城市自來水公司生產(chǎn)過程自動化監(jiān)控系統(tǒng)一體化解決方案（一）

分類：解決方案日期：2007-04-16 00:00:00

一．引言
在我國經(jīng)濟建設飛速發(fā)展的今天，綜合國力一天一天增強，隨著WTO的加入，標志著我國各行各業(yè)必須以最快的速度與國際接軌。對我國中小城市自來水公司而言，采用現(xiàn)代電子信息技術及綜合自動化技術來改造生產(chǎn)各個部門和進行企業(yè)管理是極其重要的，這是改變目前我國中小城市自來水企業(yè)被動局面的最有效的辦法之一。
就城市自來水公司而言，其企業(yè)特點是：分布式、集散型、網(wǎng)絡化、全開放。為了安全、穩(wěn)定、可靠地管理好遍布全城的供氣和供水管網(wǎng)，一定要有一個滿足其企業(yè)特點的、現(xiàn)代化的、先進的企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)（SAS）。
城市自來水綜合自動化系統(tǒng)（SAS）的組成如圖1所示，它是建立在Internet網(wǎng)基礎之上的，具有完全開放式的結構。該系統(tǒng)主要包括：
·信息管理中心系統(tǒng)（IMCS--Information Management Center System）
·企業(yè)管理與經(jīng)理決策支持系統(tǒng)（MIS/DSS），或稱：公司辦公自動化系統(tǒng)（OAS--Office Automatic System ）
·企業(yè)社會服務系統(tǒng)（Callcenter），它包含管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）和自動抄表收費系統(tǒng)（AMR——Automatic Meter Reading ）
·自來水管網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)
·數(shù)據(jù)倉庫
·生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA --Supervisory Control And Data Acquisition）

企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)（SAS）的基礎是企業(yè)生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA Supervisory Control And Data Acquisition）。為了解決企業(yè)生產(chǎn)過程自下而上的信號采集、傳輸和實現(xiàn)自上而下的控制與管理，就必須要有一個可靠的SCADA系統(tǒng)來支撐。而一個完善的SCADA系統(tǒng)的建立，又依托于高精度、智能化的一次儀表獲取信息，準確無誤的通訊手段傳輸數(shù)據(jù)和高效快捷的計算機處理能力。當世界進入90年代后，無論從測控儀表、通訊技術、計算機處理能力均得到了飛速發(fā)展，SCADA系統(tǒng)的應用也日趨成熟。由于計算機與通訊技術的突破性進展，以及系統(tǒng)通訊的數(shù)字化、網(wǎng)絡化的形成，SCADA技術已被賦予了嶄新的內(nèi)涵。它的建立使得企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、全廠信息集成以及企業(yè)上網(wǎng)等，均變得更加方便、靈活、容易和經(jīng)濟。
對于一個城市自來水企業(yè)，為了滿足對生產(chǎn)過程的調(diào)度和指揮，也同樣需要一個可靠的SCADA系統(tǒng)。它一般由企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮中心、分廠測控站、管網(wǎng)測壓點等組成。它所具有的功能一般包括：數(shù)據(jù)采集控制功能，數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)顯示及分析功能，報警功能，歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢功能，報表顯示及打印功能，遙控功能，網(wǎng)絡功能等。
SCADA系統(tǒng)的基本組成單元是遠程測控終端（RTU）。它完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸和對現(xiàn)場設備的控制。SCADA系統(tǒng)所涉及到的技術比較廣泛，有儀表技術、檢測技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術等等。
北京安控科技發(fā)展有限公司，是一家集科、工、貿(mào)于一體的高新技術企業(yè)。公司不但技術力量雄厚，而且開發(fā)出了多種類型的RTU產(chǎn)品，在市政、油田、化工、電力等行業(yè)得到了廣泛的應用。
近年來，公司在吸收國外先進經(jīng)驗、征求諸多專家意見、總結多年實踐經(jīng)驗的基礎上又成功地開發(fā)出了通用一體化的新型RTU產(chǎn)品SuperE，解決了目前市場上RTU產(chǎn)品選型難、配套難、兼容性差等諸多問題。除此之外，公司對自來水行業(yè)的現(xiàn)狀、需求、技術進行了深入研究，以SuperE為基礎又推出了適合于自來水SCADA系統(tǒng)應用的有針對性的系列化RTU產(chǎn)品及系統(tǒng)軟件，提出了自來水SCADA系統(tǒng)的一體化解決方案。
以下就是自來水SCADA系統(tǒng)一體化解決方案的具體內(nèi)容。
二．生產(chǎn)工藝流程簡介
自來水的生產(chǎn)過程是：由水源取水送到自來水廠，在自來水廠經(jīng)過消毒、沉淀、過濾等過程后送入城市供水管網(wǎng)，提供給城市居民或工業(yè)用戶等使用。水源可來自水源井，也可來自地表水。在城市供水管道中途還設有中途加壓站。在城市管網(wǎng)中還設有許多測壓點。其結構如圖2所示。
整個工藝過程以水廠最為復雜，其工藝流程見圖3。
管網(wǎng)中途加壓站及水源井工藝流程較為簡單，這里不再描述。
在自來水整個生產(chǎn)過程中，需對水源井取水、水廠生產(chǎn)、管網(wǎng)中途加壓站、管網(wǎng)測壓點的工作進行監(jiān)控，由此形成一個完整的城市自來水生產(chǎn)過程自動化監(jiān)控系統(tǒng)（自來水SCADA系統(tǒng)）。在此基礎上，可組成城市自來水公司企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)（SAS）。

