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1　目标和概述

我国天然气管道的自动化与智能化建设起步较晚，直到实施“西气东输”战略工程开始，天然气监控系统才逐渐大规模普及。由于国内的工控系统处于发展初期，系统建设依赖罗克韦尔、西门子、艾默生等国外公司。由于缺乏建设经验，往往忽略了系统网络安全方面的建设。随着网络技术的发展，针对关键基础设施控制系统的网络攻击频发，从传统意义上的虚拟空间扩展到工业控制系统中，直接威胁着国家基础设施的安全。

本方案针对传统天然气系统，从安全化、国产化、智慧化三个方面进行设计，用来打造一套自主可控的现代化智慧天然气控制系统。

2　方案介绍

国产SCADA系统对原系统进行国产化改造，采用国产自主的成熟产品替换原有国外产品。核心设备在国产自主可控的“PKS”（PHYTIUM飞腾处理器+KYLIN麒麟操作系统+SECURITY注入安全的能力）体系内选型，使原系统完成从硬件设备到监控软件的全方位国产化升级，为整套天然气SCADA系统提供了完备的一体化解决方案。同时，系统依据等保要求，设计了信息安全防护系统，提高了系统的安全防护能力。系统总体架构如图1所示，包括监控层、控制层、网络层三部分。

图1 SCADA监控系统架构图

2.1　系统监控层设计

系统监控层由硬件平台和编程软件两部分组成，为沿用原系统的线缆部署，降低施工成本，本系统采用原系统的C/S（Client-Server）结构配置，其中Server（服务器）负责数据的管理及存储，Client（客户端）负责完成系统与用户的交互。

监控层的硬件部分由服务器、工控机、拼接大屏和KVM组成，软件部分由监控组态软件SC-ProView和达梦数据库组成。其中，服务器中安装数据库版SC-ProView组态软件和达梦数据库，SC-ProView通过ModbusTCP协议实时采集PLC中的数据，达梦数据库通过ODBC接口定时获取SC-ProView采集的数据，以便对其进行长期的存储和管理。服务器配置KVM切换控制器，利用多个VGA端口实现对多台服务器的直接访问和有效管理。工控机中安装监控画面版SC-ProView，将服务器上数据库版SC-ProView的数据可视化，实现画面的组态及运行、报表的自动生成及上传、工业视频与报警画面的联动、故障诊断、用气量预测、预警、应急处理指导、系统权限分配等功能。拼接大屏通过自带的控制管理软件将工控机上的SC-ProView运行画面进行展示，包括站点设备状态、重要仪表数据、报警信息以及实时工业视频等。

2.1.1  硬件设计

国产SCADA系统监控层的硬件部分选用国产自主产品，由长城品牌DF723服务器、DF716工控机以及熊猫LED拼接大屏、国产KVM切换控制器等组成。该类产品涉足核心技术，型号多样、配置全面，具有极高的可拓展性，拥有提供完整解决方案的服务能力。

长城DF723服务器组成硬件冗余系统，一旦遇到故障，服务器可在100ms内完成主机备机的切换，保证系统稳定运行。DF723服务器采用了飞腾FT-2000+/64处理器，片内集成64个自主设计的FTC662处理器核，核心运行频率可达2.2GHz，在单核计算能力、单芯片并行性能、单芯片cache一致性规模、访存带宽等指标上满足系统运行要求。DF723提供了全面的健康监测功能，可实现核心部件工作状态的监测诊断，为SCADA系统提供稳定、可靠的运行环境。

长城世恒DF716工控机采用国产飞腾新四核FT-2000/4（4核，2.6GHz）处理器、32G内存，并配置了独立显卡、固态硬盘以及千兆RJ45网口，组成SCADA系统的工程师站、操作员站，分别部署在中控室、现场控制室、值班室、办公区域等位置，保证了生产运维人员、管理人员能够方便及时地监控SCADA系统的运行状况。

2.1.2 软件设计

国产化SCADA系统监控层的软件部分以银河麒麟V10系统为基础平台，选用国产监控组态软件SCProView、达梦数据库，实现数据的采集、处理与存储，以及画面的绘制与显示。同时，向大数据平台、GIS（Geographic Information System）系统提供MQTT接口完成数据的动态交换，主要实现双机热备冗余、数据监视监控、历史数据回放、数据存储、安全管理等功能。

