，t h c g a s 酬b u t i i st h em o 吼i d l p o n a mt h i n gf o re a c h 乎晦m p 羽l y i ft h eg 勰d i s t r i b u t i i sn o t 托嬲o n a b l c ，m a l 【i n gt h cg 鹪n c tp l 嚣蛐坞l 们峨i tc 柚、训s 毋c 峪t o m e 塔；a n d m a k i n g 恤哼g 弱n c tp 圮鼹i l 他h i g h t h cg 嬲伽衄p 加y sc x p c l l s 陷w mi n 绷 t h 嘲坞d o i n g t h eb c s t t o 鞠t i s 匆例i s t o m e 墙觚d l o w 盯t h c g 勰伽p a n y se x 弘螂i s a v e r y j m p o r t a n t p f o b l 锄恤a g 鹤姗p 柚ys h o u l d d c a l 、i t h h t h cd c s i g n ，g 船d i 蛐r i b u 哦m o t 盯伽w a 妯缸d 咖u 啷u 聆s t a t i 帆s 蛆d s t c 髓g c 曲砌。璐惦i n g b yi n 把m c t e m b c d d c d u e c i i 蛐s y s t 锄伽d u d i n gw c bs e f v c r ) u c c bb o n o md a i np r e 鼢鹏s 伽s 缸ds 蛐l g e ；s 眦i o i 瑶w c bt e c h 1 0 9 yi s a p p l i e dt oc 呲m u n i l ed i s t f i b u 妇咖t e f 稍t hw a 妯c ds t a t i o l 晦m a t h 锄a t i 璐m o d c lo f g a sd i s t r i b u t i d 姊a “舡雌i s 埘删b y j a v a a p p l c t 卸d p u t 劬w c bs c r v 既w 蛐c b e l 伽g - 啪g e l yv i s i t e d ，t h e ”l a t e dd i s t d b u t i m o d e li s 腿 t h eg 够td i s t r i b u t i s y s t 锄i sam u l t i d i m c 船i 锄dad y n 姐血n 伽一h m 村 s ) r s t 锄hm ed e s i g t h e 伽s 咖盯s a t i s f 捌姐d e 掣t 0b c 也cb c s ti st h ct a r g c t f i i 删i 1 1 l ev a i i a b i l i t yi sm c 黜i 印c dr a i cw h i c hd i s t r i b u t e st on 懿tg a sp 啪w i t h o m g a r d t ot h ce f f c c tt h a t 蜘p c 船t i l c l c t a ：k c ，a e 劬gg 鹤d i s 翻b u t i o nd i s p 倒蚯n g m o d e l ，d c s i g n i n g 卸dw r i d n gt h cg 勰n c td i s 仃i b u t i 咖p f o g r 锄谢mt h cd i s p 越c h i n gm l 锚 ”l k i n gf o rt h c 懿仃c 棚啪o fnd i m e 船i 伽a l i t i 嚣蚰d 盯圮n t a i no 叻d i t i 伽”t oa d j u 砒 d i s t r i b u t i o n n 删s y s t c m 卸t o m a t i c a u y a o r d i n gt ot h i s ，w c 啪a c h i c v cd i s p a 蕾c h i n g m o d e l sp f o g m m t l l m g hj a v aa p p l e t t h ed e s i g nt a l 【e sw g bt e c 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本学位论文是在导师谭南林教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。在攻读硕 士研究生期间，谭老师在学业上的严格要求，在生活中无微不至的关怀，以及他 严谨求实的科研态度、执著的敬业精神、平易近人的工作作风，都给我留下了深 刻的印象。