三．系統(tǒng)總體結構
1．總體結構
城市自來水SCADA系統(tǒng)可劃分為5個組成部分：水司控制中心、水廠分控中心、管網(wǎng)測壓站、管網(wǎng)加壓站和水源井監(jiān)控站。其結構框圖如圖4所示。
一個自來水公司下屬可能有多個水廠，一個自來水廠又有多個工藝過程，同時又負責多個管網(wǎng)測壓站、管網(wǎng)加壓站和水源井監(jiān)控站的管理。如果將系統(tǒng)的所有信息都直接傳送到水司控制中心，由水司完成整個系統(tǒng)的控制是不合理的。因此就需要建立多個水廠分控中心，在水廠內(nèi)建立多個監(jiān)控分站和自來水取水、供水監(jiān)控站點，以實現(xiàn)信息的逐級傳輸和系統(tǒng)的分級控制。

水廠分控中心對水廠的生產(chǎn)及各站點進行實時監(jiān)控，它是系統(tǒng)的信息采集和控制中心。水廠分控中心采集各站點的數(shù)據(jù)信息，并對這些信息進行存儲、分析匯總或打印等處理。通過數(shù)據(jù)分析，及時給出報警信息或向站點發(fā)出控制命令，控制站點設備的運行。水廠分控中心還需將匯總數(shù)據(jù)傳送到水司控制中心，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的調(diào)度和管理。
在水廠內(nèi)部根據(jù)生產(chǎn)管理的要求、生產(chǎn)工藝流程的復雜程度、信息量的大小和控制設備的多少來劃分水廠監(jiān)控分站，如：取水泵房分站、反應沉淀池分站、濾站、送水泵房分站或水廠配電室分站等。每一個監(jiān)控分站采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息并上傳至水廠分控中心，同時接受水廠分控中心發(fā)出的控制命令，控制現(xiàn)場的各種工業(yè)設備。除此之外，每一個監(jiān)控分站都具有獨立的操作系統(tǒng)，它們即可由水廠分控中心控制，也可獨立工作脫離系統(tǒng)運行。系統(tǒng)的取水和供水管網(wǎng)監(jiān)控站點也是如此。
由于系統(tǒng)可實現(xiàn)信息的逐級傳輸和系統(tǒng)的逐級控制，各個站點又具有獨立的工作能力，因此系統(tǒng)的靈活性和可靠性將大大提高。同時這種方式也適合于自來水行業(yè)現(xiàn)行的管理模式。
2.通信方式
SCADA系統(tǒng)一般采用無線傳輸方式來完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，使用的設備為無線電臺。無線傳輸一般采用主從應答方式，即主站利用無線網(wǎng)絡下達命令，從站接收到命令后，執(zhí)行相應操作，產(chǎn)生回應?；貞梢詾閿?shù)據(jù)，也可以為系統(tǒng)信息。
