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基于GIS的DCS数据远程监控与可视化研究与应用

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研究与应用 化工自动化及仪表,2010,37(6):76~78 Control and Instruments in Chemical Industry 基于GIS的DCS数据远程监控 与可视化研究与应用 王利军,李永树 (西南交通大学地理信息工程中心,成都610031) 摘要: 为利用GIS对天然气配气站DCS采集数据进行统一动态监控和可视化管理,本文采用COM、网络通 信与数据库技术实现了管网GIS与DCS的有效集成。通过设计集成系统的总体结构模型与功能模块,以及无缝 集成DCS与GIS数据库,实现了采集数据远程监控与查询统计、爆管分析和三维显示等功能。实践证明,该系统 能够实时获取各配气站计量数据,并为生产、调度和管理提供数据与技术支持。 关键词:GIS;DCS;系统集成;分布式数据库;可视化 中图分类号:TP277文献标识码:A 文章编号:1000-3932(2010)06-0076-03 1 引 言 合现有业务管理流程、GIS中多种空间分析与统计 功能,实现了各个配气站采集数据实时动态监控与 查询统计、报表自动生成、爆管分析、最优路径分析 与三维显示等功能,充分发挥了GIS与DCS的性 DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的 以通信网络为纽带的多级计算机系统 ,已在工业 多参数与复杂控制回路的自动监测和控制中得到了 广泛应用 ,也是天然气配气站上管线计量信息采 集与显示的基本手段,但其采集信息(如压力、差 压、温度、瞬时流量等)只能以人工报表形式上交至 有关管理部门,实时性不强,且地图可视化程度不 高,其计算也受到人为因素的影响。地理信息系统 (GIS)为天然气集成系统提供了必要的地理数据、 图形支持和多种空间查询与分析功能,如何实现 DCS、现有业务管理系统、天然气管网GIS等系统的 有效集成 ,保障天然气的供应安全和数据的实时 性与一致性,则是集成系统设计的关键。 能,满足管理部门业务自动化的要求,极大地提高整 个系统的性能价格比 ,为天然气生产管理部门进 行资源调度、制定管理方案提供技术与数据支持,达 到了提高工作效率、数据准确性与管理水平的目的。 2 系统集成方法与技术路线 当前GIS与DCS集成方式主要包括在DCS中 集成GIS的功能、在GIS中集成DCS的功能和在 GIS和DCS的基础上构建集成平台 ,在研究上述 方案的基础上,本文采用COM(组件对象模型)、网 络通讯与数据库技术对DCS和GIS的功能进行集 成开发,实现了统一的图形显示、实时监控、空间分 基于分布式数据库技术的天然气信息集成系统 以现有DCS采集数据与GIS数据为基础,通过设计 DCS数据接口,无缝连接地理信息与采集信息,并结 Modbus—R¨rI』通信模式 析与三维显示等功能,其技术路线如图1所示。 ArcObjects与网络传输 FCI /IP、F FP、SSL协议l—仝I口J_姒错J牛I} —一  _-一 管 __—— 只存 、、 ————/ 储当 二二 -_—— 0 线 运 行 状 监 控 数 据 -前采 t1实时数据库r一 集数 、、 ———— / 据 导出 至网 享文 ————— 丽 与 0 n 态 设 备 _-—— 采 l<二二 集 系 统 'tDCS数据库卜_ 自动 l子 、 ——————一 图文数据J车I 、 ———— ====≥I ∽ 集 成 应 统 。一 络共 L邀堡匪一J 件夹 确=———、 、 酮孵 -.{每天历史 用 系 __— I:IL邀堡庄一t: 目 日 |J_ 一 图1集成系统技术路线 利用计算机RS-232接口,基于M。dbus—RTU通 收稿日期:2010-03.3l(修改稿) 第5期 王利军等.基于GIS的DCS数据远程监控与可视化研究与应用 ・77・ 信模式与SQL Server 2005数据库建立分布式DCS 数据库;集成系统采用C/S模式,DCS数据库作为 数据服务器,控制中心则作为客户端通过远程访问 和FTP协议分别获取实时数据与每天历史数据。 议是应用于电子控制器上的一种通用语言,通过此 协议,控制器之间、控制器经由网络(例如以太网) 和其它设备之间可以通信,包括ASCII和RTU两种 通信模式 。系统采用RTU模式,利用CRC进行 COM是一种面向对象的程序结构模型标准,它定义 了组件对象之间进行交互操作的方法 ;Modbus协 数据校验,CRC域检测整个消息的内容,其中RTU 通信模式的消息帧如表l所示。 