在本论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢和深深的敬意。 在课题研究和论文撰写过程中，也得到了苏树强、张冬泉、张乐乐、吴斌、 焦凤川五位老师的细心指导和帮助，他们给了我很多建议，积极为我创造实验条 件，我的论文才能顺利完成。在此也向他们表示真心的感谢。 张乐乐副教授对我的科研工作和论文撰写都提出了许多宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在攻读硕士的两年多时间里，实验室的各位同学也在日常工作和学习中给了 我极大的帮助，他们是张勇、李响、刘永新、邢然、申建德等，在此也向他们表 示谢意。 另外，对多年来一直默默支持我完成学业的父母和亲人们表示深深的感谢和 衷心的祝福。 最后，向所有关心和帮助过我的朋友们表示由衷的感谢! 杨亮 2 0 0 6 年1 2 月于北京交通大学 1 引言 1 1 问题的提出 煤气监控调度是至关重要的，但是难以控制。如果调度不好，或者造成管网 压力偏低，无法满足用户的要求，或者造成管网的压力偏大管网运行费用增高。 为了解决这个问题，现在许多城市燃气管网都使用s c a d a 系统进行监测，但由于 经济的原因，s c a d a 系统监测点往往只能是少数的重要站点，不能对整个管网进行 监控，无法了解整个管网的实时变化情况，这就使很多压力站的信息不能和主监 控站及时地交互数据，因此降低通信成本，普及监测系统成为一个重要的问题。 所以本文采取现在流行的w e b 技术来实现煤气调度系统。 1 2 煤气监控调度的国内外现状 1 2 1 煤气监控调度的国外现状 美国、英国、法国、瑞士等国在燃气管网中引进了s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r 0 1a n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统对供气管网实施调度。该系统由调度中心和 终端站组成。终端站包括数据采集、设备控制和通讯的硬件，调度中心的主机负 责指挥各个终端站进行数据采集，并对采集的数据进行处理，建立数据库将有关 信息存档，显示管网运行状况。同时主机进行各种计算，对供气负荷进行预测， 并在s c a d a 系统的配合下，对管网进行水力分析模拟压缩机的工作状态，确定合 理的供气参数，以达到优化调度的目的。当管网发生故障时，可由计算机诊断出 发生故障的管段，确定合理的抢修措施。 日本由于城市煤气需要量的增加，煤气管网规模的不断扩大，为了确保城市 煤气的安全生产和供应，东京和大阪煤气公司分别于1 9 7 3 年和1 9 7 0 年引进美国 的计算机技术，并根据日本的实际情况建成了调度自动化系统。它主要由计算机 系统和遥测、遥讯、遥控、遥调系统组成，实现了对煤气生产、供应及调度的自 动化管理i “。 1 2 2 煤气监控调度的国内现状 目前国内许多城市都在使用煤气和天然气，并且随着燃气事业的发展，燃气 的供应规模不断扩大，城市燃气管网结构也越来越复杂，因此随着计算机的发展， 许多城市开始采用s c a d a 系统将计算机用于管网调度和监测。上海煤气公司在二 十世纪七十年代完成了有线和无线相结合的燃气管网压力遥测系统，由计算机控 制数据采集和打印，配有压力模拟屏显示管网压力。 进入二十世纪九十年代，许多城市如天津、威海、青岛、秦皇岛为提高燃气 管网调度管理水平，采用s c a d a 系统并取得显著的经济效益嘲嘲嘲嘲。 虽然国内许多城市都己用计算机实现了管网的监测但目前国内各城市的 s c a d a 系统仅仅实现了数据实时采集和故障监测，调度还主要是调度人员根据管网 的运行工况和自己的调度经验进行调度。调度人员的工作除了保证一般情况的用 气外还有一项重要工作，即在用气高峰时期的燃气调度，一般称为调峰调度。调 蜂调度对使用天然气的城市的燃气公司来说尤其重要，因为这些公司调度的最主 要工作也是调峰调度。 在我国，燃气用户主要分为居民生活用户、公共建筑用户和工业企业用户三 种类型，其中居民生活用气量最大，约占燃气总量的6 0 ，有的城市所占比例更大。 因此用气量受居民的生活习惯影响特别大。一天中随时间不同用气量有较大的波 动。我国一般在一日三餐用气量，( 早上、中午、晚上) 时出现用气高峰，尤其以 晚上七八点时出现一日中最高而且时间也比较长。由于气源的供气能力在一段时 间是平稳变化地，不可能完全按用气量同步地变化，因此在用气高峰时期需要启 动储气站向燃气管网供气满足用户用气要求。 虽然近几年人们对城市燃气调度作过一些研究，但主要集中在整点预测和调 度，如文献旧册嗍咖对城市燃气优化调度做过研究。 ( 1 ) 虽然现在许多城市燃气管网都使用s c a d a 系统进行监测，由于经济原因， s c a d a 系统的监测点往往是少数重要站点，不能对整个管网实施监控，无法了解整 个燃气管网实时变化情况，无法实时了解用户用气量。 ( 2 ) 燃气管网是动态的非线性系统。任一用户用气量的变化都会影响到整个管 网状态。不同特性用户对管网状态的影响也各不相同另外结构参数如管径和摩阻 系数受管段铺设年代、管内壁腐蚀程度、管内沉积物及管材等因素影响发生了变 2 化。燃气管网是一个受多因素制约的大系统，各因素综合作用叠加后造成管内的 气体流动状况极为复杂，这种非平稳随机性加大了管网状态估计的难度。 由于上述原因，造成理论上分析燃气管网实时运行工况困难，但在实际工作 中，调度人员可以根据管网个别站点的压力情况实时发出调度指令，进行成功的 调度。在用气高峰时段，调度人员的调度方法一般为首先判断时间是否到了高峰 时间，然后了解管网重要站点的压力情况，最后根据压力情况，确定高峰调度方 案。 1 3 本文的研究意义与主要内容 1 3 1 本文的研究意义 由于i n t e r n e t 技术的迅猛发展，以太网技术已经被越来越广泛的应用到了工 业控制系统中。当一台设备具有网络接入功能时，人们可以在任何地方、任何时 间、任何地点、使用任何平台随时浏览设备实时的状态、并在远程实现对这台设 备的监视、控制、诊断、测试和配置使用s c a d a 对现场设备进行监控时，需要 通过专用通信线，不仅通信介质是专用的，而且通信协议、配套软件和硬件都要 专门设计。与之相比，若采用以太网技术，只要将嵌入式设备连接到以太网，并 在嵌入式系统处理器中加入w e b 技术，就能很方便的实现监控功能，因此利用这 一技术可以满足s c a d a 系统的煤气管网的调度监控中的不足，通过工业以太网来 对现场设备进行连接。如果需要对现场进行控制，只需要通过局域网内的p c 机打 开i e 测览器，输入相应设备的i p 地址，即可进入监控界面，将w e b 服务器内嵌 有a p p l e t 程序( 实现调度模型) 下载到本地执行，根据煤气的供需曲线来人为的 控制。远程系统只能实现现场监控，但是不可以进行控制。使用以太网和w e b 技 术还有如下意义： ( 1 ) 监控设备集网络服务器、信号转换、采样及t c p i p 通信功能于一体，结构 简单，体积微小，因而系统具有更加优良的性价比： ( 2 ) 由于采用t c p i p 等网络协议，传输数据多、速度快： ( 3 ) 不仅可以传递数据信息，还可以传递声音及图像信息； ( 4 ) 协议公开统一，监控信息可以使用任意一种w c b 浏览器读取。 这样就使煤气调度系统降低了应用成本，使煤气监控系统能够迅速的普及开 来，能够降低事故率，更智能、更方便的管理煤气调度系统。 3 1 3 2 本文的主要内容 本文在第一章中主要提出问题，并根据国内外现状的对比，从而引出本文将 要研究解决的问题，并概述的介绍了用以太网技术、w c b 技术来解决煤气调度系统 的意义。第二章中首先概要得介绍了煤气生产流程，再主要介绍根据不同的情况 来建立调度模型，并对具体情况进行了分析。这样就优化了调度系统，实现了调 度系统的自动化。第三章根据调度系统的现状与不足，提出两种不同的解决方案： w c b 嵌入式监控系统、w c b 服务器独立式监控系统，并利用w c b 嵌入式监控系统 在煤气调度系统中的应用做了详细的可行性分析。第四章主要对调度系统的w c b 嵌入式模块进行了硬件设计与实现。第五章主要是在设计地硬件基础之上，进行 了软件的设计，移植了操作系统，开发驱动程序，并实现w e b 服务器的移植于应 用。第六章根据现场采集数据进行分析，根据调度模型实现高峰调度与低谷调度， 进而通过j a v aa p p l e t 实现了在煤气调度中算法的编程，以及图形界面，通过界面 方便对调度系统进行监控与调度。第七章对所作的研究进行总结，并提出新的问 题。 4 2 煤气生产流程中调度系统的模型算法研究 2 1 煤气系统简介 城市燃气供应系统是城市基础设施重要组成部分。其主要输配方式有两种，一 种是管道输配方式；一种是瓶装输配方式。一般来说，天然气和人工煤气由管道 输送；液化石油气由瓶装输送。管道输配系统由接收站、输配管网、储罐站、调压 站及其附属设施组成。煤气从生产到最终达到用户的手中需要经过：煤气气源厂、 输气管网、储配站、各级调压站和煤气供应站点。煤气从气源厂出来，首先要对 其加臭、加压。然后进入输气管网，经过储配站，在经过各级调压站，最后供用 户使用在这个过程中，储配站主要负责管网压力的分配，调压站与监控中心主 要负责燃气压力的调节和温度控制，这是煤气调度系统的关键。维护管理中心负 责燃气管网的日常维护和及时的故障排除。图2 1 为煤气的生产流程框图。 