于 歡，周 聰

(北京市煤氣熱力工程設計院有限公司，北京 100032)

1 概述

對于燃氣計量器具的檢定，相比空氣流檢定方式，天然氣實流檢定更準確，應用更廣泛。目前國內的實流檢定站多服務于壓力級制10 MPa及以上計量儀表的檢定，適用于城鎮(zhèn)燃氣計量儀表的實流檢定市場需求很大。建設城鎮(zhèn)燃氣領域的計量檢定站，適應我國燃氣流量量值溯源體系建設和國家計量管理體制的要求，有利于技術進步。為從根本上保證檢定站的正常、安全、智慧運行，需要建立一套穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟、靈敏、完善的安全管理監(jiān)控平臺和體系。本文結合智慧控制功能，對城鎮(zhèn)天然氣實流檢定站(簡稱檢定站)內的燃氣工藝系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安防及報警系統(tǒng)進行探討。

2 檢定站工藝流程與基礎系統(tǒng)

檢定站氣源接自高壓A(設計壓力4.0 MPa)天然氣管網(wǎng)。工藝流程為：天然氣經(jīng)過濾、計量、調壓穩(wěn)壓后，首先進入檢定區(qū)的待檢流量計，之后進入移動車載檢定裝置區(qū)的標準表流量計，兩流量計的計量結果相對誤差在允許范圍內，表示待檢流量計計量精度符合要求，否則需調校后重新檢定。再次檢定仍不合格，按照報廢處理。天然氣出站壓力為高壓B(設計壓力2.5 MPa)，出站后進入下游天然氣管網(wǎng)。

檢定站主要包含燃氣工藝系統(tǒng)、配電及照明系統(tǒng)、安防及報警系統(tǒng)。安防及報警系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、周界入侵報警系統(tǒng)、可燃氣體報警系統(tǒng)。

3 檢定站智慧控制系統(tǒng)集成設計

3.1 設計概述

檢定站智慧控制系統(tǒng)(簡稱智慧系統(tǒng))利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過各種網(wǎng)絡，把燃氣工藝、配電、照明、安防及報警不同系統(tǒng)和不同智能化設備實現(xiàn)統(tǒng)一集成，檢定站內任一系統(tǒng)節(jié)點都可與智慧系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)系，通過匯集分析各種數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)高效、便捷的集中自動化管理，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的交流共享。檢定站借助智慧系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守，上級調度中心管理人員通過該系統(tǒng)監(jiān)視檢定站運行參數(shù)，并在權限范圍內輔助站內設備運行。

檢定站智慧系統(tǒng)見圖1，圖1下虛線框內設備和線纜設置在檢定站內。首先將反映燃氣閥門、燃氣設備、配電設備、燈具、監(jiān)控感應設備等狀態(tài)的數(shù)據(jù)，以及各種探測器或傳感器的檢測數(shù)據(jù)，通過控制面板、控制模塊、I/O模塊實現(xiàn)初步整合，與移動車載系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)一起，分別上傳至智慧燃氣工藝RTU控制系統(tǒng)(簡稱RTU控制系統(tǒng))、智慧配電系統(tǒng)、智慧照明系統(tǒng)和智慧安防及報警系統(tǒng)。這4個系統(tǒng)通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)控制器，物聯(lián)網(wǎng)控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、控制、儲存、處理等指令，并配合其他設備實現(xiàn)大屏顯示、計算機記錄、打印、手機APP(工作人員隨身攜帶)和觸摸屏的移動端顯示，并與上級調度中心進行遠程數(shù)據(jù)通信。

智慧系統(tǒng)具有開放性和連通性。通過合適的硬件配置和搭建，將檢定站內各系統(tǒng)集成，達到集中顯示、連鎖、控制的功能，減少運營成本，針對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集孤立以及難以聯(lián)動的問題，提出了有效的解決方案，并達到智能、高效、安全、節(jié)能、環(huán)保的目的。

圖1 檢定站智慧系統(tǒng)

