南　楠

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000）

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基于SCADA的智能化水廠自動(dòng)供水系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

南楠

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000）

摘要：針對(duì)日益落后的供水設(shè)施與人們對(duì)供水可靠性需求不斷增加的矛盾，提出一種基于SCADA原理建立的水廠自動(dòng)供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)供水方式中效率低下、可靠性差、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效、可靠、易維護(hù)的恒壓供水系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：SCADA；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；代理技術(shù)；自動(dòng)供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行是基礎(chǔ)生活的重要組成部分，與國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民的生活密切相關(guān)。建立有保障的供水系統(tǒng)是人民正常生活的必需條件，同時(shí)也是改善環(huán)境、完善城市功能的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)往往存在以下問(wèn)題，比如監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇很多情況下是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)選定，缺少理論依據(jù)，有些數(shù)據(jù)采集后不是無(wú)用就是不準(zhǔn)確，無(wú)法對(duì)供水系統(tǒng)提供支持；現(xiàn)有多數(shù)SCADA系統(tǒng)是由不同廠商生產(chǎn)，接口、協(xié)議沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范，后期更新、擴(kuò)展難于實(shí)現(xiàn)；組態(tài)軟件編寫程序單一，側(cè)重實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，數(shù)據(jù)采集分析處理能力較弱。針對(duì)上述問(wèn)題，本文研究設(shè)計(jì)一智能化SCADA系統(tǒng)來(lái)提高水廠的控制管理能力。

1　SCADA系統(tǒng)概述

SCADA系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)完成自動(dòng)采集和處理的系統(tǒng)，在人為不能到達(dá)或無(wú)法操作情況下起決策作用，通常以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，集傳感技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化控制為一體。SCADA系統(tǒng)一般由硬件和軟件結(jié)合工作，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)的監(jiān)控和檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、調(diào)節(jié)參數(shù)和實(shí)時(shí)異常警報(bào)等功能。在企業(yè)的運(yùn)行中使用越來(lái)越多，在電力、燃?xì)?、石油、制造業(yè)等領(lǐng)域已廣泛使用，具有準(zhǔn)確性高、節(jié)省人力資源、實(shí)時(shí)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。

發(fā)展至今，SCADA系統(tǒng)經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)代，第一代是專用計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)時(shí)代，龐大且不具有通用性；第二代是具有通用操作系統(tǒng)，但不具有開放性，系統(tǒng)難以維護(hù)；第三代是以分布式和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的SCADA系統(tǒng)，發(fā)展最為迅速，應(yīng)用最為廣泛的一代；第四代隨著各種先進(jìn)技術(shù)和各種平臺(tái)的誕生，融合了計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，使其與其它系統(tǒng)融合度提高，適應(yīng)企業(yè)更深層需求［2］。

2　水廠供水系統(tǒng)控制需求

水廠供水系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)可以提高管理水平，實(shí)現(xiàn)更可靠的供水機(jī)制。同時(shí)對(duì)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單化、透明化，出現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)。

本文以某一水廠為例，該水廠共有三個(gè)分廠（一、二、三水廠），日供水能力12.5萬(wàn)噸，擁有加壓泵站四座，供水面覆蓋全市范圍。供水流程一般是由水源地取水，到廠后經(jīng)過(guò)沉淀、消毒、過(guò)濾等工藝流程送入城市管網(wǎng)中，供給居民和企業(yè)使用，供水系統(tǒng)由水源地、水廠、加壓泵站、供水管網(wǎng)、高位調(diào)節(jié)水池構(gòu)成。水源分為地下水和水庫(kù)水兩種，并在中途設(shè)有加壓站和多個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。取水供水總流程如圖1所示：