2 1 1 煤气管网 图2 一l 煤气生产流程框图 晦2 - 1g s y i e m n o 我国城市燃气管道根据输气压力一般分为： 低压燃气管道：p 0 0 l m p a ； 中压b 燃气管道： 0 1 m p a p o 2 m p a ； 中压a 燃气管道：o 2 m p a p o 4 m p a ； 次高压b 燃气管道：o 4 m p a p o 8 m p a ； 次高压a 燃气管道：o 8 m p a p 1 6 m p a ； 高压b 燃气管道：1 6 m p a p 2 5 m p a ； 高压a 燃气管道： 2 5 m p a p 4 伽p a 。 中压b 和中压a 管道必须通过区域调压站、用户专用调压站才能给城市分配管网中的 低压和中压管道供气，或给工厂企业、大型公共建筑用户以及锅炉房供气。 5 一般由城市高压b 燃气管道构成大城市输配管网系统的外环网。高压b 燃气管道也是 给大城市供气的主动脉。高压燃气必须通过调压站才能送入中压管道、高压储气罐以及 工艺需要高压燃气的大型工厂企业。 高压a 输气管通常是贯穿省、地区或连接城市的长输管线，它有时构成了大型城市 输配管网系统的外环网。 城市燃气管网系统中各级压力的干管，特别是中压以上压力较高的管道，应连成研 网，初建时也可以是半环形或枝状管道，但应逐步构成环网。 城市、工厂区和居民点可由长距离输气管线供气，个别距离城市燃气管道较远的大 型用户，经论证确系经济合理和安全可靠时，可自设调压站与长输管线连接。除了一些 允许设专用调压器的、与长输管线相连接的管道检查站用气外，单个的居民用户不得与 长输管线连接。 高压燃气管道是城市的主要动脉，除用于长输管线外，还构成策和城市外环燃气输 配管网。高压煤气从高压环网通过调压进入次高压或中压管网，送进储配站以及需要较 高压力的大型工厂企业。中压和次高压燃气必须通过区域调压站调压、调压计量站才能 给城市管网中的低压和中压管道供气，或给工厂企业、大型公共建筑用户及锅炉房供气。 居民用户和小型公共建筑用户一般直接有低压管道供气 2 1 2 储配站 储配站的作用是接受气源来气并进行净化、加臭、贮存、控制供气压力、气 量分配、计量和气质检测。根据城市大小及用气规模，来安排储配的个数和位置。 一般城镇只设置一个储配站，此时将储配站设置在气源厂附近，称为集中设置。 当设置两个储配站时，一个设在气源厂，另一个设置在管网系统的末端，称为对 称设置。根据需要，城市燃气供应系统可能有几个储配站，除了一个储配站设在 气源厂附近外，其余均分散设置在城市其他合适的位置，称为分散设置。 2 1 3 煤气调压站及各种调压装置 调压站在城市燃气管网系统中是用来调节和稳定管网压力的设旌。通常是由 调压器、阀门、过滤器、安全装置、旁通管及测量仪表等组成。有的调压站还装 有计量设备，除了调压以外，还起计量作用，通常将这种调压站叫做调压计量站。 6 ( 1 ) 调压器 通常调压器分为直接作用式和间接作用式两种 ( 2 ) 阀门 调压站进口及出口处设置的阀门，主要是当调压器、过滤器检修或发生事 故时切断燃气。在调压站之外的进、出口管道上亦应设置切断阀门，此阀门 是常开的( 但要求它必须随时可以关断) ，并和调压站相隔一定的距离，以便 当调压站发生事故时，不必靠近调压站即可关闭阀门，避免事故蔓延和扩大。 ( 3 ) 过滤器 过滤器前后应设置压差计，根据测得的压力降可以判断过滤器的堵塞 情况。在正常工作情况下，燃气通过过滤器的压力损失不得超过1 0 k p a ，压力 损失过大时应拆下清洗 ( 4 ) 安全装置 当负荷为零而调压器阀口关闭不严，以及调压器中薄膜破裂或调节系统失 灵时，出口压力会突然增高，它会危及设备的正常工作，甚至会对公共安全造 成危害。防止出口压力过高的安全装置有安全阀、监视器装置和调压器并联 装置。 2 1 4 监控调度中心 监控调度中心主要负责煤气的生产调度和分配过程控制。在调度控制中心设 置网络连接端口，用来接入远程监控终端，完成采集数据的处理、显示、报警， 从而实现远程网络监控。此外应当保证输配系统不间断地、可靠的给用户供气， 在运行管理方面应是安全的，在维修检测方面应是简便的。还应考虑在检修或发 生故障时，可关断某些部分管段而不致影响全系统的工作。 2 2 调度模型的建立 2 2 1 基本调度模型 影响煤气调度的因素非常多，有管网工况、温度、气候等，在这些因素中，调度人 员主要根据燃气管网压力值来确定调度方案。因此本系统重点研究煤气压力分配对用户 满意度的影响。通过优化压力分配，在气源生产( 供应) 量确定、输配管网与设施的最大 极限输配量、用户用气需求量均已确定的前提下，最大限度地满足用户的用气需求，使 7 韭塞窑道盍堂亟堂焦论塞 堪氢生亡速捏主遢廑丕统凶搓型差迭班荭 用户的满意度最大。 