SCADA系统MIS系统和GIS系统

第五章SCADA系统、GIS系统和MIS系统

5-1城市天然气SCADA系统

5—1一1SCADA系统概述

SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统，即数据采集与监视控制系

统，又称计算机四遥(遥测、遥控、遥信、遥调)技术。它是以计算机为基础的生产过程控制

与调度自动化系统。可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、

测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA系统自诞生之日起就与计算机技术

的发展紧密相关，SCADA技术建立在3C+S(ComputerCommunication、ControkSensor)

基础上。

1、计算机(Computer)技术

近些年来，计算机PC技术以每一年多更新一代的速度飞速发展。强大的硬件平台支持

着不断更新的视窗操作系统Windows软件和网络技术.为构建高功能的SCADA系统创造了

条件,众所周知在SCADA系统中PC机主要用做Master或称调度中心.近来国内外许多厂家

都推出了基于WindowsKforSCADA的组态软件.这些软件平台上可以完成与调度相关的数

据采集(提供了与多种PLC或其它智能设备通讯驱动程序Driver、动态数据交换DDE功能

及OLE技术等等)、数据处理、数据显示和数据记录等工作，具有良好的图形化人机界面。

PC机的网络功能为多级调度SCADA系统的建设和管理提供了很多意想不到的功能.

2、通讯(Communication)技术

远程数据要想传回调度中心必须通过相应的传输技术，因此通讯技术与设备的选择是构

建SCADA系统要考虑的重要方面，现在各种通信技术发展很快，公共通信技术在市场的发

展中逐步建立了可靠而廉价的平台，这为SCADA系统的迅速普及带来了有力条件

3、控制(Control)技术

控制设备为SCADA系统的Slave,或称下位机，远程终端RTU和现场测控智能装置，

也可以是专用的RTU、智能仪表和智能控制器以及PLC系统等统称下位控制单元.控制设备,

在每一个SCADA系统中都会有若干台，对SCADA系统的可靠性和价格影响最大.所有现场

数据采集、设备控制都是依靠这些设备。

4、传感(Sensor)技术

传感器可分为智能和非智能型两类。非智能型完成电量的标准化信号转换和非电量的理

化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器的工作之外,还具

有上、下限报警设置，数据显示，简单数字逻辑控制，PID调节等功能。

SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工、天然气

等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域.一般来说，遥测系统应达到以下几

方面要求：技术设备先进，数据准确可靠，系统运行稳定，扩充扩容便利，系统造价合理，使

用维护方便.

国外先进国家在燃气管网管理指挥调度中，早已成功地采用计算机测控技术和数据通信

技术。近年来国内各人中城市燃气公司也纷纷上马燃气管网遥测调度指挥系统，城市燃气管

网遥测系统正在不断普及,它的使用能够更加合理调度，保证安全供气，节约能源与资金，

加快紧急事件反应时间，减少不应有的损失，同时通过更加合理的调度节约大量的人力和物

力，提高经济效益和管理水平，与国际先进水平接轨。目前国内也有多家燃气公司采用计算

机技术进行燃气参数检测，对燃气进行科学调度与管理起到了重要作用。但由于有的系统采

用自行研制的小系统，设计起点低，从最底层的数据采集单元开始就存在可靠性差、精度低、

寿命短、维护工作量大的缺点，难以满足燃气调度系统不间断运行的严格要求。目前SCADA

系统在技术上日趋成熟，特别是国外著名公司的成套SCADA系统性能及可靠性越来越高,

价格也为国内要求较高的燃气公司所承受。

随着国家西气东输工程建设、城市环境保护政策的出台、城市建设的不断发展，天然气

输配管网也在不断地扩展，供气量在急刷地增加。天然气输配管网及设施是燃气公司的基本

生产设施，其运行工况将直接关系到公司的生产效率和效益，直接关系到燃气公司向广大天

然气用户提供服务质量的好坏，不仅如此,天然气输配管网及设施的安全运行也是公司极为

关注的问题,它是公司的生命线，是工作的重中之重,安全运行关系到社会公众的生命财产。

目前，许多燃气公司生产调度部门以及有关部门获得管网运行工况的手段仍停留在电话询

问、手抄、眼看的水平上，而且仅限于几个有人职守的站区内，对于整个市区管网、长输管

线的运行工况，调度人员根本无法实时地了解，这就直接影响了调度人员合理平衡地调度，

也就难以保证整个城市的输配系统运行在安全、可靠、平衡和经济高效的状态下。解决这一

严重问题的根本措施是尽快建设一套计算机SCADA系统。为保证天然气输配管网安全、均

衡、高效地运行，必须依靠高科技手段，建设城市天然气输配管网数据采集与监控系统.

5—1—2SCADA系统原理

5-1-2—1SCADA系统的基本原理

SCADA系统是集远程终端装置RTU/PLC站控系统、调度控制中心主计算机系统和数传

通信系统三大部分于一体的监视控制和数据采集系统.（图5—1）。

城市天然气系统的站场主要包括:城市门站、储配站、调压站、阀室、阴极保护站、监测

点、CNG加气站等，这些站均由调度中心通过站控系统实施监控,故站控系统是SCADA系

统运行的基础。站控系统监控的对象包括工艺运行参数（如温度、压力、流量等）、火警及

气体漏失，输气气质指标（热值、％0、含量）设备运行状态等.

