燃气站点分布式监控系统设计与实现

郝梦捷，孟祥印，宋振鹏，徐鑫凯，唐 波

（西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）

随着人类对生态环境的重视，清洁新能源的应用倍受青睐，天然气燃烧后无废渣废水产生，相对煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势，被世界各国使用。随着自动控制技术的发展和天然气使用的普及，国内已经建立了大量的分布式燃气站点，对分布式站点的集中监控与管理也逐渐受到人们的关注。

文献[1]将SCADA系统应用于大型污水处理系统中，基本实现了对数量较少、分布相对集中的大型系统的组态式监控；文献[2]将地图功能应用在监控软件中，初步解决了大跨度燃气站点的统一监控问题，但由于为实现后台数据库的有效融合，不能胜任大量分布式燃气站点的数据采集与记录，且未实现与WinCC的交互访问。对分布式燃气站点的监控始终未能实现GIS、WinCC及其自带SQL Server数据库的有效集成与交互。因此，开发出一款以SQL Server数据库为支撑的具备地图显示功能的上位机监控软件[3]，增加软件与WinCC界面的交互访问功能，以直观地对离散的天然气站点进行管理。在此，开发了基于ArcEngine组件库的GIS用户软件，以地图界面来展示站点及管线的分布；通过SQL Server数据库实现上位机与下位机数据的实时共享、报警联动；成功实现与WinCC界面的交互访问，实时曲线画面的呈现增加了用户界面的友好性。

此外，用户软件也具备必要的登录保护、图层及地图文档操作、鹰眼动态定位等基本功能，能较好地适应大数量分布式燃气站点的实时监控。目前，系统已经在现场环境中得到了成功应用，能够实现分布式站点的统一管理。

1 系统软硬件平台及总体结构构建

数据采集的控制核心选用西门子公司最新推出的S7-1214C ACDCRly PLC，该型号PLC功能强大、集成度高、抗干扰性能好、工作稳定，适宜用于对天然气调压撬的压力、温度、流量、泄露等的采集与控制。

本系统中选用TIA Portal V11进行编程，程序将5大模块功能：模拟量采集、仪表远程与本地切换处理、与WinCC通信、报警及指示、安全截断阀相关处理编在5个子程序中，由OB1中的主程序调用。PLC程序的执行流程如图1所示。

图1 PLC程序的执行流程框图Fig.1 Block diagram of PLC program

通过程序的执行，S7-1214 PLC将外部数据采集并记录在相应变量中，WinCC需要通过与PLC的通信，直接引入PLC中的变量值作为外部变量，记录在SQL Server数据库中，并将数据变化曲线等实时显示在用户界面上，以备查看。但目前西门子公司尚未推出直接用于WinCC与S7-1200系列PLC通信的驱动程序，因此本文采用OPC方式实现二者通信，实现方式如图2所示。

图2 WinCC与S7-1200系列PLC通信实现方式Fig.2 Implementation of WinCC and S7-1200 series PLC communication

基于C/S分布式监控模式，系统主要分为总体监控和各子站点分级监控结构，主要由应用层、业务逻辑层、数据服务层和通信层组成。其中，应用层主要负责和用户的友好交互；业务逻辑层作为系统的核心，主要完成数据的处理、存储与调用；数据服务层用来管理实时更新的数据，是实现数据完整性与安全性的依据；通信层主要完成数据的采集，为数据服务层提供有效的数据来源。由于监控系统跨度大，沿线需要一系列的外场设备，因此需要统一协调管理，才能保证系统可靠运行。系统包括客户端、数据库、通信机和远程终端模块，为实现跨区域的数据传输，还需要用以太网建立传输通道[4]，系统总体结构构建如图3所示。

2 地图的底图创建

2.1 地图坐标系转换原理

添加图层的同时，应为图层指定坐标系，我国测绘地图采用的是参心大地坐标系，而GPS定位解算则统一采用WGS-84大地坐标系，为了以后便于对GPS定位功能的拓展开发，此处将所有图层坐标进行转换，均采用WGS-84大地坐标系。图4是参心空间直角坐标系Sr与地球直角坐标系Se的示意图。

图3 系统的总体结构Fig.3 Overall structure of the system

图4 参心空间直角坐标系Sr与地球直角坐标系SeFig.4 Heart space rectangular coordinate system Sr and earth rectangular coordinate system Se

图中，Oe空间任意一点P的位置，在地球直角坐标系 Se（X，Y，Z）中用 Pe（x，y，z）表示，在参心空间直角坐标系 Sr（X，Y，Z）中用 Pr（x，y，z）表示。 用 Δ0=（Δx0，Δy0，Δz0） 表示参心空间直角坐标系 Sr原点 Or在地球直角坐标系 Se中的位置， 用 ωr=（ωx，ωy，ωz）表示参心空间直角坐标系Sr的坐标轴对地球直角坐标系Se的坐标轴对应的定向参数，位置坐标转换关系为