双机热备功能是配置一台服务器中SC-ProView的数据库为主数据库，另一台服务器中SC-ProView的数据库为热备数据库。热备数据库内容与主数据库内容（包括实时/历史数据、报警事件、操作记录等）实时同步。热备数据库实时监视主数据库的状态，一旦发现主数据库停止响应，立即接管控制、角色互换。

数据监视监控功能是通过绘制路环门站的天然气管道监控工艺图及各远程RTU站的监视工艺图，利用数据可视化、设备拟态化等技术，实现对站点内调压阀、分离器、压力传感器、温度传感器、流量计、压缩机、冷却风机、干燥机等现场设备的数据监视、动作控制。

模板化功能是包含数据模型和图形模型两部分，同类数据样式和设备样式提前绘制、重复引用，仅需逐个关联相应数据，后续如需修改，一改全改，从而大大减少工作量，且画面整洁统一。在本系统中，天然气管网中有大量的压力传感器，工艺图画面需显示实时数值，且点击实时数值即弹出趋势小窗口，展示近一小时内的变化曲线，该种情况可提前绘制数据样式作为模板，拖拽到工艺图的不同位置，无需制作数据展示形式，仅连接不同的数据源。

历史回放功能是基于内置数据库，借助实时/历史报警、实时/历史趋势、报表等控件，且提供已封装的函数，实现对SCADA监控数据的存储、回放、智能分析。

数据存储功能是通过搭建一套冗余达梦数据库，将实时数据批量存储，为后续追溯或搭建数据监控平台提供原始历史数据。配置一台服务器的达梦数据库为主机，提供正常的数据处理服务，另一台服务器的数据库作为备机，时刻保持与主机的数据同步。一旦主机发生故障，备机立刻切换成为新的主机，继续提供服务，保障系统的稳定连续运行。

故障诊断功能是通过故障预警与故障管理相结合，提高故障发生前的预判及故障发生后的处理能力，为每一台生产设备建立各自专属的故障历史档案。通过深度神经网络算法，利用大数据环境下的机器学习能力，自动收集和学习每台设备的故障产生模式进而提高系统的预警处理水平并逐步完善企业的故障知识库体系。

对外通信功能是通过建立多种数据转储通道，如OPC、DDE、COM接口、ODBC接口等，实现与其他系统动态数据的交换。例如，实时将数据发送到GIS系统的数据库，定时将报表上传到公司集团总部的网络系统。

安全管理功能是支持用户组级别的安全管理策略，各服务器、工控机分配不同的角色，分配不同的权限，其权限限制包含数据库访问与操作权限、组态软件的访问权限、运行窗口的访问权限、阀门的控制权限等。例如，现场控制室的操作站可控制阀门的启闭，但办公区域的操作站仅能浏览阀门的状态。

2.1  系统控制层设计

PLC广泛应用在工业控制的各个领域，已迅速成为天然气行业的核心大脑，具备高集成度、高可靠性、高安全性等特点。城市燃气管网供气量多、供应范围大，需根据地域分布、经济情况、居民生活等特点来设置一个城市总站与多个RTU站。该方案中城市总站占地面积约为500平米，设备部署相对集中、空间宽裕，并设置了专用的控制机房，是整个城市总供气管道、减压撬、压缩机等的神经中枢。远程RTU站分布较广，遍布市内的各个居民区、娱乐城、学校、工厂等，实现现场数据的采集，RTU站占地面积为5m²至10m²，设备间布置紧凑、空间较为狭小。

2.2.1 城市总站设计

城市总站选用超御中型IM30系列PLC，配套SCProSys软件实现控制逻辑的组态，PLC从现场的电磁阀、流量计、压力传感器、温度传感器、压缩机、计量仪器等设备中采集数据，然后通过国产交换机将数据发送给SCADA系统监控层，如图2所示。

图2 城市总站PLC系统架构图

城市总站的PLC系统由CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块、Modbus RTU通信模块、耦合模块、末端模块、冗余背板、冗余电源等组成，实现CPU冗余、双环网冗余、电源冗余等多种功能。冗余设备均处于热备状态，一旦发生硬件损坏或网络中断等意外，系统可在50ms内完成主备切换，保障系统的安全。其中，支持接入从站设备的高性能Modbus RTU通信模块将原来各自独立的减压撬系统、压缩机系统、干燥机系统统一整合到SCADA系统中，提高了维护人员的管控效率。