站控系统由RTU/PLC进行站场的监视和控制，并将站场、管线的关键运行参数以

SCADA系统特有的数据规程，通过微波、光纤等通信数传通道送至调度控制中心一主站,

并接受主站的操作指令，完成关键设备的远控。

调度控制中心主计算机系统即主站计算机通过数传通信通道，连续不断地采集RTU的数

据，根据RTU的设置数量，主站计算机对各RTU以一定的扫描周期巡回采集数据。一旦出

现警报信息，主站计算机系统将优先接收事故信息并向操作人员显示和报警。主站计算机的

5-1SCADA系统示意图

1、2、4-终端3-网络服务器5-数据库服务器6-SCADA系统服务器

7—设备管理服务器8.冗余MRTU9一无线电发射塔10—无线集群通讯系统11一远程RTU

表5—1SCADA系统的管理级层

级层位置功能设备管理人员

输配系统站场压力测量温度测量在线分析流压力变送器温度变送

1运行操作人员

（仪表）量计量调节值制器分析仪调节阀

输配系统站场检测监视控制数据处理控制

2RTU/PLC运行操作人员

（站控系统）设定报表

监视控制统计计算诊断报告部门经理

3调度中心指令下达设定控制点报告优化工作站计算机主站工程师

决策输配调度高层管理人员

控制信号通过通信设备传送到远程的RTU/PLC,开关阀门或者完成其它遥控操作.

在管理层级的第一级层，仪器仪表安装在站场分离器、管线、压缩机、等位置，用以显示、

监控实际的运行状态。操作人员可方便地随时监视运行状态。系统能根据预先设定的条件，

提供逻辑控制和触发自动执行功能，从而达到安全操作和保护运行设备的目的。级层控制的

第一层和第二层设在输配系统站场.调度中心是最高级层的管理机构，对输配管网及站场实施

监控。把握关键的运行参数及状态,下达控制指令及给定设定值，对输配系统进行分析和决策。

5—1—2—2建设SCADA系统的意义

建设SCADA系统的意义在于：

1。实时掌握管网运行数据，进行科学分析处理，提供优化决策，合理调配利用资源，

满足用户要求。

2。采用SCADA系统可以有效地对天然气管网和关键站场进行监视、控制，保证安全

平稳供气，从而可避免灾难性的事故发生，提高管网系统整体运行的可靠性.

3。生产过程的实时监控与信息系统的结合，可实现现代化快速统计分析，保证信息反馈

及时、准确，为指导生产和管理提供决策依据.

4.由于具有实时可靠的数据采集和远程控制能力，可以实施新的运行管理机制，做到减

员增效.

5o采用SCADA系统，可及时处理操作报警和实施阀门的紧急截断，减少天然气的漏失

和避免环境污染。

5-1-3仪器仪表

RTU/PLC站控系统是SCADA系统运行的基础,站控系统的可靠性十分重要。SCADA

系统的设计考虑了系统某一环节出现故障时，站控系统仍能可靠运行.实施站控系统监控的

基础设备是各种仪器仪表，其种类繁多。与RTU/PLC配套的仪器仪表应具有输出测量信

号的功能，一般选择原则如下：

（1）输出信号应是标准信号，如4〜20mADC,1~5VDC标准信号；

（2）防爆型电动仪表；

（3）系统内各站仪表力求选型统一，以便于维护°

5-1-3-1压力、差压测量仪表

1.压力测量仪表

城市天然气输配系统中，天然气分离、调压、计量等环节中的压力、输配气压力、清管

压力、输气干线甚至用户用气压力等压力参数，均是SCADA系统监控对象。

常用的压力测量仪表有指示式压力表和带远传变送器的远传式压力测量仪表（俗称压力

变送器）。指示式压力表仅用于就地显示,要将信号送入RTU则需使用压力变送器。压力变

送器的工作原理有电容式、扩散硅式、振弦式、电感式等多种形式，其测量精度为0。2%~

0o5%.

常用的压力变送器为防爆型的二线制电动压力变送器，测量出代表实际压力值的4〜

20mADC或1〜5VDC信号，在站控系统RTU上处理并显示和传送至主站。

微处理器引入模拟式变送器后构成的智能变送器，具有更好的性能，调校和组态极为方

便，并具有环境温度和静压补偿以及自诊断和双向通信功能.

图5-2为智能用力变送器的内部结构框图和应用原理图.当智能通信器未接入智能变

送器测量回路且采用模拟信号测量时，测量回路的外特性与模拟变送器相同。当智能通信器

在任何位置跨接在信号线路上时，可对变送器进行测试和组态。

2.差压测量仪表

差压测量采用差压变送器，测出某一装置或设备的前后压差。最常用的例子是以标准孔

板节流装置测量压差来测量天然气流量，分离过滤器过滤段的压差监测等，差压测量原理与

压力测量相类似.

图5-2智能压力变送器的内部结构框图和应用

天然气流量测量常用的方式有差压式测量、容积式测量和速度式测量，有关流量测量仪

表已在前面章节作了较详细的介绍.

5-1-3-2温度测量仪表

反映天然气输送中，加压、加热或节流时的温度变化参数都是

SCADA系统监视对象。

用于就地指示的温度测量仪表有水银温度计、双金属温度计

等;用于远传式温度测量仪表则有热电偶、热电阻、辐射式高温计

等。热电偶主要用于较高温度的测量。集输系统中，天然气温度较

低,且变化幅度不大(一般在一20〜+70C),其温度测量常采用

柏热电阻。粕热电阻具有测量精度高、稳定性好、反应灵敏等优点。

图5—3为热电阻温度计应用框图。图中热电阻置于被测点，

温度变送器通常安装在仪表室中，现场与仪表室之间用三条导线

连接。以降低引线对测量的影响。为简化系统安装与设计，也可采

用一体化温度变送器，如图中虚线框内所示.