智慧系統(tǒng)主要功能包括：保證正常生產過程持續(xù)、高效運轉，調度人員及時了解當前檢定站運轉情況。通過快速傳遞并反饋設備信息，實現(xiàn)快速定位、業(yè)務處理和故障修復。降低各種故障停機時間，延長檢定系統(tǒng)高效率生產時間。實現(xiàn)電能等能源節(jié)約，精確計量。提高計量檢定系統(tǒng)工作效率，增強檢定能力。保證廠區(qū)內照明相關要求，實現(xiàn)智能控制，因需調節(jié)。安防及報警滿足值守要求，系統(tǒng)反饋靈敏，安全可靠。

3.2 各系統(tǒng)設計

3.2.1RTU控制系統(tǒng)

RTU控制系統(tǒng)依據(jù)功能性、實用性、可維護性、可拓展性、安全性等設計原則，選擇技術成熟、性價比高、功能適當?shù)目刂葡到y(tǒng)，完成對進出站閥門區(qū)、過濾區(qū)、進站計量區(qū)、穩(wěn)壓系統(tǒng)區(qū)、移動車載檢定裝置、檢定區(qū)、分流區(qū)、流量調節(jié)區(qū)和調壓計量區(qū)內數(shù)據(jù)的采集和控制。

主要檢測控制內容：高壓A天然氣進口進行壓力、溫度檢測和顯示，并設置超高、超低報警；在過濾器處設置壓差變送器，監(jiān)測天然氣流通情況，并設置壓差超高報警；進站計量區(qū)進行高壓A天然氣流量檢測；高壓A天然氣經(jīng)調壓、穩(wěn)壓、分流及流量調節(jié)后，穩(wěn)定在檢定工藝所需工況；高壓B天然氣出口進行壓力、溫度檢測和顯示，并設置超高、超低報警；記錄、顯示燃氣管道上重要球閥的閥位開關狀態(tài)信號，并實現(xiàn)遠程控制；單獨設置移動車載檢定裝置控制系統(tǒng)監(jiān)測運行參數(shù)并完成相關工藝流程，預留與RTU控制系統(tǒng)的通信接口并具有開放通信協(xié)議，同時移動車載檢定裝置控制系統(tǒng)可接收RTU控制系統(tǒng)的相關參數(shù)及指令；檢定區(qū)根據(jù)待檢流量計口徑不同設置多條檢定線路，RTU控制系統(tǒng)設定自動切換檢定線路的功能，同時配合起重機根據(jù)口徑自動選擇檢定線路并實現(xiàn)自動吊裝，天然氣以實流方式通過檢定區(qū)，對已吊裝流量計進行檢定。RTU控制系統(tǒng)電源模塊為冗余配置，考慮以后的擴展功能，I/O模塊數(shù)量結合現(xiàn)有規(guī)模留有一定余量，同時預留與其他設備信號的接口。

3.2.2智慧配電系統(tǒng)

智慧配電系統(tǒng)主要采用兩種模式：智慧終端設備模式和智慧配電柜(屏)模式。

智慧終端設備模式：根據(jù)實際需求確定功能范圍，在配電支路加裝智慧終端設備(如電量采集器、溫控器等)以及配套智慧電流互感器，之后將電量采集器、溫控器等智慧終端設備采用有線或無線方式接入獨立智慧配電控制器。智慧終端設備根據(jù)自身的數(shù)字化功能進行相應配電支路的監(jiān)控管理，智慧配電控制器根據(jù)系統(tǒng)詳情進行網(wǎng)絡搭建，確定組網(wǎng)及拓撲圖，最終實現(xiàn)電壓、電流、功率等多方面精細化保護。此模式適用于對普通配電系統(tǒng)的改造項目，智慧配電控制器可接入值班室計算機和顯示屏，可操作性強且較經(jīng)濟。

