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1  前言

    工控技術(shù)的日臻成熟，通訊技術(shù)的突飛猛進(jìn)，IT技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的誕生與普及，改變了傳統(tǒng)的信息交互方式，引導(dǎo)人類進(jìn)入一個(gè)全新的信息時(shí)代。隨著各種技術(shù)的不斷進(jìn)步，管道行業(yè)自動化和信息化建設(shè)也發(fā)生了革命性的變化。

    在大量的工程實(shí)踐的過程中，筆者越來越感覺到工控與軟件數(shù)據(jù)和信息無法共享為客戶帶來的不便與麻煩，同時(shí)也無法認(rèn)同國外幾大公司將軟件嵌入工控產(chǎn)品中去的做法，筆者認(rèn)為最佳的解決辦法應(yīng)該是軟件與工控實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)級的集成，同時(shí)軟件與工控等產(chǎn)品是可拆可合的，根據(jù)客戶的需求隨需而選，因人而變。基于以上的客戶需求和公司產(chǎn)品設(shè)想，筆者提出了長輸管道網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的整體解決方案。整體解決方案分為三層，最上層為管理信息系統(tǒng)平臺，可根據(jù)客戶的要求為客戶選用不同的軟件產(chǎn)品和解決方案。所有系列軟件產(chǎn)品都可將地理信息系統(tǒng)與應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)無縫集成，同時(shí)也可根據(jù)客戶的需要定制特色功能模塊；中間層是組態(tài)軟件和仿真、檢測軟件等產(chǎn)品，組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集和存儲、界面監(jiān)控、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)等功能，仿真、檢測軟件通過采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)仿真、預(yù)測、檢測和報(bào)警的功能；最底層為控制終端，包括PLC、RTU、DCS、智能儀表、數(shù)據(jù)采集卡等控制單元。

    解決方案整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  解決方案結(jié)構(gòu)圖

        MIS系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)相結(jié)合，成為集自動化控制、仿真模擬及信息管理于一體的統(tǒng)一平臺，MIS系統(tǒng)可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要調(diào)用仿真系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算后的仿真結(jié)果，MIS系統(tǒng)接收并保存從在線仿真系統(tǒng)中提取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，MIS系統(tǒng)提取并保存SCADA系統(tǒng)中的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為管理信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、業(yè)務(wù)管理需要和決策支持；仿真系統(tǒng)提取SCADA系統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為仿真、預(yù)測、檢測等仿真操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2  SCADA系統(tǒng)

2.1  SCADA系統(tǒng)簡介

        SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等各項(xiàng)功能。SCADA系統(tǒng)，由工程定義文件、組態(tài)軟件、控制設(shè)備三個(gè)方面構(gòu)成。工程定義文件，是關(guān)于SCADA系統(tǒng)監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)映射、設(shè)備定義和連接、體系結(jié)構(gòu)的綜合性描述；控制設(shè)備由PLC、RTU、智能儀表、多功能板卡等構(gòu)成，是SCADA系統(tǒng)的采集和執(zhí)行終端；而軟件平臺，則是工程定義和運(yùn)行的環(huán)境，它的性能和功能，本質(zhì)上決定了SCADA系統(tǒng)的性能和功能。因此可以說，組態(tài)軟件是SCADA系統(tǒng)的核心和靈魂。

        SCADA系統(tǒng)平臺最突出的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)、多任務(wù)。例如，數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲、檢索管理、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)要在同一臺計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行。

2.2  組態(tài)軟件主要研究內(nèi)容

        (1)  如何與采集、控制設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；

        (2)  使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)圖形畫面上的各個(gè)元素關(guān)聯(lián)起來；

        (3)  處理數(shù)據(jù)報(bào)警和系統(tǒng)報(bào)警；

        (4)  存儲歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢；

        (5)  各類報(bào)表的生成和打印輸出；

        (6)  為使用者提供靈活、多變的組態(tài)工具，可以適用不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求；

        (7)  最終生成的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；

        (8)  第三方程序的接口，方便數(shù)據(jù)的共享。

        從以上的研究內(nèi)容可以看出，為了滿足工控工程對組態(tài)軟件的要求，組態(tài)軟件應(yīng)具有實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開放、使用靈活、功能多樣、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。

2.3  組態(tài)軟件的功能模塊

圖2  組態(tài)軟件功能模塊圖

        從組態(tài)軟件的功能來看，其主要包括基本功能模塊和專用功能模塊，圖 2為組態(tài)軟件功能模塊圖，基本功能模塊如下。

        (1)  應(yīng)用程序管理器：實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的建立、管理、存檔等工作；

        (2)  圖形界面開發(fā)程序：實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序圖形界面的編輯、變量管理、動畫連接的控制；

        (3)  圖形界面運(yùn)行程序：工程執(zhí)行的用戶主界面，是監(jiān)控工作人機(jī)交互的用戶接口；

        (4)  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組態(tài)和運(yùn)行程序：實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的輸入輸出、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲、歷史數(shù)據(jù)的維護(hù)；

        (5)  I/O掃描及驅(qū)動程序：實(shí)現(xiàn)控制終端與應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的交互；

        (6)  數(shù)據(jù)開放性接口：主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)開放性，是第三方應(yīng)用程序以標(biāo)準(zhǔn)的方式訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

        其它功能模塊包括：

        (1)  長輸管道站控模塊：用于長輸管道站級控制系統(tǒng)的定制開發(fā)；

        (2)  長輸管道中心控制模塊：用于長輸管道控制中心級控制系統(tǒng)的定制開發(fā)；

        (3)  長輸管道圖庫及開發(fā)工具：針對長輸管道工程控制設(shè)備的專用圖庫及工具；

        (4)  分布式體系模塊：實(shí)現(xiàn)了軟件架構(gòu)對TCP/IP、串口網(wǎng)絡(luò)的支持。

3  仿真軟件

        天然氣管道仿真軟件用天然氣管道系統(tǒng)模型（描述系統(tǒng)的行為特征）對真實(shí)或假想的管道系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等對模擬結(jié)果進(jìn)行分析研究，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理提供支持。該系統(tǒng)具有如下功能：(1) 可以模擬管道和設(shè)備的運(yùn)行操作；(2) 可以預(yù)測諸如爆管、設(shè)備故障或其他的事故時(shí)所采取的不同的控制策略。該系統(tǒng)通過計(jì)算流體在管網(wǎng)中不同時(shí)間的壓力、流量、密度、溫度以及其他的參數(shù)變化規(guī)律來進(jìn)行模擬仿真，通過打印報(bào)告和圖表的方式輸出結(jié)果。

        天然氣管道仿真軟件的主要研究內(nèi)容：

        (1)  建立通用的完整的管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；

        (2)  管道動態(tài)仿真的數(shù)學(xué)模型，即運(yùn)行參數(shù)的擾動沿距離的傳播隨時(shí)間的演變；

        (3)  邊界點(diǎn)參數(shù)的求解，如站內(nèi)設(shè)備的特性方程以及設(shè)備之間的相互作用。

3.1