图5-3温度远传调节框图

5—1—3—3分析仪表

在天然气的集输站场中使用的分析仪表有实验室用和在线使用两大类。与RTU/PLC

配套的站场分析仪表通常为在线式，其选择和使用应考虑以下几方面的因素：

(0在线性：

(2)精度、重复性、响应时间、分析周期；

(3)检定和校验要求；

(4)测量范围；

(5)维护和维修；

(6)载气消耗；

(7)对测量环境的适应性；

(8)防爆与防护等级；

（9）与站控系统、RTU/PLC的数据通信接口。

在线分析仪表种类繁多，原理较复杂，不在此对各种分析仪表的工作原理作介绍，仅列

举集输中目前常用的几种分析仪表。

1.水含量分析仪

在线水含量分析仪在天然气集输系统中较为常用。天然气的水露点与其水含量和压力有

关，测出天然气中的水含量和压力即可计算得到水露点值。镜面式的露点测定仪由于其结构

较复杂，一般很少使用。

常用分析仪有晶体振荡式水含量分析仪、电解式水含量分析仪和阻容式水含量分析仪。

2.密度计

用于测量天然气密度，常用的有振动式密度计和粘滞式（冲量式）气体相对密度计。

3.硫化氢分析仪

用于测量天然气中硫化氢含量，常用的有分光光度计H2s分析仪和醋酸法H2s分析仪。

4.热值分析仪

常用于分析天然气的热值.

5—1—3—4可燃气体检测仪表

可燃气体检测仪表用于测量集输站场空气中天然气的含量,属安全监测类仪表。在密闭

或通风不好、可能有天然气泄漏和聚积的场所应设置可燃气体检测仪。当空气中天然气浓度

达到设定的浓度点时，发出声光报警，同时在站控RTU上报警显示。常用的可燃气体检测

仪如KIB-1型检测报警器、510型可燃性气体检测系统，它们利用热导式载体催化元件作检

测器。当接触可燃气体时产生无焰燃烧，元件温度上升导致电阻发生变化，通过惠斯登电桥

检测并放大输出成电流信号。报警设定点应按被检测对象最低爆炸下限值以下设定.天然气以

甲烷为主要成分，大气中的甲烷爆炸极限范围为5%〜15%.通常取爆炸极限的下限为仪表

的全量程，将报警点设在全量程的20%左右。

5—1—4SCADA系统的组成

SCADA系统主要由站控系统、调度控制中心主计算机系统和数据传输通信系统三大部

分组成.

5-1-4-1站控系统及远程终端装置

1.站控系统

站控系统CSCS）是天然气集输站场的捽制系统，也是SCADA系统网络中最基本的控

制系统。该系统主要由远程终端装置RTU/PLC、站控计算机、通信设施及相应的外部设

备组成。

站控系统通过RTU/PLC从现场测量仪表采集所有参数，并对现场设备进行监视和控

制，据需要将采集的数据经过RTU/PLC处理、传送至站控计算机，并经通信通道传送至

调度控制中心的主计算机系统，同时接受来自调度控制中心的远程控制指令对站场进行控

制。

图5—4大型站站控系统框图

站控系统具有独立运行的能力，当SCADA系统某一环节出现故障或站控系统与调度控

制中心的通信中断时，不影响其数据采集和控制功能。

站控系统的硬件配置和应用程序的设置根据站控的重要程度、规模和功能不同而异。

被控站可分为两类：第一类是大中型站，如城市门站、储配站、调压站等，为有人操作

的站场；第二类是小型站，如阀室、监测点、阴极保护站等，通常为无人操作的站场。典型的

大中型站场的站控系统框图见图5—4。

图5-4为一典型的大型站场的站控系统,系统中RTU/PLC的CPU模块、通信模块、电

源模块等采用冗余配置，通过通信服务器与作为站控计算机的工业微机组成的局域网（LNA）

相连。工业微机（2台）通过LAN组成冗余配置。通信服务器通过通信站与调度控制中心进

行数据通信。

站控计算机的作用是为站控系统提供灵活、友好的人机界面（MMI）,站控计算机的主

要功能是：

（1）对站控所属的工艺设备运行参数和相关数据进行集中显示、记录和报警；

（2）显示运行状态、动态趋势、历史趋势、工艺模拟流程图；

（3）显示天然气瞬时和累计流量、打印制表；

（4）打印报警信息、事件信息；

（5）调整站场的操作，切换站场流程，遥控站场的紧急截断阀；

（6）RTU/PLC的编程组态和控制回路设定点等的数据修改。

对于小型站场，由于无人操作，通常仅设置带液晶显示板的小型RTU/PLC,不必设置

站控计算机。必要时，由巡回检查人员使用便携式微机通过接口对RTU/PLC进行编程组

态和数据的修改。

2.远程终端装置

远程终端装置（RTU）是一个提供数据（模拟量和数字量）采集，数据处理、计算和远

程控制能力的电子装置.

随着电子技术的发展,RTU逐渐向智能化发展，己具有很强的数据处理能力和使用方便、

灵活的特点，具体表现在：

（1）RTU与PLC一体化，也即智能化RTU,功能大大扩展，可完成包括数据采集、运

算、处理、逻辑、PID调节控制、编程组态、系统自诊断等功能；

（2）硬件和软件均为模块化设计，系统易于集成、扩展，适用于不同规模系统的监控,

且维修十分方便；

（3）采用多种通信接口，并可支持不同工业通信协议的转换；

（4）RTU的功能可以通过编程组态而改变；

（5）关键部件采用冗余技术，提高了系统的可靠性；

（6）采用自诊断技术，实时监视内部数据处理模块的工作

当上位计算机（站控计算机和调度控制中心主计算机系统）有通信或设备故障时，RTU

/PLC能独立完成数据的采集和控制，不会造成现场工艺过程的失控.当与上位计算机恢复

联系后，RTU/PLC能将中断期间的数据按照时间标志传送至上位计算机，以保证整个

SCADA系统的数据完整性.

