力控科技

管控一体化解决之道

城市燃气生产运营管理解决方案

1目概述

      

      城市天然气企业众多的场站系统(几十个至几百个)分布在全国各地,调控指挥中心如果无法及时准确的获悉各重要场站的信息,这将给生产调度人员对整体的运营进行正确的评估及决策带来了很大的麻烦,给各下属公司下达准确的指导指令带来很大的困难,很难对未来的形势和环境进行准确的评估,因此,建设一个完善的生产指挥调度系统有助于改善集团化企业的管理与运营。

  燃气生产运营及输配调度管理系统是结合计算机、信息与控制技术最新发展,面向燃气调度监控,整合了燃气管网监控与数据采集系统(SCADA系统)、燃气管网地理信息系统(GIS系统)、客户信息系统(CIS系统,Customer Information System)、仿真系统等系统的数字化管理系统。该系统可以充分利用管网的数据信息,建立燃气管网运行模型,形成统一的管理平台和人机界面,监测管网的实时运行状态,对管网运行工况进行仿真和评估,生成调度策略和紧急抢修策略,保障燃气管网安全、连续、稳定运行,提高燃气企业管理水平和运营经济效益。

      生产调度实时数据库管理平台主要完成对管网输配及场站系统数据采集和监视管理任务,将整个远程站的数据进行处理、分析、存档并向各远程站发送调度及控制指令。同时实现管网在线模拟、输送计划、泄漏检测及定位、运行优化、计量管理、模拟培训等任务,同时提供开放式数据接口来与企业自动化管理平台连,完成生产调度、维护调度、抢修调度等调度功能模块;

      主调度控制中心的操作人员通过SCADA系统操作员工作站所提供/显示的管网系统工艺过程的压力、温度、流量、密度、设备运行状态等信息,完成对整个管网的操作和管理。

      燃气集团管控一体化系统的管理目标:

(1)建立管控一体化网络体系,改变多个控制系统各自独立,无法进行综合分析,无法进行统一规划和利用全局资源的局面,从目前面向生产过程控制的自动化转向面向业务管理的信息化,提高管道运营控制和管理水平。

(2)建立管道生产业务的数据集成,彻底实现控制系统与管理系统的数据共享,对控制系统的数据进行更深层次的数据挖掘,实现数据本身的价值,减少信息的浪费,让企业上层管理者能够及时、直观地了解生产现场的运行情况,对生产现场进行可控管理。

(3)基于数据集成平台,对大量信息进行分析提取,对生产情况、管道状态等进行数据统计分析、未来趋势预测、管网状态仿真、运行方案优化,为管理决策提供支持。

(4)针对燃气集团运营的独特性、复杂性和代表性,建立具有高针对性、宽适应度和灵活的管控一体化系统,既能满足当前业务需求,又能兼顾未来管网大规模改造所带来的管理和业务调整。

  燃气生产运营系统可分为生产实时指挥运营管理系统,输配管理系统,视频系统,GIS系统,管理信息系统等。调度中心运营信息系统需要实时采集生产现场数据,完成运营计划、运营信息管理,资源实时调配与控制。完成设备运行管理,故障分析,生产报警管理等。相关的仿真系统可以完成管网模拟、仿真、预测的数据信息,信息发布系统可以完成气候等自然环境信息、经济发展状况、城市发展规划及政府法规指令等信息的发布与管理。系统可根据企业的不同建设周期和不同发展阶段来统一规划,分段建设。采用实时数据库平台构建的该信息系统可以构建企业生产运营调度管理系统,构建企业信息门户。主要特点如下:

基于Internet进行管理和查看,完成购销存系统;

Intranet的应用和集成,使信息在企业内部共享和应用更便捷充分,易于升级和维护;

模块化结构,灵活组合,伸缩性强;

图形化界面,易于掌握使用;

开放式系统,满足一系列国际标准和事实标准;

系统可靠性高。完全基于浏览器方式,管理维护方便;

      典型的燃气生产运营指挥管理系统销售公司输配管理软件可分为开发工具、业务模块2大部分。开发工具包括工作流配置工具、组织架构配置工具、菜单及权限配置工具3个部分。业务模块分为数据库、中间件、Web前端框架、业务框架、业务模块5个部分。