如前所述，城市自來水公司生產(chǎn)過程自動化監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）包括：水司控制中心、多個水廠分控中心、多個水廠監(jiān)控分站、多個水源井監(jiān)控站、多個管網(wǎng)加壓站和多個管網(wǎng)測壓站。除一個水廠內(nèi)各監(jiān)控分站較為集中外，其它監(jiān)控站點均散布在城市的各個區(qū)域。因此通訊系統(tǒng)應考慮城市地形、地貌的影響。正是由于自來水SCADA系統(tǒng)既有集中，又有分散的特點，在實際應用中亦采用劃分區(qū)域、有線無線結合的通信策略。具體做法是：以一個水廠為一個通信區(qū)域，水廠分控中心為通信控制中心；水廠內(nèi)部各監(jiān)控站點與水廠分控中心采用有線通信方式（RS485），也可以采用無線通訊方式（電臺）；水廠管轄下的取水、供水管網(wǎng)監(jiān)控站點與水廠分控中心采用無線通信方式（電臺）；水廠分控中心與水司控制中心之間采用聯(lián)網(wǎng)通信方式（微波、光纜、衛(wèi)星、無線電、租用電話線等）。系統(tǒng)通訊方式示意圖見圖5。

3．基本組成單元
RTU（遠程測控終端）是SCADA系統(tǒng)的基本組成單元，采集、控制和通信是他所具有的基本功能。
對于具有分布式、集散型、網(wǎng)絡化特點的企業(yè)，其SAS/SCADA系統(tǒng)的建立，離不開承上啟下的RTU產(chǎn)品。隨著應用領域的不同，RTU也有不同形式的構成與特點。
以城市自來水公司為例，城市供水綜合自動化系統(tǒng)中的SCADA系統(tǒng)，必須具備并且非常重要的一個功能就是：實時、準確地監(jiān)測遍布于全市的自來水管網(wǎng)的壓力變化情況，另外還可能監(jiān)測流量、余氯和濁度三個數(shù)據(jù)信息。應用于管網(wǎng)測壓的RTU產(chǎn)品就是為此目的而設計的。由于管網(wǎng)測壓工藝簡單、無須控制、散布廣泛，因此就要求此類RTU產(chǎn)品具有結構簡單、性能可靠、價格便宜等特點。
水廠生產(chǎn)工藝較為復雜，采集控制點較多，因此也需要有功能較為強大RTU產(chǎn)品來支持。一般來說，此類RTU產(chǎn)品應具有多種類型的信號輸入，具有強大的軟件支持，具有梯形圖、C語言等編程能力，可支持PID等多種控制算法，可實現(xiàn)有線或無線通信方式。在很多場合還需要它具有監(jiān)視和操作功能。只有這樣，才能夠滿足不同水廠、不同工藝、不同用戶的要求。
北京安控科技發(fā)展有限公司針對自來水企業(yè)的生產(chǎn)特點，開發(fā)出了適合于不同場合應用的RTU產(chǎn)品。以SuperE為代表的通用一體化RTU系列產(chǎn)品，可廣泛地應用于城市供水SCADA系統(tǒng)中，可滿足不同用戶的不同要求。選擇不同配置的SuperE產(chǎn)品，輸入不同類型的控制程序，可形成管網(wǎng)壓力監(jiān)測器、管網(wǎng)中途加壓站控制器、水源井控制器、水廠監(jiān)控分站控制器等不同類型的RTU。SuperE產(chǎn)品外形見圖6，其特點見附錄I。