智慧配電柜(屏)模式：結合不同設備負荷情況，綜合考慮各種配電柜(屏)型號規(guī)格、支路配電、相關參數(shù)配置及智慧配電控制器需求，確認一體化智慧配電方案。配電支路開關、熔斷器等選擇具有信號上傳功能的設備，通過相關儀表采集配電回路的電壓、電流、諧波質量數(shù)據(jù)、回路的通斷狀態(tài)、電流狀態(tài)、接地和防雷設備狀況等數(shù)據(jù)，上傳至智能配電柜(屏)。智慧配電柜(屏)內設置PLC或其他智慧控制器，通過數(shù)據(jù)采集來智能調節(jié)相關支路設備的頻率、啟停，對設備運行質量進行監(jiān)控和狀態(tài)統(tǒng)計。智慧配電柜(屏)配套液晶顯示，觸控設計，采用安全防漏電形式，可實現(xiàn)遠程控制。此模式適用于新建的配電系統(tǒng)，可實現(xiàn)配電支路以及系統(tǒng)的高度智慧管理。

兩種模式均應用廣泛。在安全運行方面，智慧配電系統(tǒng)對異常狀態(tài)預警并可及時保護，尤其是具有電氣火災監(jiān)控功能，可有效降低故障發(fā)生率，提高安全運行時間。在節(jié)約用電方面，智慧配電系統(tǒng)根據(jù)完備的能耗管理系統(tǒng)，對各設備運行進行模擬測算和精細管理，減少能耗成本。在運維管理方面，智慧配電系統(tǒng)提供本地、遠程不同控制途徑，大大減少人力需求，降低成本的同時提高管理效率，實現(xiàn)集中管理控制，簡化工作內容。

3.2.3智慧照明系統(tǒng)

燈具不僅作為照明設備，也是智能探測和網(wǎng)絡通信的節(jié)點，具有節(jié)能照明、數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布等功能。智慧燈具可配套GIS定位功能，對每盞燈具進行定位和編碼。在燈桿上裝設攝像頭、環(huán)境傳感器等，對是否有人或車輛經(jīng)過實現(xiàn)自動監(jiān)測，同時根據(jù)實時狀態(tài)調節(jié)燈的亮度，實現(xiàn)光照調控，提高節(jié)能效果。對檢定站內空氣質量、溫度、濕度、噪聲等進行監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進行記錄以便實施相關參數(shù)控制。在個別燈桿上安裝LED顯示屏，發(fā)布檢定站信息。

3.2.4智慧安防及報警系統(tǒng)

對視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁控制系統(tǒng)、各種報警系統(tǒng)實施遠程監(jiān)控，包括查看數(shù)據(jù)參數(shù)、安全狀態(tài)、監(jiān)控圖像以及配套連鎖控制等。通過無線傳感器、視頻數(shù)據(jù)采集等設備，對實時數(shù)據(jù)采集分析，結合錄入資料、典型區(qū)域調查，對監(jiān)測預警系統(tǒng)以及監(jiān)測參數(shù)合理設置。對各種設備、車輛、現(xiàn)場人員定位，定位系統(tǒng)一般基于 GIS、GPS等技術，一旦監(jiān)控范圍內發(fā)生工藝設備故障或其他突發(fā)事件，調度人員可及時并直觀知曉事件發(fā)生的具體情況，派最近的現(xiàn)場人員快速到達現(xiàn)場處理。手機等終端設備可幫助現(xiàn)場人員第一時間將信息傳遞給調度中心，同時結合應急報警按鈕、語音對講及求助信息圖像采集等功能，便于調度中心及時回應并提供解決方案。

4 智慧云系統(tǒng)架構

檢定站智慧系統(tǒng)作為本地子系統(tǒng)，實現(xiàn)檢定站內各系統(tǒng)的智慧控制連鎖功能?；谖锫?lián)網(wǎng)技術，各不同檢定站智慧系統(tǒng)信息匯總后與上級調度中心進行遠程數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)絡集成在智慧云系統(tǒng)上，見圖1。檢定站借助智慧系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守，上級調度中心管理人員通過智慧云系統(tǒng)監(jiān)視管理范圍內所有檢定站運行參數(shù)和狀態(tài)，并在權限范圍內輔助站內設備運行。