圈2 - 2 煤气调度过程流程图 飚2 2g d i m u t 协sp l ：s l 、调度模型基本假设 ( 1 ) 煤气系统包括；气源厂、储配站、调压站、输配管道、监控与调度中心、维 护管理中心。但是在本系统中只研究煤气压力分配对用户满意度的影响，示意图只显示 和调度密切相关的因素，其他因素暂时不做分析。 ( 2 ) 假设燃气传输过程无漏损，且管道只在每个节点的第二条分支处延伸，实际情 况并非如此，但建模方法相同； ( 3 ) 气源生产( 供应) 量确定、输配管网与设施的最大极限输配量、用户用气需求 量均已确定； ( 4 ) 煤气管网无漏损。 ( 5 ) 一个煤气管网有居民生活用户，工厂生产企业用户和商业企业用户这三种用户 类型。在一个煤气管网里，煤气对用户的影响程度是不一样的，用户对煤气的急需程度 也不一样。因此，需要设立用户优先级，并赋予权值，优先级越高，权值越高。在总供 气量小于总用气需求量时，应该根据用户优先级分配煤气。煤气的管网不同，赋予不同 的用户优先级权值也不一样。用户类型优先级权值按这三种用户类型分。 8 图2 3 煤气管网示意图 f ig 2 3g a s td i s t r i b u t i 注：1 ，煤气站总供气量m 2 、每个节点都设置一个压力阀，序号为x 。用符号。 表示，控制燃气分配； 3 、设主干路供气比例为x 。，x ：，x ，。x ；： 4 、最后到达终端的供气量为x i j l ，x x 呐) c l j l ； 5 ，为储配站； 6 、箭头终端表示煤气用户。 2 、目标函数 燃气输配调度系统的目标是：在气源生产( 供应) 量确定、输配管网与设施的最 大极限输配量、用户用气需求量均已确定的前提下，最大限度地满足用户的用气 需求，使用户的满意度最大。 系统目标函数：用户总满意度s 最大 脚( s ) 一z q 詈c ( 2 1 ) 9 埘# 肘+ 魄+ 局：。) ( 2 2 ) 注：s 用户总满意度； 甜一用户权值。因为在一个煤气管网里，煤气对用户的影响程度是不一样 的，用户对煤气的急需程度也不一样。因此，设立用户优先级，并赋以权值， 优先级越高，权值越高。在总供气量小于总用气需求量时，应该根据用户优先 级分配煤气。煤气管网不同，赋予不同用户的优先级权值也不一样； 卅煤气站总供气量； m - 一一终端用户实际供气量，假设管道只在每个节点的第二条分支处延伸，( 实 际情况并非如此，计算思路相同) ； w 一通过历史数据得出的终端用户在某一时间段内的需气量。 c 为一常数，因为在供气量不足的情况下，o m w l ，满意度叠加后， 其值较小，乘以常数c ，将满意度值扩大c 倍，方便比较，计算。 由基本假设得出约束条件： 善石1 1 m ( 2 3 ) 三z 壮- 1 _ 0 0 ( 2 4 ) 角。 注：i 燃气管网主干路序号，x i 表示第i 条干路分到的煤气占总供气量的 比倒； j 燃气管网各主干路上压力阀序号，x ；，表示第i 条干路上的第j 个压 力阀； k 一各压力阀控制的终端用户序号，x 。表示第i 条干路上第j 个压力阀 控制的第k 个用户分到的煤气占通过该压力阀的煤气的比例。 2 2 2 正常供气模型 一天2 4 小时，煤气供应量不是均匀分布的。统计资料表明，我国煤气供应可 粗略的分为以下7 个时日j 段： 1 0 2 4 ：0 0 5 ：0 0 ，5 ：0 0 - 8 ：o o ， 8 ：o ( 卜一l l ：o o ，1 1 ；0 0 一1 4 ：0 0 ， 1 4 ：0 0 一1 7 ：0 0 ，1 7 ：0 0 - 2 2 ；o o ，2 2 ：0 0 - 2 4 ：0 0 。 通过前期煤气供应量的预测数据，可以知道未来一天内各时段煤气的总需求 量以及各用气点对煤气的需求量。将这些预测数据传到煤气调度系统，煤气调度 系统将本着使各时段煤气用户总满意度最大的原则，计算出分往各用气点的煤气 量，自动控制各压力阀的煤气分配，实现优化调度，同时显示出一段时间内需求 量曲线、供气量曲线和满意度蛆线。 调度人员直接监控人机界面，工作简单、轻松，优化分配过程在后台执行。 根据曲线显示，若出现用户满意度下降到警戒线以下，调度人员通过调度控制界 面，立即增大煤气分配量，具体增大多少由反馈系统反馈回来的信息和调度员经 验决定。 2 2 3 特殊情况供气模型 ( 1 ) 节假日供气模型 对于煤气生产和供应系统，节假日是一个非常重要的时期。为保证居民生活 用户的节日用气，需统筹安排好生产、供气及调峰等工作对煤气调度系统来说， 节假日既是一年中相对平时正常供气的特殊情况，又是煤气供气系统中每年必然 出现的一般情况。因此，在设计煤气调度系统时，必需考虑节假日供气模型。 节假日一般工业生产企业的用气量会下降，变化最大的是居民生活用户用气 量，里明显升高，商业企业用户用气量很有所升高。