RTU/PLC的通信方式一般以连续扫描为基础，采用电话线路、微波通信、卫星通信、

光导纤维或其它通信方式，与调度控制中心的主计算机进行通信，传输数据和接收控制中心

的控制指令。每一个SCADA系统制造商采用的数据传输协议、信息结构和检错技术都有其

独特性，故存在着接口及协议转换问题。此外，各厂家的RTU硬件配置也不尽相同。

DRTU的硬件配置

RTU模块化硬件的典型配置有：模拟输入、模拟输出、数字输出、数据处理（包括固

件）、通信接口、电源、维护试验等模块.典型天然气站场RTU硬件配置见图5—5。

⑴模拟输入。

模拟输入模块包括：模/数（即模拟/数字，或以A/D表示）转换器、模拟多路转接、模/

数转换器校准、模/数转换中断系统等几部分.

模/数转换就是将现场压力、压差和温度的4~20mADC或1~5VDC标准信号转换成二

进制数字信号。模/数转换器的精度有8位、16位或更高。现场信号与模/数转换器连接线常

采用隔离放大器隔离或采用光耦隔离.

模拟多路转接器是RTU程序捽制的系列装置之一.它将模/数转换器得到的二进制数

字信号传递到CPU去处理，并传递到存储器去存储.

模/数转换器的校准电路，就是把一个精确的基准电压信号反馈到永久性的模拟通道

中，对偏移误差和增益误差中的温度漂移进行自校准。

模/数转换中断系统,RTU的CPU寻址到各个模拟输入信道时，该信道的开关闭合，模

拟信号接通到模/数转换器，开始模/数转换，模/数转换完毕后，模/数板将设置一个标

记，作为CPU的一个中断，用以查询该模拟信号转换后存放在寄存器中的数字.当主站扫描这

些中断时，数字化的模拟数据就通过通信接口板从RTU存储器中向主站传送.

（2）模拟输出。

图5—5RTU硬件模块化配置

模拟输出模块与模拟输入模块相似，只不过它是将RTU的数字信号转换成模拟信号，

常称D/A转换。RTU输出转换后的模拟4〜20mADC或1〜5VIX;标准信号用以控制调节

阀阀位，实现对管道设备的控制。

数/模转换与模/数转换一样，在电路设计时需考虑光电隔离和温度漂移校正。

（3）数字输入。

①状态/报警数字输入。

状态和报警输入是指现场的阀门或机泵开关状态信号和仪表的越限报警信号，一般为接

点闭合信号.状态信号的通断可显示现场阀门从开到关的动作，或机泵的启停动作。

RTU必须识别数字输入报警信号，因一些现场关键设备的报警会引起系统的停运。如压

气机站出口压力高限报警，显示了压气机出口压力超过了管材允许操作压力，将触发压力开

关动作，使压气机站停车。由于压气机站停车和阀门关闭会产生其他的报警，因此，必须识别

出第一个发出报警的装置为出口压力开关。RTU具有识别停车真正原因的逻辑控制。

RTU状态板通常设计成每块板能容纳8个、16个或32个输入点，可以增加状态板数量

来满足状态输入。每个RTU的状态/报警输入点最多可达256个.

状态和报警输入接点有常开型和常闭型两种，一般采用常闭型接点.这种接点的安全性

好，因状态输入电路上有电流流动，如电路发生故障则会发生报警.这种类型的接点如接点闭

合，表示状态正常;如断开，则表明存在报警状态。常开型接点的工作原理与常闭型接点相反.

②积分数字输入。

来自现场流量计的流量信号的脉冲，输入至RTU,用以计算天然气的瞬时流量和累计流

量。脉冲校正系数，压力、温度及仪表系数的计算，由RTU软件来完成。

脉冲输入信号输人到RTU时不需要外部电源，它是由RTU的隔离电源提供。输入信号

采用屏蔽电缆，以免干扰信号进入，造成计量误差。输入信号采用光耦二极管与脉冲积分器相

连。

（4）数字输出一一控制。

数字输出是指从RTU输出到阀门、泵、压缩机等现场设备的开关数字信号。站控系统

的操作员在站控计算机上通过选定的控制点发出一个控制动作，使一个数字信息被传送到

RTU,经RTU解码，向选定的设备发出控制信号。控制点的控制动作传送到RTU后，RTU

将对被选点作出验证响应，站控系统再校验所选点,因此，提高了数据传输的安全性，

（5）数据处理一•中央处理单元（CPU）。

中央处理单元（CPU）是控制RTU所有功能的核心,CPU控制输入獭出数据存储器和

CPU存储器存储单元之间的所有输入检出数字和模拟数据的传输，并控制通信接口中断系

统，把RTU数据传送到主站。

RTU是由CPU、RAM和ROM存储器、输入腌出模块、电源等组成的一个微机系统。

RTU内的数据处理功能,不论这些功能是算术运算还是逻辑运算，均按RTU软件（程序）确

定的顺序来执行。软件指令存储在ROM存储器模块中，程序功能由实时时钟控制，CPU负

责计算机指令的解码和执行。存储器存储单元和数据传输的所有地址，均要进行奇偶校验，

以确保数据在存储器总线上安全传输。

CPU通过输入/输出总线与输入/输出设备通信。输入獭出总线有地址总线、控制总线

和数据总线三类。CPU连续地执行计算任务，包括应用程序任务、数据采集任务和数据传

输任务。CPU通过识别各种输入腌出设备的中断优先等级，按等级高低顺序执行各项任务.

如主站数据传输，其通信接口比其他输入检出接口优先等级高，CPU将优先执行。

（6）通信接口。

RTU有一块或多块通信接口板，用来处理串行数据传输，以异步方式接收和发送数据。

通信接口板可为数个通信端口提供服务，如提供与视频显示设备（VDU）、打印机、流量计

算机等的串行数据通信.