4．數(shù)據(jù)庫
自來水SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)以水司控制中心數(shù)據(jù)庫和水廠分控中心數(shù)據(jù)庫為核心，它們包含：水廠生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，水源、管網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，報警、控制數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、報表數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)等多種類型的數(shù)據(jù)信息。兩個數(shù)據(jù)庫結構類似，只是側重點不同。水司控制中心數(shù)據(jù)庫側重于統(tǒng)計、報表和歷史數(shù)據(jù)，水廠分控中心數(shù)據(jù)庫側重于實時和報警、控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫結構見圖7。

5．軟件
自來水SCADA系統(tǒng)需有一個軟件系統(tǒng)支持。此軟件系統(tǒng)不但要有行業(yè)特征，還要具有靈活的組態(tài)功能。它一般是在通用組態(tài)軟件的基礎上開發(fā)而成。
自來水SCADA系統(tǒng)軟件分為兩大部分：水司控制中心軟件系統(tǒng)軟件和水廠分控中心系統(tǒng)軟件。它們結構類似，只是側重點不同。前者側重于統(tǒng)計、查詢，后者側重于報警和控制。它們的結構如圖8所示。
ESpider是一個優(yōu)秀的組態(tài)軟件，經(jīng)過了多種系統(tǒng)的應用和考驗。它具有功能豐富，性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠等特點。該軟件的詳細介紹見附錄II。

以Espider為基礎，北京安控科技發(fā)展有限公司開發(fā)了應用于水行業(yè)的EWS—SCADA系統(tǒng)軟件，它既保留了Espider的原有內(nèi)核，同時又賦予了它行業(yè)特征，使得用戶使用起來更加方便、簡單。
在一般情況下，用戶不必了解Espider的使用，只需使用EWS對系統(tǒng)進行設定就可實現(xiàn)系統(tǒng)運行。如果EWS不能完全滿足用戶的要求，也可在Espider的基礎上開發(fā)新的功能或編制新的控件。
6．功能
以SuperE為基礎，以EWS系統(tǒng)軟件為支持，自來水SCADA系統(tǒng)可實現(xiàn)以下主要功能：
遙測
根據(jù)系統(tǒng)設定參數(shù)，遙測水廠和不同站點RTU的監(jiān)測數(shù)據(jù)（特別是管網(wǎng)壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)），形成系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)庫。
遙控
控制各水廠內(nèi)污水泵房、反應沉淀池、濾池、送水泵房的設備運行。
報警
監(jiān)測數(shù)據(jù)量的上、下限報警，報警記錄。
參數(shù)輸入及組態(tài)
輸入系統(tǒng)參數(shù)，如巡檢周期、控制參數(shù)、報警限、計算公式、系統(tǒng)時間等，并對這些參數(shù)進行組態(tài)，以形成完整的系統(tǒng)操作、控制、統(tǒng)計、顯示、打印參數(shù)數(shù)據(jù)庫。整個系統(tǒng)以此數(shù)據(jù)庫為基礎運行。
自動巡檢
自動巡檢各水廠和測壓站及其它站點數(shù)據(jù)及生產(chǎn)設備工作情況。
手動采集
手動巡檢各水廠和測壓站及其它站點數(shù)據(jù)及生產(chǎn)設備工作情況。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計
能實現(xiàn)對自來水公司的總用水量、總供水量等數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計，生成報表。
數(shù)據(jù)打印
根據(jù)系統(tǒng)設定參數(shù)，自動打印系統(tǒng)遙測、遙控數(shù)據(jù)及統(tǒng)計報表數(shù)據(jù)。
遠程診斷、遠程維護、遠程升級
通過網(wǎng)絡，可以對監(jiān)控站點RTU進行遠程診斷、遠程維護、遠程升級。