2.2.2　RTU站设计

RTU站选用超御IS23系列RTU设备，配套SC-ProSys逻辑编程软件，RTU从现场的电磁阀、压差传感器、温度传感器等设备中采集数据，然后利用4G无线通信网关将数据发送给监控层的SCADA系统，从而解决远距离传输、布线复杂的问题，如图3所示。

图3 RTU站系统架构图

IS23系列RTU设备由CPU模块、Modbus RTU通信模块等组成。其中，CPU模块带有两个对外通信的以太网口，其通信协议为Modbus TCP、数据传输速率为100Mbit/s，并集成了14路DI、10路DO、2路AI/AO、4路高速计数器等通道，减少了系统使用模块的数量。RTU模块体积较小，适合RTU站狭小的安装空间，具有经济、易用、紧凑等特点。

采用国产4G无线通信网关，PLC将RTU站与SCADA系统监控层的数据传输周期缩短到5秒，极大地提高了数据的实时性和安全性。通过RTU站的数据本地存储功能，每日、每月的特定时间点均会储存天然气流量等数据信息，保证因台风等异常天气导致通信断开时，不影响客户记录数据开展月度结算等工作。

城市总站和所有RTU站共用一台终端计算机，安装逻辑编程软件SC-ProSys，用于各站的逻辑控制程序编写、下装以及调试。

2.2 网络层及安全防护系统设计

系统网络是系统监控层、控制层数据传输的通道。监控层中的冗余服务器、工控机以及控制层中的PLC设备均作为节点，接入到SCADA系统的内网中，完成系统内所有数据的互通互享，如图4所示。网络系统直接影响着整个系统的运转。硬件组成主要包括交换机、4G无线通信网络以及用于网络防护的单向隔离网闸和工业防火墙。

采用迈普SM4220-28TC交换机搭建双环网，该交换机具有24个10/100/1000M电接口、4个100/1000M光口、1个Console配置接口以及1个MicroUSB配置接口，可充分满足本系统的使用需求。

4G无线通信网络采用国产路由器与国产4G网关搭建，基于VPNIPSec技术的无线4G通信网络，通过给各个RTU站独立分配网络地址、网关地址、设备地址、广播地址的方式，使各站相互独立，分别总控系统进行数据传递，而且在通信速率增加的情况下，总通信流量并未增多。4G网络将RTU站采集的数据统一汇总到SCADA监控层。RTU站的通信相互独立、互不影响，在比原系统的通信速率快60倍的情况下，其数据传输的总流量并没有增多，满足某城市地区按流量计费的需求。

单向隔离网闸作为网络防护设备用于工业控制网与信息中心网之间的边界隔离，提供近似于物理隔离的安全防护。系统采用专有信息摆渡机制，解决了由物理隔离引起的数据交换问题，既保持了网络之间物理隔离的特性，又提供了一种安全、有效的数据交换途径。工业防火墙用于工业控制网内部整体的安全监测与防护。利用防火墙的自学习功能，完整学习监控层设备与PLC及RTU站之间的通信规则，以防止异常数据进出系统。

图4 网络层及安全防护配置

3　代表性及推广价值

技术示范：澳门智慧天然气SCADA监控系统已于2021年在澳门地区建成投产，系统设计过程中研发出多种新技术，已发表技术性论文1篇，目前正在撰写有关国产无线4G通讯、国产数据库等方面的技术论文及专利4篇。

商业价值：数据显示，2020年城市燃气行业天然气消费量为1004亿立方米，约占全国总用气量的31%；天然气采暖面积约49亿平方米。受“碳达峰”“碳中和”“煤改气”等持续推进的利好影响，城市天然气管网总里程不断增加，需要天然气管网监控系统不断持续配套建设。本项目的顺利运行，代表城市天然气管网监控系统首次验证成功，预计全国推广后将创造50亿左右经济效益。

社会价值：首次实现了城市天然气管网监控系统的100%国产化，首次实现了关键基础设施领域工业控制系统全范围PKS化，首次实现了“一国两制”地区关键基础设施控制系统的100%国产化，是“一国两制”在科学技术领域的新实践，实现了关键基础设施领域控制系统的“两制一体”，且首次实现了城市天然气管网监控系统100%国产化区域全覆盖。

摘自《自动化博览》2023年8月刊