（7）供电电源。

RTU电源可根据用户的实际情况确定为:115VAC,60Hz；220VAe,50Hz;或12、24、

48VDCo如果安装了不中断供电系统（UPS）以使RTU在交流电源发生故障时能持续工作，则

需要提供备用设施如电池组等。

为了保护所有输入和输出信号隔离的安全性，以防雷击感应，应提供一个单独的隔离电

源，对接到RTU上的所有现场仪表及供电和通信线路提供防雷击隔离保护。

（8）SCADA系统测试设备.

SCADA系统测试设备是一个微处理机的通信模拟器，用来在现场测试RTU和主站。

测试设备具有监视和（或）控制功能，可模拟系统通信。其基本功能为：

①测试设备能生成从主站发送到RTU的任何标准数据传输信息，并能数字显示从RTU

接收到的响应结果；

②测试设备通过程序来接收主站向RTU寻址的信息，并能用可编程序的应答来响应；

③测试设备能以联机方式监视来往于主站和RTU之间的通信信息。这种联机监视方式

可在RTU完成，也可在主站位置完成。

为安全起见，SCADA系统测试设备一般不具备编程传送控制信息的功能，这样可避免

由于维护人员的疏忽而导致阀门或压气机的误操作.

2）RTU应用程序

RTU的系统功能取决于RTU所采用的应用程序。目前，RTU所配置的基本应用程序包

括：天然气流量计算，压缩机组喘振控制、PID（比例一积分一微分）回路控制、站场逻辑

监视控制、流量计标定等。

随着RTU的功能扩展，现已有将部分在主站运行的程序使用在RTU上，如管道检漏、

生产管理、管道运行模拟等应用程序。

5-1-4-2数据传输

SCADA系统的可靠性和可用性取决于从主站到RTU以及从RTU返回主站的数据传输

情况。为使主站和RTU之间智能地、准确地传送数据，必须借助某种形式的通信媒体进行通

信，为此，每种SCADA系统必须制定一种数据传输规程。

城市天然气输配工程SCADA系统主要采用以下几种通信媒体进行数据传输：有线、微

波、卫星、同轴电缆、光纤及其他无线通信方式等。近距离SCADA系统可采用有线、光纤

和同轴电缆传送数据；远距离SCADA系统则需采用微波、卫星等通信媒体进行数据传输。

数据传输通信媒体的选择应根据城市天然气输配工程系统的规模，所经地区的地形地

貌，管道站场的种类、数量、间距、环境状况和外电的可靠程度，远控阀室位置和分布密度,

邮电公网和因特网在该地区的发展程度等综合考虑。目前，使用较多的是租用长途公网、数

字微波、光缆通信和VSAT卫星通信等，其技术、经济比较如表5—2所示。

表5-2几种通信方式的技术经济比较

VSAT卫星地球站通信数字微波通信光纤通信

内容

通信质量172路几十路至上千路几十路至上万路

实用中继距离任意位置50km65-70km

传输质量好好好

系统误码率W10；ww

可靠性高高高

保密性可加密可加密可加密

抗干扰好（C波段需协调）较好（需协调频率）好

中继站无人值守可可

上下话路方便不太方便较方便

通信自动寻检功能有有有

单站耗电较小较小较小

扩容可能性方便方便方便

与输气站场结合方便差较方便

施工难易度简便迅速山区立铁塔较难受地形因素影响

维护工作量较小较小无人站不方便光缆维护工作量较大

单站价格较低较高较低

备注主要费用较高铁塔费用较高光缆费用较高

SCADA系统传输的数字数据（如16位格式的数据）必须以“1”和“0”同样的J顺序来

接收，否则远程终端装置应答将会有误。因此，所有传输的数据必须加以有效处理，并采用检

错技术，以防任何位或位组的丢失。

数字数据信号在通信信道上传输时，必须转换成一个音频信号，该音频信号与人类语言相

似.这种将数字信号转换成音频信号的技术称为调制，常用的几种调制方式有：调幅、调频和

调相。调制器和解调器组件称为调制解调器（MODEM）,它是由调制器和解调器两个英文单

词缩写而成的一个术语。

远程终端装置把工艺数据信号转换成数字信号，这些数字信号可用纯二进制，二送制编

码的十进制（BCD码）、ASCH码等数据格式传输到主站,尽管每个SCADA系统的供应商对

提供的数据传输和数据规程都具有其独特性，但这些格式都是在16、24或32位数字字信息

的基础上编制的。图5・6为一个16位字帧的格式，包括数据位、检错位（奇偶位）和同步位。

图5—6数字的字格式

主站与远程终端装置之间的数据传输通信系统如图5-7所示。RTU输出的数字信号经

调制解调器转换成音频信号，然后由信号传输器发送,经过通信媒体将数据传输至调度控制中

心（主站）的信号接收器，经调制解调器转换成数字信号后进入主站计算机系统。主站计算

机系统的数字信号以同样的方式传输至RTU.

图5・7主站与RTU之间的通信

鉴于主站和RTU之间的地址信息和应答信息交换顺序的特点，SCADA系统属半双工

系统，因此用双线通信线路如电话线就能满足要求。尽管SCADA系统信息交换顺序只是半

双工方式，但其无线电通信一般采用全双工方式，即采用单独的发送和接收信道.

简单地说，卫星通信是地球上的无线电通信站之间利用人造卫星作中继站而进行的通信.

它是在地面微波通信和空间技术的基础上发展起来的,是现代通信技术的重要成果.近二十多

年来，它在国际通信、国内通信、国防通信、移动通信以及广播电视等领域得到了广泛的应

用。卫星通信之所以成为强有力的现代通信手段之一，是因为它具有频带宽、容量大、适用于

多种业务、覆盖能力强、性能稳定可靠、不受地理条件限制、机动灵活、成本与通信距离无

关等特点。

卫星通信技术应用于气田与输气管道SCADA系统数据传输始于80年代。图5・8表示了

SCADA系统中使用的甚小口径终端（VSAT）的卫星通信原理和同步卫星通信系统.