表1 RTU通信模式消息帧 START  ADDRESS ll FUNCT10N l DATA } CRC CHECK l 8 bits  l8 bits l n×8 bits l 16 bits END T1 rI2 —T4 l  T1.l12 .T4 3集成系统数据一体化实现 设计等方面的限制,但其延迟性很小;分布式DCS 数据库的建立,也为二次开发提供了开放的数据接 集成系统一体化的关键是数据的一体化。GIS 与DCS数据一体化就是使GIS可以自由地从DCS 采集数据中提取所需信息,实现数据的充分共享,保 证数据的一致性 。从获取DCS采集数据到控制 中心集成系统访问该数据,其一体化实现过程如下。 口,避免了重复实现,降低了开发成本。系统总体结 构模型如图2所示。 配 一 l一体化数据库l : _—— (1)与DCS建立联系:基于Modbus—RTU通信模 式设计DCS采集数据接收系统,利用计算机RS-232 接口,通过设置端口、波特率、数据位、停止位、奇偶 位、开始地址、接收长度等信息与DCS建立联系。 (2)DCS数据接收与存储:以一个用户数据为 一一曩 l管线等属性信息I l 采集数据l 接 收 连接磅 ∽数据 n 统0系 / 系 — __—l控制中心天然气信息集成系统l 统 \ 组,通过自动变化开始地址获取全部采集数据,并 图2系统总体结构模型 将十六进制转换为十进制格式。对于当前采集数据 将其存储于实时数据表与每天数据表中,当再次接 收数据时,清空实时数据表中数据,将新的数据写入 以上两个表中。在每天固定时刻(如24:o0时)将 4.2系统主要功能 集成系统除了提供必要的用户信息管理、报表 自动生成等功能外,还提供DCS数据远程动态监 控、数据查询统计、空间分析、三维显示等功能。系 统主要功能包括: 采集数据写入历史数据表中,并将每天数据表中数 据自动导出到网络共享文件夹下,同时将其清空并 接收新一天的数据。 (3)DCS数据远程获取与可视化表达:利用数 (1)用户管理与数据管理:集成系统采用基于 角色分配模型进行用户管理,保障系统安全。根据 已更新的基础地图与管网设施图更新现有系统地理 底图。 据库远程访问技术获取某配气站DCS数据库中实 时数据表中的数据,此时,用户可选择手动或自动更 新;也可以获取历史数据表中的数据,并根据统计图 类型生成相应的统计图。当用户查询某天所有采集 (2)空间查询:多种查询方式、多条件满足用户 需要,其中包括全部管线、阀门查询与定位、点击查 询、属性查询与点、线、面缓冲区查询。 (3)空间分析:包括最优路径分析、连通性分 数据时,根据用户选择信息通过FTP/SSL协议自动 安全获取相关数据,并以曲线图形式显示出来,以上 查询数据均能以Excel表形式输出。 4集成系统设计与实现 4.1 集成系统总体结构模型设计 析、流向分析和爆管分析。根据事故爆管点,查询出 其所在的地理位置,自动显示出需要关闭的阀门信 息及关闭后的影响区域,并能生成最优路径,实现人 员资源调度,同时,也能生成该区域管线平面图,供 抢修人员使用,其中爆管分析需关闭阀门及其影响 区域,分析结果如图3所示。 集成系统主要实现数据一体化、GIS和DCS基 本功能与业务流程相结合。在统一的图形界面和数 据表达方面,选择GIS地理数据为背景,利用其空间 分析功能实现天然气管线、阀门等实物信息的空间 查询与分析。利用数据库与网络技术获取计量数 据,为管理决策提供数据支持,其中数据实时显示速 度受前期数据接收、存储、网络传输及系统内部接口 (4)采集信息查询与统计分析:包括远程实时 动态监控、历史数据查询与统计图生成、采集数据远 程下载、报表自动生成、多配气站单项数据查询等功 能,其中多用户计量数据统计图中每个用户以不同 ・78・ 化工自动化及仪表 第37卷 颜色的柱状、曲线等形式显示,直观、形象地表达各 用户某项信息在一定时期内变化趋势,为生产管理 部门制定生产、调度、管理方案提供数据支持,其中 导出到本地磁盘中以当月日期(如200912,由系统 自动建立)命名的共享文件夹下,同时将其清空,提 高数据库运行效率与访问速度。 某配气站单用户某日温度信息曲线图如图4所示。 图4某配气站单用户某日温度信息曲线图 (5)三维显示:根据各配气站设施与地物状况, 生成配气站三维景观图,如图5所示,直观、形象地 再现配气站空间布局,同时还可查询配气站中地物、 设施等对象的属性信息。 图5某配气站三维景观图与点击查询结果 4.3集成系统数据库设计 作为集成系统,其核心就在于数据共享,在设计 之初就必须充分考虑数据的结构、组织、分布等问 题,合理解决整套系统各模块间的数据共享,构建统 一的数据库管理平台,发挥集成的优势,其中天然气 信息集成系统的数据可定义为动态数据和静态数据 两部分 。GIS作为静态数据的组织者,负责数据 的录入、存储、提供部分特殊的查询算法。DCS采集 数据接收系统作为动态数据的组织者,负责动态数 据的获取和存储,以及网络的更新、一致等问题。 DCS数据库中包括实时数据表、历史数据表与每天 数据表,分别存储实时采集数据、每天特定时间采集 数据与一定时间间隔的采集数据。