因此，做好节假日煤气的调 度工作非常重要。 当反馈信息系统反馈回来的信息显示煤气供气量不足，人机界面显示居民满 意度降低时，调度人员需要根据自己经验和系统反馈信息调整煤气供应值。调度 人员在人机界面输入的煤气供应值，当调度人员改动煤气供应值后，调度模块立 即执行输入值。 l l 图2 q 节假日供气模型流程图 f ig - 2 - 4s u p p l y - g a sf l wo nh o l i d a y ( 2 ) 临时故障模型 煤气管破裂或者漏气等现象一旦发生，煤气调度系统必须马上做出应急反 应，切断或减小该线路的煤气供应。煤气管网维修人员必须马上赶到现场进行抢 修，在最短的时间内使其恢复正常。同时，煤气调度系统还有监控煤气管网的功 能。 图2 5 临时故障模型供气流程图 f i g 2 5s u p p l y - g 罅p l o 懿o f 锄n p o m f yf a u nm o d e l 1 2 2 3 程序设计与编制 2 3 1 编程语言的介绍 由于本文是基于w c b 技术的调度系统设计，所以在实现调度的数学模型时， 必须考虑到整个系统的数据采集以及系统之间各个模块的交互。调度系统是用于 调度整个煤气调压站的，所以可采用j 棚a p p l e t ，通过编制a p p l c t 生成类，放入 到现场的w c b 服务器中，以达到现场数据与调度模块数据的交互。下面将对j a v a a p p l c t 作简短介绍。 j a v a 娜p l c t 是服务器端下载到浏览器端运行的一段小程序，通过嵌入到h 瑚l 页中，建立功能强大的动态直观界面，提高系统效率；同时j a v a 具有与操作平台 无关性使得a p p l e t 可以运行在任何拥有j a v a 虚拟机( 删) 的浏览器上，不需要 增加系统的负担。j 吖aa p p l e t 对于管理和处理动态数据也是一种行之有效的技术。 j a v aa p p l c t 通过轮询能实时更新信息，利用这个特性显示实时数据。所以程序客 户端采用j a a 卵l c t 设计实现。 用户编写程序只需要继承j 印m e t ，并覆写必要的函数，这些函数控制着w c b 页面上a p p l e t 的生成与执行。这几个基本的函数或方法包括：i n i 自o p a i n t o ，s t a r t o ， s t o p o 和d e s t r o y o ，j a v a 中的每个a p p l c t 都由其子类实现。用户自定义的a p p l e t 通 过改写a p p l e t 的几个主要成员方法完成程序的初始化、绘制和运行。本文在j n i t o 中实现数学模型的调度算法，p a i n t o 可以在调度人员端的浏览器中实现煤气供需的 趋势图。 2 3 2 程序设计与模块实现 煤气管网调度模块是整个程序的核心，采用“求约束条件下n 维极值的复形 调优法” 1 町又称复合形法，实现对煤气管网煤气的自动调度和优化分配。 “求约束条件下n 维极值的复形调优法”简介： 求约束条件下n 维极值的复形调优法是求解约束优化问题的一种重要的直接 解法。他的基本思路是在可行域内构造一个具有k 个顶点的初始复合形。对该复合 形各顶点的目标函数值进行比较，找到目标函数值最大的顶点( 称为最坏点) ， 然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点，并用此点代替最坏点， 构成新的复合形，复合形的形状每改变一次，就向最优点移动一步，直到逼近最 优点。 1 3 韭瘟銮重太堂亟堂僮迨塞搓氢生亡远程主遢廑丞续趋搓型簋造班塞 由于本设计建立的数学模型维数较多，且不是规则的函数模型，其他优化算 法不能很好的和这个模型契合，所以最后选择了对目标函数和约束函数的性状没 有特殊要求，适应性较强的复合形调优算法。 复合形调度优算法的算法流程图见2 6 所示。 圈2 6 复合形算法流程图 f i g 2 - 6c o m p o u n da r i t h m e t i c ，s 畔$ 1 4 假设煤气管网如图2 7 所示，共有1 2 个终端用户，2 1 个变量，为了方便计算和 比较，将用户满意度乘以1 0 ，扩大1 0 倍。假设共有7 个a 类用户，用户权值为1 0 ，3 个b 类用户，用户权值为8 ，2 个c 类用户，用户权值为7 。 