VSAT卫星通信系统，通常采用时分技术传输数据.其基本特征是：把卫星转发器的工作

时间分割成周期性的互不重叠的时隙（每个时隙也称为分帧，一个周期则称为一帧），分配给

各站使用。时分技术传输数据，应保证卫星与地面主控站的时钟同步，这样才能保证数据的完

整。

VSAT卫星通信系统本一个远程地面站来说相当简单，对于Ku波段一般它需要一个小

型的（1。3〜2。4m）户外天线和发射机、互连电缆、连接器、室外接收机单元（用于双向通

信）和标准RS232CRTU等.

占a苫皿苫

岗控中心城市门站能配站主网压站

图5-8输气管道卫星通信系统，VSAT应用

同步卫星通信频率为超高频段（12〜14GHz）,称为Ku波段，商用电视网络和数据传输微

波频率范围（4〜6GHz）称为C波段。Ku波段专供卫星传输之用。由于地面到同步卫星的

距离约为35400km,其间的传播时间约为250FQ,该传播时间可与约为30〜40Ps的直接视

距微波线路相媲美.

5-1—4—3调度控制中心

SCADA系统的调度控制中心称为主站。主站担负着城市天然气输配系统生产数据的采

集、整理、存储、分析、调度和远程控制关键设施如关键阀门、压缩机的启/停等.主站的计

算机系统、通信设备及其网络系统，根据SCADA系统规模大小，可以设置为总调度控制中心

或区域调度控制中心。小型的SCADA系统通常只设一个调度控制中心,其管理级层相对较为

简单.

L总调度控制中心系统功能

(1)监视主要运行参数；

(2)统一指挥，协调各区域集输系统，确保安全平稳供气；

(3)合理解决供需矛盾，及时调配，提高供气质量；

(4)提高输配系统效益，为优化决策服务；

(5)与有关上级部门进行数据交换。

2.区域调度控制中心功能

(1)接受总调度中心的调度命令，查询要求，并返回执行情况和查询结果；

(2)向总调度中心传送实时数据和历史数据；

(3)采集实时数据，建立本区域中心的历史和实时数据库；

(4)向被控站场发送遥调、遥控指令；

(5)管网系统动态模拟显示，站场流程显示，趋势图显示；

(6)报警及事件显示、打印、处理；

(7)生产、销售及营运统计报表处理等。

3.主站系统功能

主站系统按调度控制中心的具体功能要求，进行系统的硬件和软件配置.主站系统的基

本功能可包括：

(1)监视和采集远程站RTU的运行数据；

(2)统计、分析、存储各种运行参数；

(3)打印报警/事故信息，提供生产报表；

(4)发送遥控指令，启/停压缩机和开/关站场和管道上的关键阀门；

(5)对管道系统的输配量进行调度，提高供气质量；

(6)模拟管道系统运行，优化管理，为管道系统运营决策提供依据；

(7)管道漏失的定位及监测；

(8)SCADA系统参数、状态、趋势、系统和站场流程的模拟显示；

(9)系统操作、维护的培训；

(10)系统组态、扩展。

4.主站的局域网络系统

为实现主站的系统功能，主站一般采用网络计算机为核心的冗余配置的网络结构。网络

结构的设计应符合国际标准化组织(ISO)提出的开放型结构，具有标准、灵活、支持网络

的软硬件设备、易于扩展、安全可靠等特点。

主站网络一般是由工作站组网、采用TCP/IP通信林议的冗余结构的以太网，并具有与

上位计算机系统或其他计算机网络的联网接口.

主站系统合理的硬件配置和网络结构以及完善的网络管理软件，使主站在实现监控和数

据采集的功能外，还能有效地实现以下功能：

(1)资源共享。网络中所有用户可以根据权限共享全部或部分资源，实现软件与信息共

享。

(2)提供高可靠性的热备份。

(3)网络上的服务器和用户计算机可以相互分担负荷。

5.主站硬件

主站硬件根据应用要求配置，为提高主站系统的运行可靠性，关健的系统硬件设备应冗

余配置。

一般主站的硬件配置如图5—9所示。包括SCADA主站系统冗余主计算机两台，作为服

务器；冗余的操作员计算机两台;模拟/培训计算机一台；工程师计算机一台（可以在线运行,

也可以离线运行）；打印服务器及必要的彩色打印机、激光打印机和24针打印机；网络设备;