圖1　取水供水總流程圖

水廠建立自動(dòng)供水系統(tǒng)的主要目的是促進(jìn)水廠的技術(shù)進(jìn)步，提高管理水平，實(shí)現(xiàn)供水控制系統(tǒng)、企業(yè)管理系統(tǒng)一體化，在保證水壓、水質(zhì)、水量的前提下，將單位耗水量降至最低。SCADA系統(tǒng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程與自動(dòng)化調(diào)度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程遙控實(shí)時(shí)采集、參數(shù)及時(shí)調(diào)整同時(shí)對(duì)突發(fā)情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)［3］。該水廠分廠間距離遠(yuǎn)，供水分散，檢測(cè)站點(diǎn)多，根據(jù)其供水流程圖顯示結(jié)構(gòu)，以及自來(lái)水公司主要完成的工作內(nèi)容，建立的水廠SCADA系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能［4］：數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集、數(shù)據(jù)控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析與消息提交、報(bào)表自動(dòng)生成與打印、歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互界面、組態(tài)與安全管理。

3　SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自來(lái)水公司SCADA系統(tǒng)主要完成的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)水流情況，完成供水過(guò)程水流數(shù)據(jù)采集分析，并將結(jié)果反饋給供水調(diào)度中心為決策提供支持。從圖1供水取水總流程可以看出，系統(tǒng)應(yīng)包括一、二、三分廠及加壓泵站和總供水管網(wǎng)幾部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合通信設(shè)備和可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)完成。記錄供水過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的即時(shí)信息，保存處理，并可實(shí)現(xiàn)打印輸出功能。借助該供水系統(tǒng)可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，遠(yuǎn)程操控水泵、閥門等設(shè)備工作?？傉{(diào)度中心設(shè)在自來(lái)水公司，根據(jù)系統(tǒng)顯示運(yùn)行情況，對(duì)各個(gè)分廠、水源井、加壓泵站和供水管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，形成二級(jí)調(diào)度模式如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)二級(jí)調(diào)度模式

圖2的二級(jí)調(diào)度模式中在三個(gè)分廠和總調(diào)度中心之間設(shè)置了兩個(gè)OPC代理，提高系統(tǒng)的靈活性與后期的可擴(kuò)展性。采用OPC代理服務(wù)器可有效隔離內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)可靠性，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷；同時(shí)在系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，代理間的同步性仍可保證供水系統(tǒng)正常工作。

1）系統(tǒng)硬件架構(gòu)。

系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)輸水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)、取水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。主要的硬件設(shè)備包括［5］：可編程控制器PLC，主要控制供水系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程，該自來(lái)水公司供水系統(tǒng)屬于中小型系統(tǒng)，每個(gè)工作站配備自己獨(dú)立的控制器，在此選擇西門子PLC S7-300控制器，體積小、性價(jià)比高、適應(yīng)性強(qiáng)；工控機(jī)IPC，系統(tǒng)要求一年365天機(jī)器都要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將嚴(yán)重影響居民正常生活，采用的計(jì)算機(jī)要可連續(xù)作業(yè)，具有較高的防塵、防沖擊、抗干擾能力，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用研華IPC-610工控機(jī)；遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU，是SCADA系統(tǒng)最基本組成部分，測(cè)壓、流量監(jiān)控、水濁度數(shù)據(jù)的反饋都是由RTU完成，適用于惡劣溫度和潮濕環(huán)境，且具有良好的通信能力，本系統(tǒng)選擇JY-RTU4100-L作為對(duì)分廠、管網(wǎng)、加壓泵站遠(yuǎn)程測(cè)控器；超聲波流量計(jì)，測(cè)每口水源井的流量流速，與參考值進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)生異常及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)選用唐山海峰TDS-100系列。

2）系統(tǒng)軟件架構(gòu)。

SCADA軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用B/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件在中控調(diào)度室服務(wù)器上運(yùn)行，操作人員通過(guò)公司局域網(wǎng)瀏覽器端進(jìn)行相應(yīng)操作，主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

①系統(tǒng)管理：不同管理人員的權(quán)限分配、測(cè)控點(diǎn)管理、當(dāng)?shù)氐貓D和供水管網(wǎng)圖展示。

②生產(chǎn)調(diào)度管理：生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程告警、自動(dòng)控制。

③供水調(diào)度管理：管網(wǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集分析、決策發(fā)布。

