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基于SCADA原理的城市燃气管网安全监控系统的设计与实现.pdf

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山尔人学硕十学付论文__-l_--______l__●_●l__--l__l__l___-_-__II●__●●l●I_-●●__lII-_ABSTRACTwitll the completion ofthe west--cast natural gas projoct.OUr country goes into allera when natural gas iS used in cities.To ensUre municipal natural gas pipeline to runin a safe.even and effcctive way,it becomes a vital part of the safe production for themunicipal gas corporations to∞t up a set of pipe networks monitoring system whichiS used for the automatic collection,arrangement,conveyance,analysis,classificationand storage of the networks’running ination and pipe networks conditions andthe intemal management ofthe gas corporations.ThiS system.which iS based on the basic principles of SCADASupervisoryControl and Data Acquisitionsystem.iS a comprehensive municipal gas networksmonitoring system for safety,which combines modem measuring technique,computertechnique,GPRS wireless grouping data communication technique,configurmionsoRware technique,distributive computer networks and largescale relation databasetechnique.It can be used t0 build mathematical model ofthe running state ofthe pipenetworks,to simulate the real operational conditions of the networks using real-timedata,to calculate runGiT,stock,temperature.pressure and distributing state in everysegment of the pipe.It can also be used to find out the running perance of thenetworks through systematic analysis.to predict future supply.demand situation andthe leaking situation of the natural gas pipe networks,to optimize the conveyalice ofthe gas.,Because the quantities of the gas supply per day of the gas corporation present awavy distribution in time and the consuming quantities change fast,the system has ahigh demand on the real-time property of the networks data.Furthermore.themunicipal networks distributes vast,with its large quantities of collection points andsome in remote areas.It becomes a parameter clause for the system’successfuloperation to convey the data collected from the monitoring points to the controllingcenter in a realtime and citective way.GPRS wireless data grouping service iS chosenas the optimum communication means through the comparison between such wiredcommunication means as DDN。ADSL,ISDN,PSTN and optical cables and suchwireless communication means as super short·wave station,microwave。spreadspectrum,satellite,GSM short messages and GPRS data grouping service incommunicational principles,technical characteristics,systematic stability,systematiccost,install characteristics and running expenses.In this test,we study the development of RTURemote Terminal Unitconfiguration software。