通信设备,以及地面与卫星的时钟同步监控设备等。此外,还可根据用户要求配置前投影系统

和后投影系统。

主站计算机系统在设计选型时应考虑到功能要求和计算机的发展，尽可能选用同一类型

机种，以便维护和必要时的互为备用。

前投影系统主要为参观访问者服务，为参观者提供在线的影视介绍。后投影系统一般设

在主站的主控室，模拟显示集输系统的动态和静态状况。

6.主站软件

主站软件有三种类型：计算机操作系统软件、SCADA系统软件和系统应用软件。

图5-9调度控制中心（主站）框图

1）计算机操作系统软件

计算机操作系统软件是由计算机制造厂家或专门的计算机操作系统软件开发公司（如美

国的微软公司）以标准软件包的形式为计算机硬件配置的，它是由汇编程序、编译程序、编辑

程序、诊断及管理程序等组合而成.通常，计算机操作系统软件和计算机硬件系统一起购置,

按计算机制造厂家提供的资料进行选择和拟定技术条件.在很多情况下,SCADA系统的买主

没有选择计算机软硬件制造厂家的余地，因为许多SCADA系统供应商提供的系统中已经使

用了某个计算机制造厂家的标准化硬件产品和软件产品。

2）SCADA系统软件

SCADA系统软件是SCADA系统供应商所开发的系统软件，运行于计算机操作系统中,

用来执行数据采集/控制和人机接口任务。这些程序以计算机操作系统标准化的命令和指令

为基础，在计算机操作系统建立的环境中有效运行SCADA系统软件的主要功能有：

(1)监控主要运行参数及状态；

(2)发送遥测、遥控、遥调命令；

(3)参数、状态、趋势、流程的模拟显示；

(4)事件、报警和报告报表的打印；

(5)数据分析处理(包括数据有效性分析)；

(6)系统组态、扩展；

(7)主、备(冗余)设备切换；

(8)提供模拟数据处理的支持。

3)SCADA用户应用软件

SCADA用户应用软件是专为用户海上平台SCADA系统或油、气集输，管道等SCADA

系统设计的专用程序，运行于计算机操作系统和SCADA系统软件环境中.例如：用于管道实

时模拟、压缩机优化控制等。用户应用软件按用户提供的技术条件进行编制。一般简单的用

户应用软件由SCADA系统供应商来编制，对于复杂的用户应用软件，如实时模拟软件，则

由专业应用软件供应商供货。SCADA系统的用户应用软件是优化管理和管理现代化的基础。

用户应用软件通常采用模块化集成，是一种多任务、模块化的集成软件包，不同的模块完成不

同的任务。

实时模拟软件是集输与管道系统模拟的基础软件(软件包)，它可完成静态与动态的模拟,

其中包括水力模拟、物理性质和热力学计算等功能。它既可在线应用于实时的管道运行自动

调度，又可离线应用于工程研究和培训.除了静态与动态模拟外，实时模拟软件的在线应用还

有：

(1)自动预测.由操作者给定计时器，能自动超前2-4h提出预测,以便及时调整管道的

运行。

(2)气体的漏失检测与定位。根据模拟与实测的节点压力偏差或流量偏差,确定漏失点位

置和判断漏失量。

(3)仪表分析。对采集到的仪表测量参数进行监视评估，提供仪表维护计划；对仪表运

行

的异常情况发出报警；对仪表进行自动标定。

(4)管线储量计算。计算管线中的天然气储量。

(5)清管器跟踪.在清管作业时,对清管器的位置进行跟踪。

离线的模拟应用有：

(1)决策服务.由操作者提出变化要求，制定操作策略及对策。

(2)培训。对操作人员进行仿真培训。

(3)工程研究开发。提供工程模拟应用开发功能。

7.系统可用性和可靠性

SCADA系统的计算机系统、数传信道、通信设备、网络系统的可用性及可靠性是衡量

整个SCADA系统能否长期、稳定和可靠运行的重要标志。通常，用下列公式来评价一个

SCADA系统的利用率：

系统利用率=平均故障间隔时间/(平均故障间隔时间+平均故障修理时间)

=MTBF/(MTBF+MTTR)

高可靠性选型和冗余配置可使系统的利用率达99%。

系统的可靠性是衡量一个系统在规定的时间和规定的条件下,能正常工作的能力。

由于电子计算机的硬件制造技术的飞跃发展、系统自诊断技术的完善和维护水平的凫高,

SCADA系统的可用性和可靠性已大大提高。

为保证SCADA系统具有高的可用性和可靠性，可采取的措施有：

(1)通信系统、通信处理系统和网络系统采用冗余结构；

(2)主站计算机系统和关键站场RTU采用冗余配置；

(3)故障切换在操作系统这一级完成，然后送至SCADA系统处理；

(4)系统有足够备份存储能力；

(5)供应厂商在地区内的售后服务支持能力的加强，将大大缩短平均维护维修时间，

因此，在选择供应商时，应考虑其在当地的售后服务支持能力。

5-2城市燃气管网GIS系统

5-2—1概论

地理信息系统(GeographicInformationSyetems,简称GIS)是一种采集、储存、管理、

分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。地理信

息系统(GIS)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、

信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科迅速兴起和发展起来。

地理信息系统是由软件、硬件和描述地理信息(如街道、地界、动力管道等)及相关附

属信息的数据所组成的计算机系统.它与地图及普通的信息资料系统的主要区别在于:它不仅

可以展示一条街道，从中还可以知道街道名称、铺设时间、是否单行线等信息，并可把不同

类型的数据按用户的需求有机地结合在一起，使用户能更有效地管理和使用这些数据.地理信

息系统是一种功能强大的、形象化的分析工具。

图5/0地理信息系统与相关学科的关系

城市燃气输配系统是城市重要的市政基础设施之一，是一个城市的地下“动脉”.随着经

济的迅速发展、科技的突飞猛进，燃气管线的规模也会不断增大，其信息管理的难度、复杂

程度也随之增长.

如何有效管理好城市的燃气输配系统，充分为城市经济发展服务，是市政管理部门所关注

的问题之一。欧美发达国家对城市燃气输配系统的管理工作进行了一些研究，很多城市建立

了完善的档案系统，一些先进的技术手段，如GIS、管道遥控检测等已被用于管理中.针对城

市燃气管网安全第一等具体特点，建立以GIS技术和计算机技术为支撑的城市燃气管网GIS

系统，代替传统的管网资料管理方法，能最大程度上满足燃气管网的资料维护、信息查询、

报警抢险等日常事务。且对于提高燃气行业服务质量、管理水平，加强燃气生产调度

和突发事件处置能力，保障安全供气，提供了高效率的支持.