式中，R（ωr）为旋转矩阵，由沿三坐标轴旋转的数量积得出，由于定向参数 ωr=（ωx，ωy，ωz）各元素的值均很少，所以可以略去二次微小量，即：

2.2 地图底图图层的添加

由于本系统所监控的燃气站点均离散地分布在湖北省境内，故选用一张湖北省行政区划矢量图作为底图初始对象，将该图拖入ArcCatalog中，对该矢量图进行图层和图层属性的添加。

在湖北省测绘局网站中下载该省的行政区划.mxd文件作为地图的底图文件，由于该文件的分辨率较低，且本系统主要侧重于燃气站点监控，因此需要删去不必要的图层，只保留市界图层即可。主要使用ArcMap添加站点、站点仪表、管线和城市4者的属性信息，并且在地图放大和缩小的过程中，对不必要的信息进行筛选。比如站点仪表和管线图层，设置使得只有当比例尺达到1∶200，000时，才显示出来，当观察全局视图时，因为比例尺过小，所以仅仅显示省会、主要城市_湖北、站点3个图层[5]。图层的添加及信息的丰富如图5所示流程进行。

图5 地图底图图层的添加流程Fig.5 Adding process of a map layer

查找湖北省各个子站点的测绘坐标，将其转化为WGS_54坐标，在地图底图上用三角形展示站点分布。

3 监控系统软件的设计与开发

3.1 软件的基本功能设计

本系统的软件开发设计是在Microsoft Visual Studio 2010软件平台下使用C#语言进行的，C#综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率成为.NET开发的首选语言[6]。

结合用户的实际需求以及湖北省站点数量多、跨度大的实际特点，基于ArcEngine组件开发的具有GIS功能的分布式燃气站点监控软件应具有基本的登录保护功能、文件操作功能、地图浏览功能、图层管理功能、查询功能、站点搜索功能、报警弹窗功能和软件帮助功能、与WinCC的交互功能、共享后台数据库SQL Server功能等[7]，具体的软件功能设置如图6所示。

图6 软件功能框图Fig.6 Software function block diagram

3.2 软件的基本功能开发

3.2.1 鹰眼图导航功能的开发

在VS平台下引用ArcEngine组件进行集成二次开发，将图6功能框图中所列的功能基本实现，以鹰眼图导航功能为例，介绍其开发程序流程如图7所示。

图7 鹰眼图导航开发流程Fig.7 Eagle eye map navigation development process

以上流程图实现了当在鹰眼图中按下鼠标左键时，主地图以左键点击的坐标为中心显示，当在鹰眼图中按下鼠标右键并画一矩形框时，主地图将矩形框范围全图显示。带有报警弹窗功能的软件界面如图8所示。

图8 软件界面鹰眼及自动弹窗报警功能展示Fig.8 Display of the software interface and automatic alarm function

3.2.2 实时条件查询SQL Server数据库功能开发

站点信息数据及管线采集量实时数据均被记录在SQL Server数据库中，在VS界面中，添加dataGridView控件作为引入SQL Server数据库中数据的容器，输入查询条件后，点击“查询”按钮开始执行查询命令，将符合条件的数据表作为dataGrid-View的数据源展现出来，用户即可浏览查看[8]。通过C#代码，实现与SQL Server数据库交互进行数据的查询及实时显示[9]，站点查询界面如图9所示。

图9 站点信息查询界面Fig.9 Interface of site information query

3.2.3 用户软件与WinCC界面交互功能开发

在VS 2010中开发的软件具有强大的数据查询功能，但是纯数据的展现不能给用户直观的数据变化概念，而WinCC的AxOnlineTrendControl控件具有强大的实时曲线显示功能，只需对控件与采集的瞬态变量进行绑定即可，这对于各个站点的瞬时变化数据的观察具有重要意义。

在软件主界面中点击“查询”菜单的“实时数据变化曲线”子菜单，同时在VS 2010中拖入process组件，在设置向导中添加需要启动的WinCC应用程序，通过上述单击事件来触发，调出WinCC站点实时数据变化监控总界面，总界面中包括所有站点，用户点击相应站点，即可进入对应站点所采集的实时数据变化曲线图。

4 监控系统应用实例及测试

系统测试侧重于监控数据的实时性、可靠性、以及数据库融合的程度。测试是基于工业应用现场来进行实验的。点击站点1按钮，进入站点1实时数据采集曲线图，如图10所示，将数据变化与现场仪表值进行对比，统计监测数据的滞后时间、报警延时、数据误码率等，测试结果如表1所示，已达到系统指标要求。

图10 站点1实时数据采集曲线图Fig.10 Site 1 real-time data acquisition curve

表1 监控系统功能测试结果Tab.1 Test results of the monitoring system function

5 结语

开发了基于ArcEngine组件库的GIS用户软件，成功地将地图功能应用到分布式燃气站点的监控中，为多站点、管线跨度大的燃气系统监控提供了极大便利。充分利用WinCC数据采集与曲线监控的功能，GIS强大的地图功能以及SQL Server数据库的大数据记录功能，巧妙地将WinCC、GIS与SQL Server融合，使得所开发系统初步集成了数据采集、历史记录与界面监控功能。经测试，系统实时监测性较好，但在智能化方面仍有不足，后续可采用专家系统优化，GIS的引入也为后续进行GPS定位功能的开发奠定了基础。

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