城市燃气SCADA系统设计与维护实践与创新

摘要：随着城市化的不断推进，城市燃气供应安全显得尤为重要。其中，燃气监控自动化系统（SCADA）在保障燃气供应安全中扮演着至关重要的角色。通过深入分析城市燃气SCADA系统设计与维护的实践过程，探讨了其创新应用及遇到的挑战。在对约150个城市燃气SCADA系统进行广泛调研并收集整理数据的基础上，独特地定义了系统的架构与功能模块，并将之与现行的国际标准进行了对比分析。同时，结合现代网络技术、物联网感知技术及数据处理技术，提出了基于云计算的监控系统设计方案，实现了数据的高效处理与存储。

关键词：城市燃气SCADA系统；系统架构；数据处理技术；维护策略；网络安全

一、前言

随着我国城市化进程的不断加快，城市燃气管网的规模也在不断扩大。城市燃气管网是城市重要的生命线工程之一，关系到城市居民的生活质量和城市的可持续发展。为了提高燃气管网的安全性和可靠性，实现燃气管网的高效运行和智能化管理，城市燃气企业普遍采用了SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制系统）技术[1]。SCADA系统能够实时监测管网的运行状态，及时发现和处理各种异常情况，保证燃气供应的安全稳定。

然而，城市燃气SCADA系统的设计与实现是一项复杂的系统工程，涉及通信、自动化、信息等多个领域的技术[2]。系统的稳定性、可靠性、安全性都面临着严峻的考验。同时，城市燃气管网不断扩张，用户需求日益多样化，对SCADA系统的功能和性能提出了更高的要求。因此，如何根据实际需求合理设计SCADA系统架构，采用先进适用的技术手段，实现系统的优化升级和智能化运维，是摆在燃气企业面前的一项重要课题。

二、城市燃气SCADA系统概述

SCADA系统是燃气公司信息化、自动化和智能化的重要基础。目前国内城市燃气公司普遍建设了SCADA系统，实现了对城市门站、调压站、阀室等生产设施的远程监控[3]。一个典型的燃气SCADA系统由以下4部分组成：

（一）现场端

包括RTU、PLC、流量计、压力变送器、液位变送器等，负责采集管网各测点的实时数据并控制阀门等设备。常见的通信协议有Modbus、IEC 104等。门站RTU一般具有100～200个AI/DI测点，调压站RTU测点在50个左右。

（二）通信网络

采用光纤、GPRS等方式，将现场端数据可靠地传输到主站。大中型城市燃气管网点多、面广，需要组网的RTU数量可达上百个，对通信可靠性和实时性要求高。

（三）主站系统

通过组态软件，如组态王、iFIX等，实现对管网的集中监控、统计分析和生产调度。典型的主站配置为双机热备，I/O点数在数万个量级。主要功能模块包括：

1.图形组态

生成各类拓扑图、趋势图、报表等，直观展现系统运行状态。

2.实时数据库

存储海量的实时和历史数据，为statistical分析提供支撑。常见的时间序列数据库有PI、InfluxDB等。

3.报警管理

及时发现并通知值班人员处理系统异常和超限等告警事件。

4.统计报表

对生产运行数据进行统计分析，生成日、月、年报表，为管理决策提供依据。

（四）二次开发平台

在组态软件基础上，使用VB、C++等语言进行个性化的功能扩展开发，以满足燃气公司的实际业务需求，如计量管理、抢险调度、巡检管理等。

除了基本的 SCADA功能，城市燃气系统还普遍与GIS、PDMS等专业系统进行数据集成[4]，实现管网数据一张图综合展示。通过在 GIS 平台上溯源管网压力、流量等实时数据，可以直观评估管网的健康水平。此外，SCADA 还作为数据源，为管网仿真、配气优化、泄漏检测等智能应用提供基础支撑数据。随着燃气行业信息化的不断深入，SCADA系统必将与越来越多的业务系统实现互联互通、融合创新，为燃气公司的安全生产和精细化管理提供坚实保障[5]。

三、系统设计方法与实现

在城市燃气SCADA系统的设计与维护实践中，采用多种手段确保系统的高效稳定运行与安全性，包括系统架构设计、数据处理流程、通信协议安全等[6]。SCADA系统数据库的接口设计具体见表1。系统设计遵循模块化、分层次、网络化的基本原则，通过真实工况模拟和数据反馈，实现长期稳定控制。燃气 SCADA系统中间人攻击示意图如图1所示。数据处理流程的优化是提升系统响应速度和准确性的关键环节，采用分布式计算和数据冗余策略，确保关键数据的实时处理和备份，以SCADA系统数据处理关键公式进行优化处理，具体见公式（1），实现数据的高效整合和精确计算[7]。最终呈现的天然气SCADA系统运行状态界面如图2所示。

四、系统维护与创新手段

在城市燃气SCADA系统的维护与创新实践中，调整对于系统长效运行至关重要。本研究深入分析了优化SCADA系统的多维度方法，旨在通过自动化与信息化手段提升系统稳定性和响应速度。其中，SCADA系统维护自动化脚本的设计是系统提升的关键环节，不仅减少了人工干预频次，也极大提高了维护操作的精准性和效率[8]。维护自动化脚本以Python语言为基础，结合SCADA系统的运行特性，设计了一系列功能模块。脚本首先根据IP地址参数通过connect函数初始化与系统的连接，确保了与现场设备的实时通信。具体脚本如图3所示。接下来的主体函数maintenance_tasks调用连接实例，按设定周期执行检查系统日志、更新配置参数、执行系统自检、数据备份等一系列维护任务[9]。针对可能出现的异常情况，例如，网络波动或数据错误，脚本内嵌有错误处理机制，能够捕捉异常，并执行预定义的故障处理流程，确保系统稳定性不受影响。任务完成后，通过disconnect函数安全终止与系统的连接，并且保证所有维护操作留下可追溯的记录。

五、结语

城市燃气SCADA系统是保障城市能源安全、促进行业高质量发展的关键基础设施。只有坚持创新驱动、与时俱进，以先进的信息化手段支撑业务管理变革，城市燃气企业才能在新时期保持强劲的市场竞争力。本文对SCADA系统设计、维护及创新方法的探讨，可为业内同行提供一定的参考和启示。

参考文献

[1]潘欣.基于WebGIS的城市燃气管网安全监管系统设计与开发[D].山东：山东科技大学，2019.

[2]马钧隆，孟祥印，张钧哲.基于GIS的燃气管网4S系统的设计与实现[J].计算机应用与软件，2020，37（03）：28-31+50.

[3]刘原麟.DY燃气公司智慧燃气发展战略研究[D].四川：电子科技大学，2021.

[4]彭超龙，杨秀平.天然气SCADA系统报警泛滥问题分析与应对措施研究[J].城市燃气，2023，575（01）：27-31.

[5]余巫各.城市燃气智慧管网技术的研究[J].城市燃气，2023，577（03）：12-17.

[6]沈华.城市天然气智慧管控平台建设与运行管理[J].工业控制计算机，2023，36（02）：119-121+124.

[7]杜雪峰.燃气智能化与燃气SCADA系统在燃气安全管理中的应用[J].化工管理，2020（09）：80-81.

[8]翟向琳，张强，王世奉.智能化城市燃气输配系统设计探讨[J].石油和化工设备，2021，24（08）：64-65+63.

[9]石磊，相世权，王聪，等.城镇燃气安全运行管理创新体系的建设及应用[J].新型工业化，2021，11（09）：52-53.

作者单位：东莞新奥燃气有限公司

责任编辑：王颖振、郑凯津