智慧云系統(tǒng)需要采用架構搭建和通信網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制和傳輸，二者是系統(tǒng)正常運行的關鍵。系統(tǒng)架構整合環(huán)境感知、定位巡查、集中管理等資料，通過通信網(wǎng)絡的輔助與連接，將語音、數(shù)據(jù)、文檔等不同形式信息在高效渠道中進行傳遞和處理，不僅可以實現(xiàn)各子系統(tǒng)信息的采集與整理，還能有效實現(xiàn)各功能模塊的協(xié)調。

智慧云系統(tǒng)需要構建硬件平臺和軟件平臺，主要完成信息收集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回傳以及決策支持等功能。硬件平臺是功能基礎配件，按照網(wǎng)絡橫向組成劃分，包括感知節(jié)點、傳感網(wǎng)、核心承載網(wǎng)和信息服務終端等。軟件平臺是功能神經(jīng)主體，建立在分層的通信協(xié)議體系之上，通常包括數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)軟件、中間件系統(tǒng)軟件、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)等。

智慧云系統(tǒng)架構主要包括感知層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)智能處理層和應用層,見圖2。

圖2 智慧云系統(tǒng)架構

感知層將探測器或傳感器、RFID感應器、條碼識讀器、控制器等檢測或識別的數(shù)據(jù)通過M2M終端、傳感網(wǎng)、控制網(wǎng)等各種短距離通信網(wǎng)絡傳輸至網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層由各種無線或有線網(wǎng)關、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，實現(xiàn)感知層與數(shù)據(jù)智能處理層數(shù)據(jù)及控制信息的雙向傳送。數(shù)據(jù)智能處理層實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的核心技術，通過遠程調度、集控、云存儲或計算等手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、存儲、查詢、分析、挖掘、理解，是應用層的重要數(shù)據(jù)支持，二者實現(xiàn)緊密的信息接收與反饋。應用層包括支撐子層和智慧云系統(tǒng)應用，其中支撐子層為智慧云系統(tǒng)應用提供通用支撐服務和能力調用接口[1]。

結合圖1與圖2，檢定站智慧系統(tǒng)作為感知層的一個感知節(jié)點，完成數(shù)據(jù)信息采集后上傳至智慧云系統(tǒng)。智慧云系統(tǒng)作為云端可輻射多個檢定站智慧系統(tǒng)，采用集散控制將指令或決策發(fā)送給每個檢定站智系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)控制器，借助于射頻識別技術、傳感技術、通信技術、云計算等收集完整信息，通過網(wǎng)絡通信端口將不同物聯(lián)網(wǎng)控制器與智慧云系統(tǒng)連接。智慧云系統(tǒng)數(shù)據(jù)智能處理層可引入空間位置信息、身份信息等相關功能軟件，通過相關技術將不同檢定站的所有信息進行整合、分類與重組，更加客觀、清晰地表達空間邏輯關系，配合身份識別系統(tǒng)、手機APP、觸摸屏等, 實現(xiàn)人員、設備等信息顯示和功能交互，并通過網(wǎng)絡層，有效精確地完成生產管理技術指導，最終實現(xiàn)智慧云系統(tǒng)下燃氣工藝自動控制、配電自動分配、能源節(jié)約、人力精細統(tǒng)籌、權限設定、安全管理等智慧應用。

5 通信網(wǎng)絡要求

智慧系統(tǒng)和智慧云系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡主要分為有線通信和無線通信。有線通信包括以太網(wǎng)、串口通信等。無線通信分為近距離無線通信、短距離無線通信和長距離無線通信。檢定站按照易燃易爆環(huán)境考慮，建議RTU控制系統(tǒng)采用并行排列且抗干擾能力強的工業(yè)總線通信網(wǎng)絡，通過I/O端口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，既確保通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定、實時傳輸準確、容錯性好，又極大降低后期的維護成本。

智慧系統(tǒng)和智慧云系統(tǒng)均支持BACnet、Modbus等標準協(xié)議及Java、Web等開放IT技術，根據(jù)具體設備協(xié)議開發(fā)相應驅動，對私有協(xié)議實現(xiàn)開發(fā)集成，同時對行業(yè)內大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也提供支持。在設備方面做冗余設計，采用擴展技術在不同地點增加現(xiàn)場控制器及操作終端，同時不影響現(xiàn)場正常操作。