a b a a b a 图2 - 7 煤气管网示意图 f i g 2 7g a s td i s t r i b u t i o n 根据以上假设，得出满意度公式为： m - ；嚣警篆群髫唆端用户分到的煤气鲇总气量的啪m ( 2 _ 5 ) 所以，本供气模型的满意度计算为： s = m 率1 0 o 木( 1 0 0 极 o 书x 3 向 0 + 8 o 奉x 1 木x 5 鲰 6 】a 1 + l o o 木x 1 幸x 5 极 7 x 8 w 2 + 7 o 木x 1 掌x 5 宰x 7 搬 9 加 3 + 8 0 极 2 搬 1 0 向 4 + 7 o 水x 2 木x 1 1 _ c x 1 3 霄 5 + 1 0 o 宰x 2 半x 1 1 拳x 1 2 幸x 1 5 - 6 + 1 0 0 _ 嗄 2 宰x n l 木x 1 2 木x 1 4 7 + l o o 串x 3 木x 1 6 ( 8 + 8 o 幸x 3 术x 1 7 宰x 1 9 w 9 + 1 0 0 木x 3 宰x 1 7 木x 1 8 幸x 2 0 w 1 0 + 1 0 o 丰x 3 _ c x 1 7 _ 噬 1 8 宰x 2 1 w 1 1 )( 2 6 ) 约束方程为( 2 7 ) 、( 2 8 ) ： x 0 + x 1 x 5 + x 6 x 9 + x x 1 3 + x x 1 7 + x + x 2 = 1 = 1 o = l 4 = l 8 = 1 ( 2 7 ) + x 4 + x 8 1 + x 5 + x 9 + x = 1 = 1 2 = 1 6 = 1 o = 1 ( 2 8 ) 这里，x i 表示压力阀分配到下一条支路的煤气比例。虽然约束设立了煤气 管网完全无漏损，但是在实际管网运行中，是做不到的；同时在编程中，由于x i 是程序产生的随机数经过一步步试算和修正得到的，会产生一定的误差，这是由 算法引起的无法避免的误差，我们只可能尽量减小误差，不可能消除误差。因此， 在程序里，约束条件表示为： x o + x 1 + x 2 = o 9 5 i lx 3 + x 4 ：o 9 9 l lx 5 + x 6 = o 9 9 i ix 7 + x 8 = o 9 9 i jx 9 + x 1 0 = o 9 9 _ x 1 1 + x 1 2 = o 9 9 ( 2 9 ) i j x 1 3 + x 1 4 ：o 9 9 l lx 1 5 + x 1 6 = o 9 9 i lx 1 7 + x 1 8 b j ，则令 x i i ) = a j + 6 或) i ( i ) = b j 一6 其中6 为很小的一个常数，一般取6 = 1 0 r 6 然后重复( 4 ) 。 如果x r 不满足函数约束条件，则用正式修改) 【t ： 1 7 x r = ( x f + ) ( t ) 2 ( 2 1 8 ) 重复( 4 ) 。 直到f f ( g ) 且x t 满足所有约束条件为止。此时令 x = ) ( t ，f = f ( ) 【t ) 重复( 2 ) ( 4 ) ，起到复形中各顶点距离小于预先给定的精度要求为止。 3 、w e b 浏览器 霄e b 浏览器主要负责人机交互。调度人员可以通过它监控的煤气调度过程，调 度系统也可以向调度人员展示计算结果和发展趋势。 3 煤气调度工业控制系统的总体设计 随着互连网技术的发展和以太网进入控制领域，基于服务器一浏览器工作模 式的w e b 技术已成为工业控制系统中的新宠。在一些新开发的p l c 、变频器等控制 设备中，除了增添以太网通信接口之外，还嵌入了w e b 服务器，是服务器一浏览器 成为工业数据交换方式之一。基于w e b 技术的远程监控系统是工业网技术的又一 重要领域。利用w e b 技术实现远程监控系统，根据系统中的w e b 服务器的实现方 式和所处的位置不同，主要分为嵌入式w e b 远程监控和b 服务器独立式远程监 控系统。 3 1w r e b 嵌入式远程监控系统 这里的w e b 嵌入式远程监控系统是指将以太网接口、t c p i p 通信协议组以及 冒e b 服务器等互联网协议嵌入到p l j c ，变频器、控制器等设备中形成的控制网络节 点。这些嵌入式控制节点向下可直接连接到控制器、开关、指示灯等输入、输出 器件；向上则可以连接到i n t e r n e t ，成为i n t e r n e t 的合法节点，并可借助w e b 服 务器与外界交换信息，当现场出现问题时，只需要通过以太网接口连接上p c 机即 可进行事故诊断。 图3 1 为w e b 嵌入式远程监控系统的示意图。图中的p l c 、执行器中嵌入了以 太网接口、t c p i p 协议栈以及w e b 服务器，它们具有自己的i p 地址，可以成为 i n t e r n e t 上的合法成员，远程的应用终端可以借助i e 等浏览器，跨越互联网，远 程监视控制设备的参数与状态。 