根据城市燃气管网自身的特点和管理上的要求决定了城市燃气管网信息管理系统在设

计时应充分考虑如下要点：1、燃气管网信息具有时间特征，因而系统是一具有时间和三维空

间数据的四维信息系统；2、燃气管网在空间分布上具有不均匀性，因而数据信息量具有随

着发展而急剧增长的特征，系统需要具有处理急剧增长的数据信息量的能力；3、燃气管网数

据必须完整、准确，具有现势性，要求信息系统是一个动态可维护的信息管理系统；4、系

统要能够提供设施管理与自动制图的技术和数据支持，满足日常业务的需要；5、系统的数

据应能够共享，具有网络多用户的并发处理能力。

5-2-2系统结构

设计城市燃气管理信息系统的主要目的是能够代替人工对地下管线资料进行管理，更好

地对资料进行查询、分析，利用GIS技术准确有效地存储、检索、修改、分析城市地形图和

城市燃气管线等有关资料，及时提供所需管线图及各种数据.因而，首先要搜集地市各地区各

工程的管线资料，全面掌握城市管线的最新资料，保证资料的准确性，为管线管理部门准确

地提供所需的各种类型的数据。

用户功能要求：

a）燃气管线数据应以图形和报表等方式存在。能直接接受各种类型的管线数据，能自

动处理分类和入库：并维护数据安全；

b）能提供多种查询方式；

0能按照管线数据的各种特性对其进行统计与分析；

d）能绘制、显示地形图和管线图。

系统性能要求：系统操作方便、实用；满足需要；安全性好，易于维护。

5-2-3系统功能模块设计

图5-11所示为城市燃气管网G1S系统功能模块。

1、数据处理模块

该模块的主要功能是对管线数据及地形图进行输入、分类和入库；另一个主要功能是对

管线数据及地形图的动态更新，系统提供多种工具完成对羽形、属性等数据的更新，保证数据

的准确性和现势性；另外，还对图幅及其索引图进行管理，

设计任务回帖

W堆魂蔡

图5—11城市燃气管网GIS系统功能模块图

2、查询检索模块

系统提供数图、图数及缓冲区等多种方式对管线、附属物等进行综合查询。具体包括：

对地形属性查询；坐标位置查询；管线测量点查询；管线管段查询；图例（地形图与管线）

查询；利用SQL进行属性查询；利用SQL进行图形查询等。

3、统计分析模块

对各种条件的管线进行统计；对管线进行缓冲区分析;对管线和地形图进行叠置分析;计

算路程;最佳路径分析等。另一个主要功能是管线剖面图的生成及三维显示等。

4、显示输出模块

除了完成各类报表的输出,还对管线和地形图进行各种各样的显示与输出.

5、辅助设计模块

该功能通过AutoCAD实现，开发辅助设计子系统技术具有管网的平面设计；管网纵断

面设计；常规设计工具;设计图纸输出;修改原设计及设计变更资料管理等功能；同时设计数

据接口转换程序，将CAD数据转入开发系统。

6、维护工具模块

对系统所用的参数进行设置;提供安全机制以免数据的非法使用及流失；提供各种工具

保障系统安全、高效的运行；支持多种外部存储设备的备份和恢复；完成和微机间的数据交

换等。

7、在线帮助模块

在系统运行中提供在线的使用帮助信息

5-2—4系统组成

系统硬件包括工作站（如可由两台服务器组成网络，由PC机与数字化仪组成的数字化

工作站，以及打印机绘图仪等外部设备组成）。系统软件包括操作系统、GIS软件、数据库

软件等。常用软件：GIS软件有Mapinfo、Arelnfo>ArcView等，国产的有GeoStar、MapGIS

等；数据库软件有Foxpro、Access、Orcal等。系统数据库由三部分组成:全景数据库、底图

数据库和管线数据库。全景数据库为一幅整个城市的地形示意图。

底图数据库为由1：500的地形图图幅所组成.为了便于管理，将这些图幅组合成一幅地

形索引图;为了便于查询分析，对所有地形图上的地理要素均进行了编码。

管线数据库由煤气、液化石油气和天然气等管线索引图组成。管线的空间数据与拓扑数

据均存于GIS系统内，而其属性数据主要存于关系数据库内.

5—2—5系统总论

系统有以下几方面性能：

•数据资源多源化。系统可以接受GIS本身的数据格式和其他数据格式。如地下管线的

测量数据；

•结构模块化设计，易于升级与优化，具有三维显示功能，能对地下管线进行剖面三维显

示，界面友好，操作简便。建立煤气管网GIS系统可以：

1、对图形和属性数据的枪索和查询，了解管线的确切位置、埋深、走向、填埋情况、直径、

材质等。

2、对各类管线数据及各类属性数据进行统计、缓冲分析、三维分析等.

3、为规划设计部门提供确实可靠的数据，从而在建设施工中避免重大事故的发生。

4、通过监测设备对供气设备（包括节点、阀门、气站）进行实时监控，并以二维和三维图形

显示运行设备的运行状态。

5、根据报警信号分析确定故障点，并提供最佳故障检修方案。

6、突发事故的应急处理：根据报修电话，快速确定请求地点以及事故发生地。并与H9消防

指挥中心计算机联网，密切供气系统与消防系统的关系,增强安全防范措施，提高对重大

事故及突发事件的应急能力.

7、制作用户所需的各种不同比例尺的路网图、管线图、纵横断面图和各种类型的数据报表

及输出打印。

表5—3国外典型GIS性能比较

ARC/INFOMCEMAPINFOGENMAPSICADERDASIDRISI

性能

Clerk

ESRIIncergraphMAPINFOGensysSiemensERDAS

制造厂家University

美国美国美国澳大利亚德国美国美国

操UNIXVXJJVJX

作WindowsNTVVXXVJX

系WindowsVJV4VJJ

统DOSVXXXXX-J

数基本数据结构矢量矢量矢量矢量矢量栅格栅格

据矢量一栅格JJJXJJJ

结楣格一矢量

VJXJVJ-J

构

内部数据库VJX■JVXX

数AccessXXJ•JVXX

据InfomixJVVJVXX

库OracleVVJ