由于每天采集数 据量非常大,因此,将每天数据表中数据在特定时间 以当天日期命名(如2009—12-03),以Excel表自动 GIS数据库与DCS采集数据库之间的逻辑关系 是通过网络与数据表的关联建立起来的,集成系统 数据库结构如图6所示。同时,为保障系统整体正 常运行,系统数据库除了用存取控制技术设置用户 权限保证数据库访问安全,还使用本地备份与异地 备份、定时备份与人工备份相结合的多种备份方式 与还原技术以提高数据库容灾能力,防止因局部设 备故障而导致整个系统瘫痪。 集成系统数据库 空 I司 属性数据 一 地理图形数据一 墓i 用户数据 一 6 4.4数据远程安全访问 由于每天以一定时间间隔采集的数据是以Ex— cel表形式存储在本地磁盘共享文件夹中,因此,就 需要通过在各配气站服务器端设置FTP站点实现 数据共享,根据局域网的特点,FTP服务器受到外界 互联网恶意攻击的可能性相对较小,通过用户信息 认证,就能较好地保障数据在局域网内流动或静态 存放时不被非授权用户非法访问,但授权用户可以 访问。同时,为克服FTP明文传输的缺点,采用SSL 协议与数据加密算法实现网络传输中数据自动加密 发送,解密接收,由于数据在网络传输过程中都是以 密文形式传输,较好地保障了数据的网络传输安全, 也提高了系统的整体稳定性。 5 结论 通过对计算机及网络通信、GIS空间分析、系统 安全及DCS数据采集与监控等功能模块的整合,将 GIS与DCS数据库进行无缝连接,建立了基于分布 式数据库技术的天然气信息集成系统,实现了采集 数据远程动态实时监控与下载、查询与统计分析、最 优路径分析、爆管分析与三维显示等功能,既保证了 数据访问的安全高效,又保证了数据的实时性与一 致性,满足了现有业务管理与安全生产的需要。此 外,DCS数据接口的设计与实现,也为其他系统提供 了开放的数据接口,便于二次开发,降低了开发成 本,也有利于系统的进一步完善。 (下转第81页) 第6期 黄明等.基于CAN总线设计实现的数据采集监控系统 ・81・ 以挂无数个节点。实际应用中,节点数目受网络硬 微处理机,2000,(1):28—3O. 件的电气特性所限制。本系统挂载了九个节点,分 徐爱钧,彭秀华.Keil CxS1 V7.0单片机高级语言编程与 别对温度、压力、步进电机、无线节点等进行采集和 i ̄vision2应用与实践[M].北京:电子工业出版社,2004: 523—530. 监控,当然可以根据需要挂载更多节点,距离达到 苏亚,杜晨红,孙以材.智能压力传感器无线数据采集系 2~5 km,通讯数据速率达到400 Kbps,完全满足实 统[J].电子测量技术,2007,(7):54—58. 际需要,提供了很好的实时性,而且报文质量较高。 黄万志,陈永煌.基于嵌入式Linux远程数据采集系统[J]. 7结论 现代电子技术,2007,(4):62—64. 为适应不同环境下的数据采集与监控,系统在 曾喜庆,王强,杨杰.nRF2401A与SPI接口的软硬件解 硬件上基于CAN总线搭载无线节点控制;为分析与 决方案[J].东北电力学院学报,2006,(1):4—5. 管理采集的数据,软件上提供良好的人机界面和数 黄艳芳,赵晶.基于CAN—USB总线的机车滚动轴承检测 系统的设计[J].电子测量技术,2009,(4):12—13. 据库管理。整个设计为工业控制提供了功能完善的 徐成,刘彦,李仁发,等.一种全同步数字频率测邑方 解决方案。 法的研究[J].电子技术应用,2004,(7):38—39. 参考文献: 李长林.Visual Basic串口通信技术与典型实例[M].北京: 『1]赖昊。薛君英,陈星.CAN总线技术及其系统实现『J]. 清华大学出版社,2006:56—78. Design and Implement of Data Acquisition and Monitor System Based on CAN—Bus ] 1j HUANG Ming,LIANG Xu,YUE Yang (Dalian Jiaotong University,Dalian 1 16028,China) Abstract:The technology and features of CAN-Bus in domestic were introduced.The structure of data acquisition and monitor system was addressed through describing the hardware connection of the communication module,soft— ware design and database system.The system took Philips’s PCA82C250,SJA1000 as interface component,the node modules could be connected into or removed from the CAN—Bus conveniently since nRF9E5 transceiver was印一 plied.Practical operation shows that the system can meet the requirements of data collection and monitoring,with good engineering applications. Key words:CAN-Bus;data acquisition and monitor;nRF9E5 (上接第78页) Learning and Cybernetics.2003,2(5):586—590. 