图3 1 e b 嵌入式远程监控系统 f i 参3 1e m b e d d c dw 曲l o n g 强n g c 瑚n i t o f i n g 如d n 缸o u i n gs y 猷e m 嵌入式工控节点中可以设计b 服务器，由网络服务器提供交互式i n t e r n e t 服务，例如提供符合h t t p 协议的用户远程监控界面和信息交互。在w e b 嵌入式远 程监控中，将被监控的各底层状态定义成h t 札语言许可的网络变量，然后利用这 些网络变量生成网页，由网络服务器提供给远程用户，远程用户使用浏览器从服 务器上下载请求的页面，以观察设备的运行情况，用户也可以通过敢! | 览器来对底 层控制端进行变量的修改，完成现场任务的监控任务。 远程应用终端可以是p c 机，也可以是非计算机的客户端。前者可用i e 浏览 器等通用网络工具进行浏览；后者则需要使用某种特殊的测览器，比如客户端硬 件配置较低时使用的简单浏览器s p y g l a s sd e v i c em o s a i c ，它只要6 3 3 i ( b 的存储 空间，在牺牲部分功能的前提下还能进一步简化。 这种w 曲嵌入式远程监控系统的结构简单，对远程客户端的请求具有较高的 响应性能。每台设备都是i t 蝴l c t 上的网络服务器，每台设备都可以被单独监控。 因此不会形成信息交互的瓶颈，一般适用于散点等小信息量简单系统的远程监控。 远程监控系统应避免由于合法用户的误操作而导致的对现场设备或者生产过 程的破坏。在现场工作站上运行的应用程序，应对用户提交的控制指令进行判别， 对非法控制以及超出设备能力的指令实行屏蔽，不予执行，以避免非法操作对 于某些极为重要的控制功能，可让其受限于只有某几个特定i p 地址的远程用户才 能使用。 以太网进入工业控制领域，“c ”网可以延伸到现场底层网络，这已经成为不 可争议的事实。许多自动化产品都增添了与以太网连接的功能，出现了带以太网 接口的现场加卡，带有m o d b 岫四佃协议模块和w c b 服务器的p l c 、变频器 等，工业以太网已经成为控制网络中的重要成员。 3 2w 曲服务器独立式远程监控系统 在测量控制节点比较集中或信息交互量较大的远程监控应用场合，适于采用 w e b 服务器独立式远程监控系统。图3 2 为w e b 服务器独立式远程监控系统的示意 图。与3 一l 相比较，其特点是具有独立的w e b 服务器和数据库。需要远程监控的 控制数据在被采集后存放在w e b 服务器或者与w e b 服务器相连的数据库服务上， 由w e b 服务器利用c g i 、a s p 或j a v a 技术形成服务器与数据库之间的接口，访问 数据库中的数据，并生成带有这些数据信息的h t m l 文件。用户在远程运行i e 浏 览器等，借助远程监控系统对数据库进行访问，实现数据交互。 图3 2 - e b 服务器远程监控 拜昏3 2w b b s e r 睇rl o n g - 姗辞m 删t o r i n g 柚d nh j o l i i l 喀s y s 把m 通常采用以下几种方法建立种b 服务器与数据库服务器之间的接口： ( 1 ) 基于服务器应用程序的方法。典型的方式有c g i 、a s p ，p h p 等。 ( 2 ) 基于服务器描述脚本的方法。由开发者编写s q l 或者相近的数据库查询 脚本，并将其嵌入h t h l l 。 ( 3 ) 基于客户应用程序的j d b c 方法。客户端从w 曲下载一个嵌入网页中的 a p p l c t 小程序，由这个a p p l c t 小程序通过j d b c 接口访问w 曲数据库。这个方法 最大优点是平台无关性，但需要在w 曲服务器端安装专门j d b c 服务软件。 3 3w 曲技术在煤气调度中的设计与实现 3 3 1w e b 技术在煤气调度中的可行性分析 根据煤气调度系统的结构特点，在城市气源厂、储配站、区域调压站、调压 计量站上建立远程监控系统。嵌入式w 曲的功能主要是实现现场监控和数据通讯。 通过本地监控器( 内置w 曲服务器) 的a d 采集系统，对现场仪表的温度、压力、 流量、和一氧化碳浓度等参数进行监控采集，同时还要监测本站电源状态和通讯 情况。对于气源厂和储配站，监控参数还包括灌位信号和压缩机启停信号。现场 监控站编程采用了“逢变则报”通讯方式，即任何参数变化超过量程1 ，或者发 生越限等异常情况，都会立即触发通讯，向主站发出报警信号。 管理人员可以通过互联网通过m 浏览器访问远程监控界面，可以显现煤气输 配管网和监控站点，在相应位置显示主要运行参数。点击相应站，还可以进入该 站具体监控界面，界面中包括具体工艺流程及其监控、实时数据和历史趋势等。 所有监控界面中，设有公共监测区域，监测系统报警状态、通讯状态、电源状态， 并有直观的煤气输配管网压力棒图。对于越限等异常情况进行声光报警。该系统 设置为每天的早8 ：