城镇天然气实流检定站智慧控制系统设计

于 欢，周 聪

(北京市煤气热力工程设计院有限公司，北京 100032)

1 概述

对于燃气计量器具的检定，相比空气流检定方式，天然气实流检定更准确，应用更广泛。目前国内的实流检定站多服务于压力级制10 MPa及以上计量仪表的检定，适用于城镇燃气计量仪表的实流检定市场需求很大。建设城镇燃气领域的计量检定站，适应我国燃气流量量值溯源体系建设和国家计量管理体制的要求，有利于技术进步。为从根本上保证检定站的正常、安全、智慧运行，需要建立一套稳定、安全、经济、灵敏、完善的安全管理监控平台和体系。本文结合智慧控制功能，对城镇天然气实流检定站(简称检定站)内的燃气工艺系统、配电系统、照明系统、安防及报警系统进行探讨。

2 检定站工艺流程与基础系统

检定站气源接自高压A(设计压力4.0 MPa)天然气管网。工艺流程为：天然气经过滤、计量、调压稳压后，首先进入检定区的待检流量计，之后进入移动车载检定装置区的标准表流量计，两流量计的计量结果相对误差在允许范围内，表示待检流量计计量精度符合要求，否则需调校后重新检定。再次检定仍不合格，按照报废处理。天然气出站压力为高压B(设计压力2.5 MPa)，出站后进入下游天然气管网。

检定站主要包含燃气工艺系统、配电及照明系统、安防及报警系统。安防及报警系统包含视频监控系统、门禁系统、周界入侵报警系统、可燃气体报警系统。

3 检定站智慧控制系统集成设计

3.1 设计概述

检定站智慧控制系统(简称智慧系统)利用物联网技术，通过各种网络，把燃气工艺、配电、照明、安防及报警不同系统和不同智能化设备实现统一集成，检定站内任一系统节点都可与智慧系统协同联系，通过汇集分析各种数据信息，实现高效、便捷的集中自动化管理，实现实时数据的交流共享。检定站借助智慧系统实现无人值守，上级调度中心管理人员通过该系统监视检定站运行参数，并在权限范围内辅助站内设备运行。

检定站智慧系统见图1，图1下虚线框内设备和线缆设置在检定站内。首先将反映燃气阀门、燃气设备、配电设备、灯具、监控感应设备等状态的数据，以及各种探测器或传感器的检测数据，通过控制面板、控制模块、I/O模块实现初步整合，与移动车载系统状态参数一起，分别上传至智慧燃气工艺RTU控制系统(简称RTU控制系统)、智慧配电系统、智慧照明系统和智慧安防及报警系统。这4个系统通过网络将数据上传至物联网控制器，物联网控制器实现数据接收、控制、储存、处理等指令，并配合其他设备实现大屏显示、计算机记录、打印、手机APP(工作人员随身携带)和触摸屏的移动端显示，并与上级调度中心进行远程数据通信。

智慧系统具有开放性和连通性。通过合适的硬件配置和搭建，将检定站内各系统集成，达到集中显示、连锁、控制的功能，减少运营成本，针对传统控制系统数据采集孤立以及难以联动的问题，提出了有效的解决方案，并达到智能、高效、安全、节能、环保的目的。

图1 检定站智慧系统

智慧系统主要功能包括：保证正常生产过程持续、高效运转，调度人员及时了解当前检定站运转情况。通过快速传递并反馈设备信息，实现快速定位、业务处理和故障修复。降低各种故障停机时间，延长检定系统高效率生产时间。实现电能等能源节约，精确计量。提高计量检定系统工作效率，增强检定能力。保证厂区内照明相关要求，实现智能控制，因需调节。安防及报警满足值守要求，系统反馈灵敏，安全可靠。

3.2 各系统设计

3.2.1RTU控制系统

RTU控制系统依据功能性、实用性、可维护性、可拓展性、安全性等设计原则，选择技术成熟、性价比高、功能适当的控制系统，完成对进出站阀门区、过滤区、进站计量区、稳压系统区、移动车载检定装置、检定区、分流区、流量调节区和调压计量区内数据的采集和控制。

主要检测控制内容：高压A天然气进口进行压力、温度检测和显示，并设置超高、超低报警；在过滤器处设置压差变送器，监测天然气流通情况，并设置压差超高报警；进站计量区进行高压A天然气流量检测；高压A天然气经调压、稳压、分流及流量调节后，稳定在检定工艺所需工况；高压B天然气出口进行压力、温度检测和显示，并设置超高、超低报警；记录、显示燃气管道上重要球阀的阀位开关状态信号，并实现远程控制；单独设置移动车载检定装置控制系统监测运行参数并完成相关工艺流程，预留与RTU控制系统的通信接口并具有开放通信协议，同时移动车载检定装置控制系统可接收RTU控制系统的相关参数及指令；检定区根据待检流量计口径不同设置多条检定线路，RTU控制系统设定自动切换检定线路的功能，同时配合起重机根据口径自动选择检定线路并实现自动吊装，天然气以实流方式通过检定区，对已吊装流量计进行检定。RTU控制系统电源模块为冗余配置，考虑以后的扩展功能，I/O模块数量结合现有规模留有一定余量，同时预留与其他设备信号的接口。

3.2.2智慧配电系统

智慧配电系统主要采用两种模式：智慧终端设备模式和智慧配电柜(屏)模式。

智慧终端设备模式：根据实际需求确定功能范围，在配电支路加装智慧终端设备(如电量采集器、温控器等)以及配套智慧电流互感器，之后将电量采集器、温控器等智慧终端设备采用有线或无线方式接入独立智慧配电控制器。智慧终端设备根据自身的数字化功能进行相应配电支路的监控管理，智慧配电控制器根据系统详情进行网络搭建，确定组网及拓扑图，最终实现电压、电流、功率等多方面精细化保护。此模式适用于对普通配电系统的改造项目，智慧配电控制器可接入值班室计算机和显示屏，可操作性强且较经济。

智慧配电柜(屏)模式：结合不同设备负荷情况，综合考虑各种配电柜(屏)型号规格、支路配电、相关参数配置及智慧配电控制器需求，确认一体化智慧配电方案。配电支路开关、熔断器等选择具有信号上传功能的设备，通过相关仪表采集配电回路的电压、电流、谐波质量数据、回路的通断状态、电流状态、接地和防雷设备状况等数据，上传至智能配电柜(屏)。智慧配电柜(屏)内设置PLC或其他智慧控制器，通过数据采集来智能调节相关支路设备的频率、启停，对设备运行质量进行监控和状态统计。智慧配电柜(屏)配套液晶显示，触控设计，采用安全防漏电形式，可实现远程控制。此模式适用于新建的配电系统，可实现配电支路以及系统的高度智慧管理。

两种模式均应用广泛。在安全运行方面，智慧配电系统对异常状态预警并可及时保护，尤其是具有电气火灾监控功能，可有效降低故障发生率，提高安全运行时间。在节约用电方面，智慧配电系统根据完备的能耗管理系统，对各设备运行进行模拟测算和精细管理，减少能耗成本。在运维管理方面，智慧配电系统提供本地、远程不同控制途径，大大减少人力需求，降低成本的同时提高管理效率，实现集中管理控制，简化工作内容。

3.2.3智慧照明系统

灯具不仅作为照明设备，也是智能探测和网络通信的节点，具有节能照明、数据采集和信息发布等功能。智慧灯具可配套GIS定位功能，对每盏灯具进行定位和编码。在灯杆上装设摄像头、环境传感器等，对是否有人或车辆经过实现自动监测，同时根据实时状态调节灯的亮度，实现光照调控，提高节能效果。对检定站内空气质量、温度、湿度、噪声等进行监测，对数据进行记录以便实施相关参数控制。在个别灯杆上安装LED显示屏，发布检定站信息。

3.2.4智慧安防及报警系统

对视频监控系统、门禁控制系统、各种报警系统实施远程监控，包括查看数据参数、安全状态、监控图像以及配套连锁控制等。通过无线传感器、视频数据采集等设备，对实时数据采集分析，结合录入资料、典型区域调查，对监测预警系统以及监测参数合理设置。对各种设备、车辆、现场人员定位，定位系统一般基于 GIS、GPS等技术，一旦监控范围内发生工艺设备故障或其他突发事件，调度人员可及时并直观知晓事件发生的具体情况，派最近的现场人员快速到达现场处理。手机等终端设备可帮助现场人员第一时间将信息传递给调度中心，同时结合应急报警按钮、语音对讲及求助信息图像采集等功能，便于调度中心及时回应并提供解决方案。

4 智慧云系统架构

检定站智慧系统作为本地子系统，实现检定站内各系统的智慧控制连锁功能。基于物联网技术，各不同检定站智慧系统信息汇总后与上级调度中心进行远程数据通信，通过网络集成在智慧云系统上，见图1。检定站借助智慧系统实现无人值守，上级调度中心管理人员通过智慧云系统监视管理范围内所有检定站运行参数和状态，并在权限范围内辅助站内设备运行。

智慧云系统需要采用架构搭建和通信网络实现远程控制和传输，二者是系统正常运行的关键。系统架构整合环境感知、定位巡查、集中管理等资料，通过通信网络的辅助与连接，将语音、数据、文档等不同形式信息在高效渠道中进行传递和处理，不仅可以实现各子系统信息的采集与整理，还能有效实现各功能模块的协调。

智慧云系统需要构建硬件平台和软件平台，主要完成信息收集、数据处理、数据回传以及决策支持等功能。硬件平台是功能基础配件，按照网络横向组成划分，包括感知节点、传感网、核心承载网和信息服务终端等。软件平台是功能神经主体，建立在分层的通信协议体系之上，通常包括数据感知系统软件、中间件系统软件、网络操作系统等。

智慧云系统架构主要包括感知层、网络层、数据智能处理层和应用层,见图2。

图2 智慧云系统架构

感知层将探测器或传感器、RFID感应器、条码识读器、控制器等检测或识别的数据通过M2M终端、传感网、控制网等各种短距离通信网络传输至网络层。网络层由各种无线或有线网关、接入网和核心网组成，实现感知层与数据智能处理层数据及控制信息的双向传送。数据智能处理层实现以数据为中心的核心技术，通过远程调度、集控、云存储或计算等手段实现数据汇集、存储、查询、分析、挖掘、理解，是应用层的重要数据支持，二者实现紧密的信息接收与反馈。应用层包括支撑子层和智慧云系统应用，其中支撑子层为智慧云系统应用提供通用支撑服务和能力调用接口[1]。

结合图1与图2，检定站智慧系统作为感知层的一个感知节点，完成数据信息采集后上传至智慧云系统。智慧云系统作为云端可辐射多个检定站智慧系统，采用集散控制将指令或决策发送给每个检定站智系统的物联网控制器，借助于射频识别技术、传感技术、通信技术、云计算等收集完整信息，通过网络通信端口将不同物联网控制器与智慧云系统连接。智慧云系统数据智能处理层可引入空间位置信息、身份信息等相关功能软件，通过相关技术将不同检定站的所有信息进行整合、分类与重组，更加客观、清晰地表达空间逻辑关系，配合身份识别系统、手机APP、触摸屏等, 实现人员、设备等信息显示和功能交互，并通过网络层，有效精确地完成生产管理技术指导，最终实现智慧云系统下燃气工艺自动控制、配电自动分配、能源节约、人力精细统筹、权限设定、安全管理等智慧应用。

5 通信网络要求

智慧系统和智慧云系统的通信网络主要分为有线通信和无线通信。有线通信包括以太网、串口通信等。无线通信分为近距离无线通信、短距离无线通信和长距离无线通信。检定站按照易燃易爆环境考虑，建议RTU控制系统采用并行排列且抗干扰能力强的工业总线通信网络，通过I/O端口实现数据传输，既确保通信数据稳定、实时传输准确、容错性好，又极大降低后期的维护成本。

智慧系统和智慧云系统均支持BACnet、Modbus等标准协议及Java、Web等开放IT技术，根据具体设备协议开发相应驱动，对私有协议实现开发集成，同时对行业内大多数数据库系统也提供支持。在设备方面做冗余设计，采用扩展技术在不同地点增加现场控制器及操作终端，同时不影响现场正常操作。