销售公司输配管理系统架构图


建设内容

  城市天然气管网生产实时监控及管理系统是以计算机为核心的分布式控制系统,由它完成对管网的监控。它由调度控制中心(完成对城市燃气管网各站场、远控截断阀室的监控、调度管理和优化运行等任务。)、容灾后备控制中心、门站区域控制站(SCS)、远程终端装置(RTU)、通信系统等组成。

监控中心将通过通信系统与各个工艺场站的站控系统互联,从而进行数据采集与监控,并实现输气调度、设备运行优化、计量管理、管道模拟等任务。监控中心SCADA系统的控制功能分为“中心控制”、“站场控制”、“就地控制”三级控制模式。监控中心的操作人员通过系统所提供的管线压力、温度、流量、设备运行状态等信息,完成对管道全线及场站的运行监控和管理。

l)建立场站数据集成平台:将场站SCADA实时数据上传到数据中心实时数据库中,实时数据库提供实时数据的管理、存储、检索,通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据,作为指挥、决策的依据。将实时数据库和管理数据库进行集成和整合,建立实时数据与管理数据之间的关系,实现数据的安全共享和利用。

2)实现场站及输气管网动态运营管理。主要包括建立管网运行监控管理系统、管网安全预警管理系统、营销计划管理系统及管道运行状态管理系统。

3)实现场站及输气管网模拟优化运行和天然气调度应急决策支持。主要包括建立管网稳态模拟和动态模拟优化及天然气调度应急决策支持系统。

系统整体结构


典型的燃气集团网络拓扑示意图


从上面的整体系统结构图可以看出,本系统将划分为9个功能区:

1)分布式设备数据采集区域,包含多个区域;

2)广域网数据传输网络;

3)网络互联区;

4)实时数据处理区;

5)数据存储区;

6)应用功能区;

7)安全防护区;

8)数据备份区;

9)画面展现区。

4 系统产品设计

根据系统设计软件由以下产品组成:SCADA平台软件、企业级实时历史数据库、计算引擎软件、报警管理软件、关系数据库软件、计算服务器、GIS平台软件、Web服务器软件、安全防护软件及相关应用软件组成。软件系统选型采用力控ForceCon一体化集成平台,该平台产品覆盖整个工业信息化领域,通过分布式实时数据库的特点实现系统间的高效集成、级联及扩容,可为企业用户提供一个快速/高效的平台产品,满足各种工业信息化企业需求。

平台产品以“分布式实时数据库”为核心搭建力控家族“工业控制消息总线”,并支持集成面向服务(SOA)系统架构的“信息服务总线”。消息总线和服务总线提供可靠通用的信息交互机制和广域服务机制,实现整个系统间的安全高效的数据通信和应用集成。贯穿整个企业信息化业务,可以自由构建不同规模的应用,实现从底层工业现场控制(小型场站系统、嵌入式HMI)、到生产调度指挥管理(SCADA)及上层信息化管理(MES、ERP)的融合。

平台产品软件架构图如下说明:

4.1 SCADA平台软件eForceConV5.0

  本系统SCADA采用力控SCADA平台软件eForceCon V5.0,该平台是以分布式区域实时数据库为核心,分布式实时数据库技术可以保证生产数据精确输出并完成可视化,实时数据库无限的分层结构可使大型企业信息尽收眼底。力控SCADA平台组态软件具有灵活的系统应用架构,可以自由构建不同规模的应用,满足用户对企业信息化的多样性要求,用户在此基础上可以灵活的构建适合企业应用的解决方案。

eForceCon具备分布式的数据源管理模式,可视化人机交互界面无需编程,直接通过远程数据源的组态方式就能与远程数据库进行信息交互,完成生产监控、查询、曲线分析等各项功能。

SCADA平台功能特性如下说明:

-支持以分布式实时数据库为系统核心的一体化软件平台,具备开放、集成、面向对象的开发环境,系统开发人员可方便使用。

-支持客户端/服务器(C/S)和B/S(“瘦”网络客户端)架构,不同网络节点以分布式的数据源管理方式来进行信息交互。

-具备软冗余、硬冗余及双工热备冗余模式。

-具备稳定、灵活架构及扩展能力,可支持超过万点的通讯点数,灵活可靠,易于扩展客户端的添加不影响整体系统的性能,

-具有完整的报警管理能力支持ISA18.2的报警标准,可支持多级报警管理、声光等报警输出以及参数在线调整等功能。

-提供部署服务器,可管理、编辑、监控远程节点工程及平台状态。

-可提供编程语言供用户使用,支持用户自定义函数的开发。

-支持用户自定义功能和二次开发组件,可以集成第三方插件及可执行程序。

-支持大分辨率的窗口图形显示,提供基于面向对象的模板化的可视化开发工具。

-支持将C/S客户端完整发布到Web上,Web容器支持第三方插件发布。

-软件开发出的工程应具备项目文件备份功能,并且应支持工程文件口令保护。

-支持使用用户,权限,优先级,安全区的方式为用户提供安全验证。

4.2 企业级实时历史数据库pSpace6.1

本系统需要记录大量的具有时间特征的监控数据,针对数据的读取、归档、查询和分析做综合展示,本项目采用不依赖于任何关系数据库的实时历史数据库软件。企业级实时历史数据库软件运行于数据库服务器,数据库服务器可根据要求设定集群冗余(磁盘阵列),实时历史库软件支持集群冗余方式。

实时数据库系统软件实现实时采集生产过程装置数据并连续进行存储并统计,数据在存储时根据每个数据点设定的压缩比参数进行存储。该软件可对(系统项目)实现网络化的生产监视和数据分析,使(系统项目)能够实时掌握下属生产企业的安全生产状况。

力控企业级实时数据库pSpace是一个高性能、高吞吐能力、可靠性强、跨平台的实时/历史数据库系统,可以用于采集、压缩、存储、加工、分析等任何带有时间特性的生产信息,pSpace提供全系列的工业通讯接口及ERP业务接口,实现生产监控到调度管理的完美整合。能极大地提高企业的智能化及决策的精度和速度。

     多平台的支持能力可运行于Windows以及RedHat、Ubuntu、CentOS等多种Linux操作系统。

企业级实时历史数据库pSpace产品特性与指标

支持在线连续存储,并达到30万条记录/秒的存储速度。

企业级实时历史数据库单台服务器应可以支持100万点的数据点。

数据压缩率可高达40:150:1);

数据库单客户端单点查询速度20万条记录/秒。

实时历史数据库1000个客户端并发查询,每秒应可达2万条记录。

实时库应稳定支持256客户端并发查询。

4.3工业报警管理平台FAlarm

力控工业智能报警平台FAlarm可适用于多层监控系统的报警集中管理,采集模块负责报警的采集可支持各类SCADA、DCS、关系数据库等报警数据的接入,支持基于标准OPCAE、OPCUA的报警数据采集。中心模块负责报警的处理、存储、发布、显示等功能,提供直观的报警查询分析功能,有效的提供报警管理的改进方案,辅助企业实现自底层现场到生产调度的报警集中管理。

      ■ 报警系统设计

强大的分布式报警、事件处理,支持ISA18.2标准,可以单独设立报警服务器,独立管理报警的通知与存储。

采用树形结构的区域报警和报警组对象的组合管理方式,支持精确定位报警信息,方便查找与管理;

客户端能显示和确认来自分布式网络上任何服务器上的实时报警;

支持网络报警及操作事件的数据断线存储,并具备自动恢复功能;

支持工业现场报警“雪崩”处理,方便响应大型系统异常及紧急情况;

支持千万条级别报警记录存储,并方便网络查询;

支持报警处置与评论,并可根据业务形成报警知识库

支持高达10个条件报警判断(H5、H4、H3、HH、HI、LO、LL、L3、L4、L5);

支持的报警类型有限值报警,偏差报警,变化率报警,开关量报警。可设置十种限值报警,报警支持1-9999种优先级,报警可分0-99组,每个报警点可设置最多10个报警标签。

      ■ 报警显示与查询

可视化报警的管理组件接收发生的报警信息,可将发生报警的点,数值,报警类型等信息及时输出,主要功能包括:

     支持实现对测点、区域、类型、级别的统计查询,用户可根据查询条件设定统计规则,内置脚本函数也可实现统计查询功能。

支持自定义的报警显示扩展与调整,按照报警类别、时间、标签可方便分类,支持脚本在后台动态控制。

根据任意数据项作为索引来过滤和分类报警信息,可查询任一单元、任一时间段内、任一报警级别和类别的历史报警信息的检索。

支持查询窗口带有内置滚动条、可调大小的显示列、多项报警选择、更新的状态栏、动态显示类型以及报警优先级显示颜色。

支持根据用户需求设定,能够实现按照发生时间、报警等级的顺序自上而下显示。

支持用颜色变化、声音、闪烁区别,每一种级别的报警都可设定指定颜色界面和声音提示,报警声音可根据需要进行调节和屏蔽。

■  报警输出

报警通知支持多媒体语音、视频、文本语音转换、邮件和短信等实时方式的报警通知与输出。

支持将报警信息转储到第三方数据库系统,提供对外的报警查询接口,方便与第三方软件进行调用。

4.4 智能生产信息门户集成平台FinforWorx

系统采用力控智能生产信息门户集成平台FinforWorx搭建企业的管理平台,该平台为企业提供生产动态管理驾驶舱、实时决策调度、设备动态管理、生产预警、能源管理等生产应用来持续不断的改善生产过程,以达到改善企业生产管理的目的。

       力控智能生产信息门户集成平台完全是模块化设计,提供基础的工厂数据建模和各类丰富的分析组件,该平台可分为采集层、数据层、web服务层、web前端等,从而为企业智能制造的动态生产管理提供数据分析、诊断、展示的门户平台。针对节能降耗领域的管控中心建设可提供横向和纵向能源分析、能源诊断、能源审计、能源设备诊断等管理功能。



智能生产信息门户集成平台功能包括:
生产设备管理:包括:生产装置管理、设备台账管理、设备运行管理、设备维护管理等。

计量器具管理:包括:计量器具台账、计量器具检定管理等。

生产计划管理:包括:产品产能管理、计划排产管理等。

生产报表管理:包括:生产报表模板、生产日报、月报、季报、年报、生产完成情况统计报表等。

生产调度管理:包括:生产异常情况管理、交接班日志管理、调度日志管理等。

能源管理:包括:能源计量设备管理、能源计划、实绩、成本,及能源统计分析等。

生产过程监控,包括:生产工艺流程图、能流图等。

关键的绩效指标KPI展示、统计过程控制分析SPC等

       设备运行效率OEE管理等

4.5 生产调度计算平台Fycber

本系统需要通过实时历史数据库及计算引擎可实现系统的生产调度分析(如排程、预测等)。通过力控实时历史数据库提供的海量数据源与计算引擎的多种优化算法相结合,能够实现在线优化全厂过程自动化系统,保证全厂装置在实际生产过程中达到优化调度、节能降耗的作用。

力控计算引擎Fcyber基于node.js脚本引擎结合灵活的编程语言,实现海量数据的统计分析、关系数据库交互以及第三方用户自定义库封装调用等功能。结合力控企业级实时历史数据库pSpace、以及离线仿真平台,可实现从采集、数据处理、数据模型建立、控制策略到全厂综合自动化在线优化,进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调度信息落实至全厂装置的实际生产过程中,达到统计分析、优化调度、节能降耗的作用。

计算引擎功能说明:

■工程管理

支持工程任务的创建、删除、修改

支持配置多任务,支持多任务的并行执行

支持工程备份、导入/导出

支持工程加密

 任务管理

支持任务的编辑、调试

支持模板功能

任务运行状态、结果监控

 脚本编辑器

支持js脚本

支持复制、粘贴、撤销

支持高亮、语法检测、提示联想

支持任务代码配置调试、运行调试

 函数

支持pSpace函数

支持各类关系数据库操作函数

支持自定义函数

支持第三方算法调用

Node.js原生支持函数

4.6 工业安全隔离网关pSafetyLink

为了防范黑客及恶意代码等对底层生产网络的攻击侵害及由此引发的生产事故,保障生产系统的安全稳定运行,需要建立生产系统安全防护体系,系统安全防护工作应当坚持安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证的原则,保障底层生产系统的安全。因此在保障生产系统的可靠和安全运行上,提供两款工业级防护产品以供客户根据现场实际情况选择,一种是利用工业网络安全防护装置的双系统,单项隔离传输功能,将病毒及网络恶意行为彻底隔离在外网,做到最大限度的安全防护。另一种是使用白名单的默认禁止机制,为网络进行逻辑的边界隔离。

力控pSafetyLink是专为工业网络应用设计的防护设施,用于解决工业SCADA控制网络如何安全接入信息网络(外网)的问题。它与防火墙等网络安全设备本质不同的地方是它阻断网络的直接连接,只完成特定工业应用数据的交换。由于没有了网络的连接,攻击就没有了载体,如同网络的“物理隔离”。由于目前的安全技术,无论防火墙、UTM等防护系统都不能保证攻击的一定阻断,入侵检测等监控系统也不能保证入侵行为完全捕获,所以最安全的方式就是物理的分开。

■    最高级别安全设备

安全隔离网关是目前最高级别的安全防护设备,用于进行特别重要的区域安全隔离,我们的设备采用硬件加软件的多重技术保障区域间的物理隔离。

■   测点级访问控制

安全隔离网关支持测点级的访问控制,可以根据具体到点的读、写、可见、不可见、进行控制,杜绝误操作、提高了数据和控制的管理粒度。

  安全隔离技术

截断TCP连接的方法,彻底割断穿透性的TCP连接,内部采用高位加密技术进行传输数据的保护。

 内核安全技术

基于Linux裁剪优化后的嵌入式内核,裁剪其它所有无关的网络服务、系统功能,屏蔽了无关端口,进一步提高了系统安全性和抗攻击能力。

自检测自恢复

安全隔离网闸内嵌的高性能工业通信软件提供完善的系统在线自诊断、故障自动恢复、“看门狗(软件名称)”管理等系统功能。

 可靠身份认证

自带专用配置工具,专用配置工具具有身份权限的签名认证识别和构建高位加密的管理传输通道,保障了设备的自身登录安全性。

 高可靠硬件设计

      在PCB电路板的设计中,加有线性稳压及滤波装置,并严格按照 EDA 对高频电路设计的要求,设计了单独的电源层与地层,进一步保证了整个板上电源的稳定性。硬件模块都采用电子式长寿命设计,设计遵循分布均匀、布局合理的原则,风扇处增加了防护罩,而且紧靠散热源,起过滤作用,避免灰尘和湿气;通过增加专用转接板,起到了更好的加固和抗震作用;

系统功能

5.1 生产实时监控与调度系统

      调度中心需要实时采集生产现场数据,完成运营计划、运营信息管理,资源实时调配与控制。

      调度控制中心是燃气统一调度、输配SCADA指挥系统的中枢,它将对管网和场站进行连续的监控和管理。保证它的可靠性、稳定性、安全性等是至关重要的。系统将确保数据采集、储存的完整性、及时性、准确性、安全性和可靠性,同时具有支持系统平台的开放性,支持用户开发、补充和完善应用功能。

     5.1.1 调度中心主要功能

      调度控制中心是燃气输配管网自动控制系统的调度指挥中心,在正常情况下操作人员在调度控制中心通过计算机系统即可完成对输配系统的监控和运行管理等任务,调度中心采集各个门站、备用气源站、高中压调压站、重要工业用户、重点压力检测点、阀室等现场数据,并对采集的数据进行分析处理,做为整个管网调度依据。调度控制中心主要是对整个燃气输配管网进行生产调度,并对各个调压站、阀室、重点用户等现场设备状态进行监控,及时对设备异常状况进行维护调度,对突发事件进行抢修调度,对整个天然气输配管网进行科学的调度和维护。调度中心SCADA系统需要预留和负荷预测、管网仿真、GIS系统、抢修系统等通信接口。

     

5.1.2 实时监测管网数据

      借助SCADA系统将分布在主城区各SCS站所采集的管网设备的运行参数汇集到MCC监控界面上来。并结合GIS系统提供的天然气管网地理信息,将管网各监测点的信息(压力、温度、流量等)实时地显示在MCC的大屏幕监视屏上。同时该信息还通过WEB服务器发布,供联网的客户端浏览。

5.1.3 显示各站的动态工艺流程图

      将整个工艺流程直观地在计算机上显示出来。可以看到相关开关量、设备的运行/停止、模拟量的实时变化等,图形目标的前景色、背景色及目标的动态移动方向均可任意指定,并可动态变化。

SCS站操作运行过程中,工艺参数如压力、温度、流量、瞬时值、累积值、计划值等,可选用表格显示或条形图显示,还可进行组显示、特定显示等。

      可通过WEB服务器发布,供联网的客户端浏览。

5.1.4 实时和历史数据趋势图、棒状图显示

      根据用户的需要可以将相关的监控点数据生成实时、历史趋势图。通过历史趋势,用户可以分析模拟量参数(如流量、温度、压力等)的变化趋势,查看以前特定某段(点)时间的历史图形记录,可以查找故障发生的时间,从而找出系统的故障原因。可通过WEB服务器发布,供联网的客户端浏览。


5.1.5 下达调度和操作命令

      系统操作员可以根据管网输配气的需要,下达调度指令给各SCS站或直接操作任何可以操作的阀门或其它执行器,同时监视指令运行状况。

5.1.6 报警和事件管理

       对于监控站的设备或系统部件故障报警、诊断报警等,管理软件能自动处理。对工艺过程报警管理软件进行报警组态后自动处理。系统对任一报警可以用监控站内置喇叭发出声报警,也可以用将重要参数报警组态为报警出现时输出到某个数字量输出点,以驱动外接音响。对于每个报警可以组态为报警发生时系统自动切换至报警参数所在画面,同时在报警提示行以醒目的颜色显示报警信息。

5.1.7 各种报表生成和打印

      可以根据生产的实际要求,生成班报表、日报表、月统计表,甚至年统计表等等。并且可以统计最大、最小值,做出相应的棒图、趋势图、X-bar图等数据分析方案,使整个管网运行、设备优化和企业管理进入全面量化控制过程。利用定时打印设置功能,可以设置定时及人工干预,随时打印报表。

5.1.8 网络监视和管理

      管理软件可对系统自身的运行进行自诊断并形成报告,监视整个系统的工作运行状态,以便对系统进行管理和维护。


5.1.9 权限管理

      系统可以对不同用户进行授权,所有用户均可以具有不同的角色和用户组。权限管理主要包括三部分内容:用户管理、角色管理、用户组管理。

5.2 生产运营调度管理系统

5.2.1 实时运行管理

      天然气输配系统实施监控的主要目的是监控天然气输配系统的高/次高/中压配气站、储配站、调压阀室、阀井、管网等安全、可靠、稳定、经济地运行,以保证输配系统内各个天然气用户的供气需求和安全。

      调度监控中心通过生产实时监控及管理系统、依靠管网仿真和SCS的协助,预测输配管网中短期内的用气量,以保证天然气的供需平衡。

5.2.2 优化调度

      通过生产调度系统提供的长时间归档的生产历史数据及可视化数据分析工具,操作员可对今后的供气需求作出近期或远期的预测。根据负荷预测分析提供的数据报表,合理安排每日//月的用气计划。根据管网实时模型,可以通过对管道有关参数的计算,对管道的异常工作情况进行分析(地点、时间),模拟分析计算用气高峰期管线上的压力分布,分析高峰期每日运行的管道系统的输送和储气性能,对系统是否能够满足未来需求提供决策支持。

      同时可实现储气调峰调度的优化,减少储配站压缩机开启的台数、时间和启停的次数,实现燃气输配的经济优化运行。

5.2.3 调度管理功能

      本系统主要完成五个方面的功能:

(l)可以通过浏览器浏览基于B/S架构的生产实时数据、站场流程画面、设备运行状态、安全监控和预警分析;

(2)可以对调度令、运行控制参数、设备运行状态、销售计划、预警参数、管道基础业务数据进行添加、修改、审批和下达,以达到对天然气输配的运行状态实现可控的目的。

(3)可通过时间、组织机构、数据类型等多种维度对系统内的公共数据、SCADA实时数据、生产数据、营销数据、应急决策方案等进行综合查询和分析。

(4)对系统中的各种类型的报表,如生产运行日报、销售月报、用户用气重要参数瞬时报表、销售计划等报表等进行查看。

(5)对系统中的用户进行角色分配和权限设置。

6 系统软件清单