参考文献: [4] 朱毅,周君.GIS与SCADA集成中数据一体化技术的 [1]许吉.DCS和PLC的特点、差异及其发展方向[J].电脑 研究[J].计算机与数字工程,2007,3(35):22—23. 知识与技术,2009,(10):8074—8083. [5] 窦华成,王力,邓世军.GIS与SCADA系统数据一体化模 [2] CASTILLO I,EDGAR T F.Using a Distributed Contorl System 型及其应用初探[J].上程勘察,2007,(5):48—50. (DCS)for Distillation Column Control in an Undergraduate U— [6] 刘亚鑫,夏立.GIS与SCADA系统集成技术的研究[J]. nit Operations Laboratory[J]//Proceedings of the American 电网技术,2007,31(16):42—45. Control Conference.2009,10(12):2744—2748. [7] 王天字.基于MODBUS—RTU协议的质量流量计通信软件 [3]XIONG Ping,HUANG Tian—shu,YI Kui,et a1.Design of Com— 的开发[J].科技信息,2009,ll:77—78. munication Port between DCS and Computers of RTU[J]// [8] 成红琼,朱建,杨祝,等.GIS与SCADA一体化系统实 Proceedings of the Second International Conference on Machine 践[J].电力自动化设备,2002,22(11):56—57. Research and Application on Remote Monitoring and Visualization of DCS Data Based on GIS WANG Li-jun,LI Yong—shu (Geographic Information Engineering Center,Southwest Jiaotong Univemity,Chengdu 610031,China) Abstract:In order to realize dynamic monitoring and visualization management of the data acquired by DCS in gas distribution stations by GIS,the pipeline GIS and DCS were integrated by using COM,network communication and database technology.The integrated system could achieve real-time monitoring remotely and statistics of acquired da— ta,analysis of pipe burst,3 D display of natural gas network and other functions through the design of overall struc- ture model and functions module of the integration system。and the seamless integration of DCS and GIS databases. It can provide managers with real—time data of all the gas distirbution stations,and diversified data and technology suppo ̄for the production,scheduling and management. Key words:GIS;DCS;system integration;distirbuted databases;visualization 

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