the treatment of the GPRS wireless data terminal and GPRSintemet data attachment protoc01.the interconnect designment of the GPRSchanging center and its data controlling center’the intemet cutover of the data centerand the designment of the applied software in conveying process,the development ofthe person.computer interface configuration software ofthe controlling center and thetransfer of the relational database.We discuss the conveying of the data frommany GPRS data terminal tO the data-controlling center,the sending protocol of thedata and controlling orders and the packetization ofthe data in跹important way.2KeywordsSCADA system,General Packet Radio Service,Natural gas pipeline·山东人学硕学付论文第一章绪论1.1研究背景1.1.1 SCADA系统的研究现状“7Ⅲ8姗1SCADASupervisory ControlAnd DataAcquisition系统,即数据采集与监视控制系统。一般由MCCMain Control Center调度控制中心1、RTURemote TerminalUnit远程终端监控站以及通信系统组成。SCADA系统的应用领域很广,它可以应用于管道燃气系统、电力系统、给水系统、石油、化工等领域的生产过程数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统与电气化铁道上又称为远动系统。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。可以对现场的运行设备进行监视和控制,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA系统自诞生之同起就与计算机技术的发展紧密相关。SCADA系统发展到今天已经经历了三代。第一代是基于专用计算机和专用操作系统的SCADA系统,即PC板卡。这一阶段是从计算机运用到SCADA系统时丌始,到上世纪七十年代。第二代是上世纪八十年代基于通用计算机的SCADA系统PcPLC,在第二代中,广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站。操作系统一般是通用的UNⅨ操作系统。第一代与第二代SCADA系统的共同特点是基于集中式计算机系统,并且系统不具有丌放性,因而系统维护,升级以及与其它联网构成很大困难。第三代是上世纪九十年代_丌始的,按照丌放的原则,基于分布式计算机网络以及关系数掘库技术的能够实现大范围联网的SCADA系统。第三代的特点是PCR1U,这一阶段是我国SCADA系统发展最快的阶段,各种最新的计算机技术都汇集进SCADA系统中。它形成了以分布式计算机网络与大型关系式数掘库技术应用为特征的模式。SCADA系统在不断完善,不断发展,其技术进步一刻也没有停止过。当今,随着各行业对SCADA系统需求的提高以及计算机技术、移动通信技术、Interact技术的发展。第四代SCADA系统的基础条件己经具备。该系统的主要特征是采用移动通信技术、Intemet技术、面向对象技术、神经网络技术等技术,继续扩大scADA系统与其它系统的集成,综合安全经济运行以及商业化运营的需要。山东人学硕十学伊论文1.1.2天然气管网SCADA监控系统的组成㈨‘22m部4天然气管网SCADA监控系统结构见图1.1。幽I-I SCADA系统组成山东大学硕学傍论文有上图可知,城市天然气输配管网监控SCADA系统主要由如下三部分组成1调度控制中心Mcc ’ .调度控制中心是整个城市燃气输配管网SCADA系统的调度指挥中心,调度控制中心有网络连接的服务器、工作站及通信处理机等设备,完成采集数据的处理、显示、报警、WEB发布等.2远程终端站R俐主要包括门站、压力调节站、重点工业用户专用压力调节站,管网关键数据监测点。远程终端站完成对管网和站场的工艺过程、控制设备的数据采集、校制、天然气流量计算等.每个子站可独立完成本站范围内现场数据的监测和控制,并通过通信系统与调度控制中心进行实时数据交换。3通讯系统远程终端站通过通信系统将所采集的数据上传到调度控制中心,并执行和接受调度控制中心的指令,接受MCC的监督及管理。SCADA系统运行是否良好,通讯系统起到至关重要的作用.1.2本课题的研究对象“叭”舵’本课题是以我市港华燃气公司的天然气管网安全监控系统作为研究对象而展开的。为加快我市政建设的现代化进程,更好地服务于广大民众,降低生产运营成本和安全事故隐患,提高我市燃气公司的形象,同时结合市内管道煤气换装管道天然改造工程,港华燃气公司在2005年5月份决定投资兴建天然气管网安全监控信息系统。市内天然气管道结构形式为管道成树状结构,只有一处入口,它自中石油山东天然气输气管道降压接入,经市天然气主管道进入城区,该段长21050米,二次降压后分为三条一级支路市内主干管线,一级支路第三次降压后分成二十七条二级支路,级支路第四次降压后进入各生活小区,再进入干家万户。站点设置为1总进气口减压站一座。2三条一级支路入口减压站三座。3二十七条二级支路入口减压站十七座。4各生活小区及主要用气单位,减压站五十三座.生产运行情况是中石油山东天然气输气管道每天二十四小时都以恒定的速度向市内天然气管网送气,而燃气公司的生产特点是日供气量在时间上星波浪状分布,高峰时段用气量与低谷时段用气量相比达数十倍,市内管道天然气一般无山东大学硕学臂论文独立的储气设备,它是利用天然气管道内压力较高,并选用相对较耜的输气管道,直接在输气管道内储存,所以管道内天然气压力变化较大.因此对天然气管网安全监控系统的要求为1对天然气输配管网的运行状态建立数学模型,用实时数据来模拟管网实际的运行情况,求解管网中各管段流量、管存量、温度、压力和气体的分布状态.通过系统的分析了解管网运行性能,预测未来供需情况和天然气输送管网的泄漏情况,实现燃气输配计划的优化,提高经济效益,该系统必须是模块化系统架构,能适应未来管网扩展和新增功能要求。2实时监控七十三座压力调节站的八十五个采样点的出口压力,入口压力与流量。防止压力过高或过低的债况出现。3建立中心调度室一处,实施对全系统的监控。1.3本文所做的研究n6m81叫本课题的目的是根据燃气行业的特点,从分析现阶段计算机硬件技术、网络通信技术、计算机软件入手,本着可靠、实用、先进、安全、经济的原则,研究和设计一套业内处于领先水平的城市燃气SCADA系统。本文在总结了国内外燃气行业SCADA系统的成功失败的经验基础上,结合潍坊市天然气输配系统的实际情况把SCADA系统的设计分成三部分。在远程终端站的设计中,基于可靠,安全、可扩展等原则阐述了选型、硬件设计、软件组态、生产现场的浪涌保护措施。在通信系统中设计了实用的通信方法与通信机制,采用了执行UDP/IP网络协议的GPRS数字DDN的通信方式,强化了通信系统的能力.在调度控制中心的设计中通过分析、运用分布式计算环境结构、组态软件技术、大型关系数据库技术,最终构成了调度控制中心以客户机/服务器、浏览器/服务器混合的三层计算结构.SCADA系统是一个涉及多学科的计算机信息系统,通过对成燃气公司SCADA系统的设计,作者对这几个学科加深了认识并对下一步目标做了展望。6山东大学硕十学伊论文2.1 6PRS系统概述2.1.1概述n儿2m鄙第2章GPRS系统简介移动通讯和因特网的发展,使得人们对数据通讯,特别是无线数据通讯提出了越来越高的要求.GSM网络是为传输语音而设计的,传输速度率仅为9.6kbit/s。难以满足中、高速数据业务的要求。为适应这一情况,GSM推出了一种高速移动数据业务规范GPRSGeneral Packet Radio Service通用无线分组业务。GPRS是一种基于GSM的新型移动分组数据承载业务,是GSM Phase2阶段实现的内容之一,是GSM网络向第三代移动通讯严谨的第一步。是由英国BTCellent公司在1993年提出的,是一种基于分组交换传输数据的高效方式,从而为移动用户提供高速无线IP和无线x.25业务。GPRS不妨碍用户的其他GSM业务.GPRS采用分组交换技术,它可以让多个用户共享某些固定的信道资源.如果把空中接口上的TDMA帧的8个时隙都用来传送数据,那么数据速率最高可达171Kbit/s。GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用,也可以被GPRs数据业务占用.当然在信道充足的条件下,可以把一些信道定义为GPRS专用信道.要实现GPRS网络,需要在传统的GsM网络中引入新的网络接口和通信协议。目前GPRS网络引入GSNGPRS Supporting Node节点。则移动台必须是GPRS移动台,或GPRS/GSM双模移动台。2.1.2 GPRS的主要特点Ⅲ龇“11GPRS采用分组交换技术,高效传输高速或低速数据和信令,优化了对网络资源和无线资源的利用。2定义了新的GPRS无线信道,且分配方式十分灵活,每个TDMA帧可以分配为l到8个无线信道。每个无线信道能为每个活动用户所共享,且向上链路和向下链路的分配是独立的。3支持中,高速率数据传输,可提供9.05一一171.2kbit/s的数据传输速率每用户。GPRS采用了与GSM不同的信道编码方案,定义了CSI,cS一2,cS一3和CS-4 4种编码方案。4GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。5GPRS支持基于标准数据通信协议的应用,可以和IP网、X.2.5网互联互通。支持特定的点到点和点到多点服务,以实现一些特殊应用如远程信息处理,7山东大学硕十学仲论文GPRS也允许短消息业务SMS经GPRS无线信道传输。6GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输,又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的QoS级剐。GPRS能在0.5一一1秒之内恢复数据的重新传输。GPRS的计费一般以数据传输量为依据。7在GSM PLMN中,GPRS引入两个新的网络节点一个是GPRS服务支持节点SGSNServingGPRS SuppoftNode,是为移动终端瞒提供业务的节点,其主要作用是记录移动台当前位置信息,完成对数据传输的鉴权、加密功能,它和MSC移动交换中心在同一等级。节点SGSN通过帧中继与基站系统联系。另一个是GPRS网关支持节点GGSNGatewayGPRS SupportNode,是分组数据PDN与支持GPRS的GSM PLMN互联的第一个节点,主要起网关作用。GGSN支持与外部分组交换网的互通,并经由基于IP的GPRS骨干网和sGSN连通。8GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样。身份认证和加密功能由SGSN来执行。其中的密码设置程序的算法、密匙标准与目前GSM中的一样,不过GPRS使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。GPRS移动设备MS可通过SIM访问GPRS业务。不管这个SIM是否具备GPRS功能。9蜂窝选择可由一个MS自动进行,或基站系统指示Ms选择某一特定的蜂窝。惦在重选择另一个蜂窝或蜂窝组即一个路由区时会通知网络。10为了访问GPRS业务,MS会首先执行GPRS接入过程,以将它的存在告知网络。在MS和SGSN之间建立一个逻辑链路,使得惦可进行如下操作接收基于GPRS的MS服务、经由SGSN的寻呼、GPRS数据到来通知。11为了收发GPRS数据,淞会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使MS可被相应的GGSN所识别,从而能开始与外部数据网络的互通.12用户数据在MS和外部数据网络之间透明地传输,它使用的方法是封装和隧道技术,数据包用特定的GPRS协议信息打包并在MS和GGSN之间传输。这种透明的传输方法缩减了GPRS PLMN对外部数据协议解释的需求,而且易于在将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩,并有协议保护,因此数据传输效率高而且可靠。13GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级QOS的计费功能,计费方式更加合理,用户使用更加方便。14GPRS的核,6N-络gt采用IP技术,底层款可使用多种传输技术,很方便地实现与高速发展的IP网无缝连接。山东大学硕十学伸论文2.2 GPRS的网络结构2.2.1 GPRS的网络结构概述㈨9mm6儿耵1GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的。在现有的GSM网络中需要增加两个节点,GGSNGateway GPRS Support ing Node网关GPRS支持节点和SGSNServing GSN服务GPRS支持节点。其结构如下图2-I所示GPRS嗍络臣三3GPRS终端用户设备图2-1中,用户设备通过串行或无线方式连接到GPRS终端上;GPRS终端与GSM基站BTS通信,但与电路交换式数据呼叫不同,GPRS分组数据是从GSM基站发送到GPRS服务支持节点SGSN,而不是通过移动交换中心Msc连接到语音网络上。SGSN与GPRS网关支持节点GGSN进行通信;GGSN对分组数掘进行相应的处理,再发送到目的网络,如因特网或X.25网络。来自Internet或Intranet的标识有移动台地址的IP包,由GGSN接收,再转发到SGSN,继而传送到移动台上。GPRS的网络结构与接口如图2-2在图22中出现的GPRS网络结构接口及参考点意义如下1R, 非ISDN终端与移动终端之间的参考节点。2Gb, SGSN和BSS之间的接口。3Gc, GGSN与HLR之间的接口。4Gd,SMS-G蟠C/SMSI删SC与SGSN之间的接口.9 . 当銮銮兰鎏±笔2丝茎一 Si刚蝓喀I■D啦蛔抽f hl·哪-∞图2-2 GPRS的网络害;i构0接口5Gi,GPRS与外部分组数据网之间的参考点。6Gn,GSN主干网接口,用于各种GSN之间。7Gp,不同的GSM网络之间的接口。8Gr,SGSN和HLR之间的接口。9Gs,SGSN和MSC/VLR之间的接口。10Gf。SGSN与EIR之间的接口。11Um,MS与GPRS固定网络之| 日J的无线接口。GSN是GPRS支持节点,是GPRS网络中最重要的网络节点,包含了支持GPRS所需的各种功能,GSN可以完成移动路由管理功能。可以连接各种类型的数据网络,并可以连接到GPRS寄存器。GSN可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。 ,SGSN是GSM网络为移动终端Ms提供业务的节点,它与MSC处于网络体系的同一层。SGSN通过帧中继与BTS相连,是GSM网络结构与移动台之间的接口。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息,并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGsN是分组数据网PDN与支持GPRS的GSM PLMN互联的第一个节点即Gi参考点由GGSN支持,主要起网关作用。也有将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X,25网络。SGSN与GGSN的功能既可以有一个物理节点全部实现,也可以在不同的物理节点上分别实现。他们都应有IP路由功能,并能与IP路由器相连。当SGSN与GGSN位于不同的PLMN时,通过Gp接口互连。Gp接口有Gn接口的功能。SGSN可以通过任意Gs借口向MSC/VLR发送定位信息,并可已经Gs接口接受来自MSC/vLR的寻呼请求。lO. 当奎盔璺土2兰苎GSN到外部分组网络是通过Gi参考点连通的,而其他GPRS网络是通过Gp接13连通的。另外,从MS端到GPRS网络有两个接入点,um接口用于无线通信接入而R参考点用于信息的产生或接收。移动终端MT例如手机通过um接口接入GPRS PLMN,R则是MT和TE之间的参考点。这里的MS由TE和盯两部分组成,它们通过R参考点组成一个整体,另外,Ms也可单独由一个移动终端MT组成。对于一个支持GPRS的公共陆地移动网络PL州,当它运行GPRS业务时可能涉及到任何其他网络,这时就产生了网络互通的需求。GPRS网络通过Gi参考点和Gp接口实现同其他网络的互通。对于具有GPRS业务功能的移动终端,它本身具有GSM和GPRS业务运营商提供的地址,这样,分组公共数据网的终端利用数据网识别码即可向GPRS终端直接发送数据。另外GPRS支持基于IP的网络互通,当在TCP连接中使用数据报时,GPRS提供TCP/IP报头的压缩功能。GPRS是GSM系统中提供分组业务的一种方式,但从其根本性质上说,他也属于IP网络,所以它能广泛应用于IP域。其移动终端通过GSM网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网间通信。2.2.2 GPRS传输协议结构㈨9m1M‘13儿蚓GPRS的传输平台由一个分层协议结构组成,如图2-3所示。其用于用户信息传输以及与此相关的信息传输中的过程控制例如流量控制、检错、纠错和错误恢复等。传输平台通过底层无线接口和网络子系统NSS平台连接,这种独立性是通过保留Gb接口来实现的。口,X” p,】c箱 k∑恕7 坊F-蛐C, 娜Cr ’阳 mu rLLC 13.C ∞口, Ⅷ口,舫 瑚■LC 举 B嚣瞳I ■ ,娜雠I躲 Ik■rqI ∞ nl-_眩t嘲l叮咖玎l L地 U-■ Ll T.I埔血B岛 ●测 h oG跚 街11E图2-3 GPRS协议结构图其中1GPRS隧道协议GTP GPRS骨干网中GSN间的用户数据和信令利用GTP进行隧道传输。所有的点对点PDP协议数据单元PDU将由GTP协议进行封装.GTP
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