軟件系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)包括三部分：最底層為監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和提取數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)庫(kù)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分，一旦數(shù)據(jù)遭到破壞只有一定階段的數(shù)據(jù)丟失，可立即啟動(dòng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；中間層為數(shù)據(jù)分析和管理平臺(tái)，通過(guò)對(duì)提交數(shù)據(jù)分析計(jì)算后，對(duì)生產(chǎn)管理、績(jī)效、調(diào)度、質(zhì)量、指標(biāo)等多方面發(fā)布結(jié)果；最上層為用戶圖形界面，管理人員可以通過(guò)瀏覽器端直觀的了解各個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)的變化，接收?qǐng)?bào)警信息，打印生成的分析圖表、趨勢(shì)圖、生產(chǎn)報(bào)告等［6］。SCADA系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3　SCADA系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3）系統(tǒng)通信方式。

通信技術(shù)的快速發(fā)展使通信方式也越來(lái)越多，一般分為無(wú)線和有線兩類。無(wú)線通信方式主要有數(shù)字電臺(tái)、GSM電話網(wǎng)、GPRS和衛(wèi)星通信等方式；有線通信方式常見(jiàn)的有電纜、光纜、總線、公用電話網(wǎng)、波導(dǎo)等形式。

根據(jù)自來(lái)水公司現(xiàn)有狀況和后期即將建立的第四分廠的擴(kuò)展情況。本系統(tǒng)選擇的通信媒介為GPRS無(wú)線通訊技術(shù)。雖然也有用GSM電話網(wǎng)、數(shù)傳電臺(tái)和光纖通信的，但站點(diǎn)建立后會(huì)不斷進(jìn)行改造升級(jí)，同時(shí)新廠的建立，周圍環(huán)境的改變與各種無(wú)線電信號(hào)的干擾，使系統(tǒng)傳輸信息的穩(wěn)定性遭受影響，GSM電話網(wǎng)和數(shù)傳電臺(tái)就不再是合適之選，光纖傳輸速度快但易損壞和造價(jià)太高。GPRS無(wú)線通訊技術(shù)是按照用戶使用流量收費(fèi)，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、永遠(yuǎn)在線、高速傳輸、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在工業(yè)生產(chǎn)流程中使用。本系統(tǒng)選擇的是唐山平升DATA86的GPRS DTU數(shù)據(jù)通訊模塊，該產(chǎn)品支持GPRS和短消息雙通道傳輸數(shù)據(jù)；支持與多中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；采集串口設(shè)備數(shù)據(jù)，如串口儀表、采集器、PLC等；支持遠(yuǎn)程管理參數(shù)設(shè)置、程序升級(jí)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，提出了一套集通信技術(shù)、代理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型SCADA水廠供水系統(tǒng)，提高了整個(gè)供水系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、準(zhǔn)確化，確保采集數(shù)據(jù)及時(shí)性、可靠性，為水廠供水調(diào)度提供豐富的參考數(shù)據(jù)，保障供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行和日趨復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

［1］戚明杰，賴華.城市智能化供水調(diào)度系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2014（5）：34-37.

［2］嚴(yán)旺炳.基于SCADA系統(tǒng)的城市供水自動(dòng)化研究［J］.通訊世界，2015（6）：206.

［3］崔嵩. OPC技術(shù)與分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)在SCADA系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

［4］閆宇翔.面向山西大水網(wǎng)供水系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2014.

［5］林龍德.SCADA系統(tǒng)在城市供水調(diào)度系統(tǒng)中的組成與應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（10）：25-29.

［6］董兵，譚炳勛.變頻變壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（9）：10-12.

［責(zé)任編輯：吳卓］

SCADA-based Research and Design of Automatic Water Supply System for Intelligent Water Plant

NAN Nan
（Sanmenxia Polytechnic，College of Information and Communications，Sanmenxia Henan 472000，China）

Abstract:An automatic water supply system for intelligent water plant is proposed based on SCADA，aiming to resolve the contradiction between the lagging water supply facilities and people's increasing demand for the reliability of water supply. This system has overcome the shortcomings of low efficiency，poor reliability，low automation of traditional water supply mode，and achieved a new constant pressure water supply system with high efficiency，sound reliability and easy maintenance.

Key words:SCADA；real-time monitoring；agent；automatic water system

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6138（2016）02-0017-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.02.005

收稿日期：2016-03-17

作者簡(jiǎn)介：南楠（1981—），女，河南洛陽(yáng)人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)化控制。