基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實時模擬

常 魁，高金良，袁一星，趙洪賓

(哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院，150090哈爾濱，19401010@163.com)

通過穩(wěn)態(tài)模擬和延時模擬可以實現(xiàn)供水管網(wǎng)運行工況分析，為管網(wǎng)優(yōu)化設計、優(yōu)化調度及優(yōu)化改擴建提供科學依據(jù)[1-6].隨著供水管網(wǎng)模擬技術的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)廣泛應用于供水管網(wǎng)計算數(shù)字化管理，為智能供水管網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎.本文將SCADA系統(tǒng)應用于供水管網(wǎng)水力模擬過程中，建立供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)，并應用于東北某大型城市.

1 SCADA系統(tǒng)與OPC通信技術

1.1 SCADA系統(tǒng)

SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[7].是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設備控制、測量、參數(shù)調節(jié)以及各類信號報警等各項功能.SCADA系統(tǒng)在電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工、汽車、機械制造等諸多領域得到了廣泛的應用[8-9].SCADA系統(tǒng)的主要結構包括遠程控制單元RTU(Remote Terminal Unit)、通訊網(wǎng)絡及中心站.

中心站是一個局域網(wǎng)，可包含多個工作站和支持網(wǎng)絡功能的設備，以完成不同的工作.它通過中心站軟件管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，每個工作站通過組態(tài)畫面監(jiān)測現(xiàn)場站點，下發(fā)控制命令進行控制，并完成工況圖、統(tǒng)計曲線、報表等SCADA軟件的標準功能.

采用SCADA系統(tǒng)OPC通信構建的實時仿真系統(tǒng)充分利用SCADA軟件對OPC的支持，通過一致接口進行數(shù)據(jù)訪問.SCADA系統(tǒng)結構如圖1所示.

圖1 SCADA系統(tǒng)結構圖

1.2 OPC技術

如圖1所示，SCADA系統(tǒng)與專業(yè)應用模塊通過OPC(OLE For Process Control)進行數(shù)據(jù)交換.SCADA系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫從I/O驅動程序中獲取過程數(shù)據(jù)，而I/O驅動程序負責軟件和設備的通信.在I/O驅動程序里，其中一項就提供了對OPC數(shù)據(jù)訪問的支持.

OPC技術基于微軟的OLE(現(xiàn)在的Active X)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術[10].OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng).OPC定義了應用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法，可以實現(xiàn)不同硬件產品與軟件產品之間的交互操作，所以，基于OPC標準的SCADA系統(tǒng)是真正開放的過程控制系統(tǒng).

2 供水管網(wǎng)實時模擬模型的構建

2.1 實時模擬模型的提出

傳統(tǒng)管網(wