罗克韦尔自动化ControlLogix在上海大众燃气SCADA系统中的应用.docx
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罗克韦尔自动化ControlLogix在上海大众燃气SCADA系统中的应用
罗克韦尔自动化ControlLogix在上海大众燃气SCADA系统中的应用
∙作者：
上海远动科技有限公司陈宗梁、胡介民
∙供稿：
罗克韦尔自动化（中国）有限公司
∙阅读人次：
55
∙发布时间：
2009-11-25
∙应用领域：
摘要：
上海大众燃气SCADA系统监测范围包括：
3个储配站、20个调压站，5个流量站，监测通讯量为每分钟470条工况数据，近8MB数据流量，形成完整的、相对独立的远程实时监测网络。
同时，调度室与公司本部、输配所以及市燃气处组成广域网结构。
本系统的设备主要分布在各远程站现场、供气部调度中心、公司本部和输配所。
该系统是大型的广域实时监控SCADA系统，系统目前所采用的技术水平处于先进和实用的水平，采用了罗克韦尔自动化先进的RSViewSE和ControlLogix产品，该系统特别在系统通讯方面提供了通信方式和管道，体现了本系统的最大特色。
关键词：
计算机自动化控制RSViewSEControlLogix
一、系统概述
上海大众燃气有限公司承担着上海市苏州河与黄浦江之间地区的城市燃气供应任务，随着上海城市建设快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对城市燃气的供应服务质量和燃气供应量提出了越来越高的要求，并且，上海城市燃气的现代化水平也必须与上海作为国际性大都市的形象和地位相适应。
因此，上海大众燃气有限公司建立具有先进水平的燃气SCADA系统是势在必行的。
上海大众燃气SCADA系统项目于2002年7月正式进入实施阶段，新建的燃气SCADA系统的监测范围包括：
3个储配站、23个数据采集站点，监测通讯量为每分钟470条工况数据，近8MB数据流量，形成完整的、相对独立的远程实时监测网络。
同时，调度室与公司本部、输配所以及市燃气处组成广域网结构。
SCADA系统中心调度室，不仅实时采集各远程监测站点的管网工况信息，并直接存入SQLServer数据库，同时将各类信息分别处理，根据燃气处、公司本部、以及公司其他部门对不同信息的需求，向各部门提供有关的数据，使中心调度室成为上海大众燃气有限公司全面掌握全区域内燃气输配运行工况的信息中心，以及公司内的各部门间、公司与燃气行业间的有关输配生产数据传递的信息枢纽。
二、SCADA系统监测对象
本SCADA系统的监测对象包括：
扬高路储配站、漕宝路储配站、徐泾储配站、焦化厂计量站、扬家渡计量站、苏州河吴淞路桥管流量站、苏州河成都路桥管流量站、20个调压站、3个流量检测点。
系统规模共计1个调度中心、23个远程监测站点，从而构成具有一定规模的、布局合理的城市区域燃气输配监测网。
压力站点所监测和控制的工况数据主要是：
调压站中压压力值、低压压力值、压力报警限值、站点通讯状态。
流量计量站实时采集一次流量仪表输出的累积流量、瞬时流量、校正流量等数值，经PLC处理后，通过通讯信道向调度室传送。
三、SCADA系统总体框架
上海大众燃气有限公司SCADA系统，是一个具有一定规模、较为复杂的多类型混合系统，不同类型的远程站，有不同的数据要求，而不同远程站的环境条件和数据内容，需要有不同的通信方式相匹配，系统既有工业控制范畴的内容，又有信息管理的技术要求。
基于大众燃气调度SCADA系统的技术条件，本系统在总体网络结构上，分成三个层次：
底层为基本监测站点层，即23个PLC现场数据采集终端，其主要任务是采集所在调压站或流量站的实时工况数据，进行现场处理，并通过远程通讯网络向上转发站点工况数据，接受调度端的远程指令。
中间层为实时监测层，即调度室互为冗余的上位机监测平台，接受从远程通讯网络传送上来的站点实时工况信息，并接受信息层调度主机的调度控制指令。
最上一层是信息管理层，除了调度室的调度主机、群集服务器外，还包括与公司本部、输配部以及市燃气处的远程广域网。
大众燃气SCADA系统分层结构如图一所示：
作为一种分析的方法，系统以各部分设备的不同定位来响应系统各技术层面不同的功能要求，在图一中，系统按功能特点划分了三层，其中，信息层追求的是信息的完整性，该层面强调的是“量”。
控制层着重的是数据的可靠性，因此，该层面突出的是“质”。
而设备层要求的是数据的真实性，因此，该层面必须确保数据的“真”。
按照这种分析的方法，可将系统按信息层结构组成和控制层结构组成示意如图二和图三。
本系统的总体结构框图如图三所示。
1、本系统在结构上以供气调度室为核心，以群集服务器系统为数据枢纽，以SCADA系统为基础数据源，形成公司燃气输配生产的信息平台，该信息平台的中心内容是所有输配生产信息的汇集、分类和信息流程的控制。
2、在该系统中，供气调度室承担燃气输配生产环节信息中心的任务，所有有关输配生产的信息均汇集于公司调度室的群集服务器，并由供气调度室提供信息分类整理和递送的服务。
3、供气调度室是整个系统信息层和控制层的结合处，信息层与控制层的信息交换通过本地局域网，并按TCP/IP传输协议进行通信，但内层协议采用EtherNet/IP。
EtherNet/IP是一种在现有商用以太网基础上开发的以太网工业（应用）协议，它利用了现有以太网的通讯芯片、物理介质和TCP/IP
套件，在工业控制应用中进行实时控制、网络组态和数据采集。
4、根据对信息的传送量、信息的传送速度以及经济上的考虑，采用多种通信模式，其中信息层之间的远程通信采用帧中继、控制层之间大信息量站点的通信采用X.25、小信息量站点的通信采用Mobitex，漕宝路储配站则采用无线扩频通信。
5、信息层内设备间的通信，供气调度室内设备间的通信通过本地局域网，供气调度室与外部网络的远程通信通过帧中继方式，所有信息层内设备间的通信均采用普通的TCP/IP协议。
6、所有控制层内设备间的通信均在供气调度室与远程站之间，其中通过X.25和无线扩频的通信采用外层为TCP/IP、内层为EtherNet/IP的通信协议，通过Mobitex的通信采用DF1协议的UDP方式。
7、在供气调度室中，作为信息平台的实时数据部分，PLC将完成所有的控制层信息的远程通信和实时数据的缓存，为信息层提供全部的实时数据映射。
而作为信息平台的历史数据部分，由服务器的SQLServer完成所有历史数据库的管理。
8、供气调度室的实时监测计算机，以实时数据库为核心，该实时数据库主要用于管网工况趋势图查询分析、管网报警和操作事件的记录和查询。
9、服务器的RSSql和RSLinx完成实时数据向历史数据的转移，通过RSSql和RSLinx与PLC的数据绑定以及时间段的设置，服务器将自动获得SQL数据库的定时记录。
四、SCADA系统的通信
在SCADA系统中，实时调度网的通信技术性能是全面衡量整个系统技术经济指标的重要内容，实时工业网络的通信技术性能包括通信拓扑结构、网络规划、网络规约等。
根据大众燃气供气输配调度的管网区域规模和监测站点数量规模，以及实际调度管理和信息管理情况，本系统采用了多种类型的通讯方式，并对不同的通讯方式进行整合，使得所有调度监测数据都可以透明地传送到供气调度室，而与采用什么样的通讯手段无关。
1．Mobitex卫星通讯：
Mobitex是一种通过基站和卫星传输数据的网络平台，建立在蜂窝移动通信技术基础上，采用分组交换传输方式。
系统由网络控制中心、交换机、基站、卫星等部分组成。
在本系统中Mobitex承担了管网测压点、部分桥管和计量站以及徐泾储配站等大部分调度区域站点的数据传输任务。
Mobitex通信链路如下所示：
由于Mobitex通过基站和卫星进行数据传输，特别是Mobitex提供了对通讯的检测和控制手段，从而使得通讯的可靠性和效率有了很大的提高。
考虑到管网监测的通讯成本，本系统对Mobitex的运行经济性作了进一步的探究。
由于Mobitex采用按信息流量计费的方式进行结算，为此，本系统各测压站点采用“逢变即报”的方式，基本的通信过程以各子站作为启动方，采用事件启动方式和时间启动方式，主站作为接收方。
压力测点的各子站（包括测压点和调压站）设置压力变化阈值，事件启动方式以压力变化过阈值作为通信启动事件，目前已配置或将要配置的仪表有满量程分别为100kPa和10kPa中压和低压变送器，均为4~20mA的输出范围，中压和低压的变化阈值分别设为1kPa和0.1kPa，压力测点PLC的现场数据采集扫描周期设定为60秒，当数值变化超过设定阈值，一方面启动通信，同时以新数值作为比较变化的基础值。
主站应定时启动对各子站的通信，以掌握各子站的通信在线状态，定时的时间间隔定为30分钟。
2．x.25公共数据交换网：
x.25公共数据交换网是比较流行的广域数据传输网，在应用技术上是没有障碍的。
本系统的x.25通讯链路定义如图所示：
3．无线扩频通讯：
部分储配站与供气调度中心的相对位置比较特殊，相距不远，但却无法直接连接通讯，经实地研究，认为采用无线扩频的方式比较合适。
本系统使用美国DataLinc集团的SRM系列扩展频谱无线电通讯系统，该无线扩频系统能在端口以最大无压缩的115.2K波特率进行数据传输，它的最大特点是直接提供TCP/IP网络协议传输数据，从而大大提高了该系统的网络兼容性。
DataLinc无线扩频的通讯链路结构如图所示。
五、调度主站系统
5.1系统主站结构
本SCADA系统调度主站采用以群集服务器为核心的Client/Server的方式。
整个调度端由两台工作内容并行的服务器为中心，数据仓库建立在海量的磁盘阵列中，通过磁盘控制器，形成完整的高性能群集服务器结构。
同时，通过交换器和100Base-T12口HUB组成调度中心局部网络，网络上可根据用户?
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鉴于供气调度室为整个输配生产系统提供信息服务的重要性，系统对调度室的主要硬件配置进行了系统的规划：
1、配置2台监控工作站，集中用于管网实时监测，并可同时多画面对输配生产的运行工况进行实时监视和跟踪，多计算机配置也加强了系统的冗余性能。
同时，配置了调度管理工作站和统计查询工作站，以强化供气调度管理的功能。
2、信息服务器采用双服务器加磁盘阵列柜的配置，系统运行证明该配置可有效的保证系统信息的安全。
3、配置性能指标较高的UPS，该UPS具有100%在线、维护方便、元件和电池可热更换，可为中心调度室提供高品质电源。
4、选用罗克韦尔自动化自动化公司的ControlLogix产品作为SCADA系统的中心通信控制器和实时数据的映像平台，ControlLogix是罗克韦尔自动化公司最具代表性的具有最新科技的产品，其中的一个核心特性是集成的网关功能，可提供不同最新网络之间的桥接，所有的网络桥接无须专门的程序就可以实现，保证了通讯的性能。
5.2系统主站的操作系统和软件平台
本着系统先进、可靠的原则，结合国际上和我国国内的软件应用状况和发展潮流，本系统调度平台的操作系统选用MicrosoftWindows2000Server（中文版）。
Windows2000Server是基于NTServer构架的工业级操作系统，在国内居于主导地位，该系列操作系统已被证实是强壮的，具有很高的运行可靠性和数据安全性，是具有代表性的主流操作系统。
Microsoft Windows2000Server其内核虽然建立在NTServer的构架之上，但在可靠性和安全性上有了更进一步的改进，是当前最先进的操作系统之一。
系统的工控平台选用著名的工业控制MMI产品RSViewSE v3.0，该产品是美国罗克韦尔自动化公司2003年推出的以MFC（微软基础级）和DCOM（分布元件对象模式）为基础的新一代网络级人机监控软件包，是第一个在图形显示中利用Client/Server构架、ActiveX，VisualBasicApplication，OPC（面向过程控制的OLE）的MMI产品，提供了分布式SCADA系统调度平台的全部功能。
作为一个著名的工控平台，其主要特点：
－－RSViewSE的Domain域控制技术，提供了网络式信息监视控制的高效方法，数据通过TCP/IP协议传输，实现互连网上的安全通信。
－－RSViewSE增强了Client/Server结构的网络功能，加强了系统的冗余安全功能。
－－具有标准程序接口的ActiveX控件，极大地丰富了RSView32应用的扩展功能。
－－采用基于MSWindows的标准图形工具，能够编制、编辑及显示画面，还提供有丰富的面向对象的图形库和动画功能，
－－项目级的安全措施给予用户多级的权限，可对所使用的显示画面、命令、标签加以不同的限制。
－－支持SQLServer或ODBC关系型数据库管理系统，也可将数据记录于ODBC支持的DBF格式的文件中。
－－可同时提供OPC数据的Client和Server功能。
供气调度室管网监测主机的系统软件配置如图7所示：
在上述配置中，RSViewSEv3.0是基于Windows2000的人机界面系统软件，RSViewSEv3.0提供强大的网络构架实时监测和趋势分析能力，通过RSViewSE操作平台调度员可以在不同的监控工作站上既能监视供气管网实时工况状态，又能通过监控工作站对供气运作实时数据进行记录处理，提供实时图表曲线，形成了以RSViewSEv3.0网络监测平台为中心的、以调度室主PLC为数据调度缓冲的、以各管网监测站点PLC为操作对象的完整构架的燃气调度SCADA系统。
RSViewSE具备严密的安全机制，调度员在工作站上进入系统操作，需要进行操作员登录、输入密码等操作，并根据不同的身份，给予不同的操作权限。
作为完整的Client/Server结构系统，RSView32/RSViewSE软件包括服务器宿主构架和客户端平台，服务器宿主平台和客户端平台，采用同一安装软件的不同网络设定进行安装，体现了系统的整体和方便性。
RSViewSE运行于系统的服务器内，由于系统所有的开发和运行文件均在服务端系统内并在服务端进行操作，用户可以在各工作站方便地对服务器进行访问，甚至可以进行远程注册登录访问。
RSViewSE客户端软件运行于网络上各监控工作站上，RSViewSE使各工作站实施了与服务器相一致的安全机制，调度员在工作站上进入系统操作，同样要进行操作员登录、输入密码等操作。
根据用户的需要RSViewSE支持将各个工作站配置成诸如：
控制操作端、报警管理端、趋势图显示端等承担不同任务的客户端。
在技术上，RSViewSE不仅支持LAN的访问，而且，可以通过Internet网进行远程客户访问。
RSView32SEver3.0是目前技术最先进、符合技术发展潮流的SCADA系统监控主站客户机/服务器结构方式。
5.3编程软件RSLogix5000
RSLogix5000是用于5000系列的处理器包括集成控制平台ControlLogix，分布式控制FlexLogix，紧凑型一体化控制CompactLogix，基于PC技术的开放式控制SoftLogix的编程软件。
RSLogix5000编程软件运行在Windows操作环境下，具有友好的引导性的使用界面、可靠的通讯、高级诊断功能等。
5.4PLC数据通讯服务软件RSLinx
RSLinx是专门为罗克韦尔自动化品牌的系列PLC产品所开发的数据通讯服务软件。
运行于Window95/98/2000操作环境下，提供自动控制系统和其它基于PC的应用软件如编程软件、HMI软件等的数据通讯驱动和接口。
其功能包括：
广泛的设备连接能力。
提供罗克韦尔自动化品牌的全系列自动控制系统连接能力。
从老的PLC-5产品到最新技术的ControlLogix集成网关系统，从自有协议到开放的现场总线协议；
提供集成网络设备浏览环境，提供驱动设置、故障诊断等功能。
提供网络、站点、DDE/OPC通讯诊断功能；OPC通讯驱动支持。
RSLinx?
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可以作为OPC服务器，向其它的OPC客户机提供应用数据存取必要的接口。
除此之外，RSLinx还提供通用DDE、FASTDDE、AdvanceDDE等多种数据通讯方式。
RSLinx提供PLC产品企业级的连通能力。
RSLinx?
?
客户机能够通过TCP/IP网络访问RSLinx网关设备，数据的通讯同样可以通过DDE/OPC实现，而且支持远程OPC应用，可以和车间级进行动态数据交换，实现数据的显示、记录、趋势图等。
5.5企业级控制数据事务处理软件RSSql
RSSql是基于WindowsNT/2000的工业事务处理系统，提供控制系统和企业级数据库系统之间的双向连接。
RSSql是罗克韦尔软件面向企业级用户的软件套件RSBizware中最基础的一个软件。
在控制系统方面，RSSql提供向RSLinx、RSView32、或者其他任何的AdvanceDDE或OPC的服务器相连接。
在企业一侧，RSSqlL可以与微软SQLServer7.0通过OLE-DB、或者与Oracle通过OracleCallableInterface （OCI），或者与任何ODBC兼容的数据库提供连接。
5.6调度监控系统上位机的设计
供气调度室的实时监测平台主要承担如下任务：
1、提供管网监测界面，实时刷新各站点的工况信息；
2、储配站监测管理及数据查询；
3、流量站计量监测及数据查询；
4、管网操作事件的记录和查询；
5、报警事件的处理、告示和记录；
6、管网实时信息的存储、统计、分析，建立管网站点信息实时数据库；
7、各站点的信息管理；
8、系统安全性管理；
根据上述任务要求，可以初步制定如下功能模块结构：
针对上述泵站管理的基本要求，本系统设计了如下监控管理功能构架：
上述框图描述了系统调度平台功能的主要部分，其中各模块功能设计分述如下：
a.主菜单界面
进入系统后，将显示如图九所示的登录界面。
在该界面上有一个红色锁状图案，提示操作员进行登录。
点击将出现如图十显示的登录对话框。
在登录对话框中，操作员左键单击“工号输入”，将会出现一个小键盘，点击键入工号，并在小键盘上确认。
同样，点击“密码输入”进行密码输入，并在小键盘上确认。
最后，在左图上左键单击确认，即完成了登陆输入工作。
如果工号与密码不匹配，则登陆失败，系统显示登陆失败信息。
如果工号与密码匹配，则登陆成功，进入如下操作界面。
登录成功后，系统显示主菜单：
（图十一）。
b.主监控平台
主监控平台应全面、准确和实时地显示整个市南燃气管网系统运行工况，作为系统的主要操作图页，其内容包括：
（1）以上海城市南区作为背景，显示各储配站、调压站、流量站和压力监测点的地理位置、燃气管网布局，并以实时数字和图形方式动态显示各站点燃气输配变化的全局性状况；
（2）通过点击主监控页面上的各站点图标，可进入该站点的分页面进行专门的监视和站点操作；
（3）储配站图标旁显示有储配站的储量、压力、压送机开机台数等关联管网调度平衡的主要工况数据，当发生储量或压力越下限时，该图标闪烁提示，同时弹出报警框；
（4）调压站旁显示有该站点的压力数值和紧急切断阀的状态，当发生管网压力越限或紧急切断阀动作时，该图标闪烁提示，同时弹出报警框；
（5）流量站旁显示有该站点的瞬时流量和本日六点（零点）起的累计流量；
（6）压力监测站应旁应显示该站点压力状态，当发生管网压力越限时，该图标闪烁提示，同时弹出报警框；
（7）当发生事故报警时，在主监控平台上弹出报警对话框，显示时间、站点、报警说明等信息，计算机发出警报声，在画面上该站点图标不断闪烁，直至调度人员确认该报警事件后，停止上述报警；
（８）系统报警页面，可查询所有的报警记录，也可分类查询相关的报警事件；
（９）在调度管理页面上，实时显示诸如气候、季节、节假日等调度相关信息，并提供调度员的输入接口。
c.站点监测窗口
每一座储配站、调压站、流量站、测压点均建立该站点对应的监测窗口，监测窗口包含以下内容：
（1）以直观的图形方式显示站点的工艺流程图，以动态图标的形式，显示诸如气柜存量、压力、瞬时流量、本日累计流量、压送机状态、切断阀状态等主要输配指标；
（2）显示站点当前通讯状态：
通讯链路正常/断开、通讯成功/失败；
（3）对该站点的遥控设备进行单设备遥控点动操作（如果有的话）的模拟面板；
（4）可对站点的某些暂时不能正确显示的误信号设置其禁用状态，此时，该信号不再上报信息，页面上以灰色标记注明，同时，当点击该图标时可以确定该信号重新运用；
（5）提供调度员设置站点输配压力的上下限限值、流量上下限限值等工艺参数的接口，调度员必须经登录后。
方可对工艺参数进行修改设定，同时也可以恢复缺省值；
（6）可设定站点正常投运状态和暂时脱离调度网络的休眠状态；
（7）每个站点均有本站点的“报警和事件记录库”和工况趋势图，实时记录报警事件和工况数据，同时记录所有工艺参数设置修改操作等重要操作事件及操作人。
这一“报警和事件记录库”可按站点分类查询。
d.储配站监测调度
在储配站监测调度界面上操作员可以看到不同储配站的实时信息：
每个站点中各储气柜的实时高度，实时储量，实时压力；整个站点中各种压机（漕宝站中有往复型压机、2D型压机；徐泾站中只有2D型压机；杨高站中有2D型压机、H型压机）的开机数量；各储配站的总储量，出口压力。
e.计量站
燃气计量参数页面使用户了解到各燃气公正站和燃气计量站的一些实时数据流量信息和工况。
如图中，各种流量、温度和压力这类模拟量信号都被用数字清楚的统计出来。
f.燃气桥管参数页面
桥管参数包括：
瞬时流速、瞬时流量、北向南小时流量、南向北小时流量、北向南日流量、南向北日流量、北向南月流量、南向北月流量、瞬时压力、瞬时温度等。
g.事件记录页面
事件记录是用户可以用来查看各类事件发生的情况。
登录是指各用户（操作员）进出系统的情况的记录；设置则是该操作员对哪些参数在什么时间进行了何种设置的记录；此外还对各储配站的报警和工况情况进行了详细的记录。
用户只要在标题栏中左键单击选择想查看的事件记录，就可以浏览对应的详细记录了。
所有的事件记录均是按时间来排序的。
h.事故报警处理
（1）站点发生压力越限或设备故障时，站点立即将事故报警上报系统主站，系统主站在接到报警事件后，弹出报警框，并发出警报声，报警框内容：
日期、时间、报警站点、报警说明。
（2）当报警事件同时发生并上报时，系统按上报接受到的次序，弹出报警框，调度员逐一点击报警框上的确认键；
（3）报警框弹出后，要求调度员按确认键确认，消除报警框，系统将记录报警事件得到确认并写库；
（4）所有报警事件均按站点分别记录在相应的站点报警库内，既可以总览全部报警事件，也可以按站点分类查询报警事件；
（5）报警事件将注明：
发生日期时间、确认日期时间、消除日期时间。
i.趋势图显示
（1）站点工况趋势图：
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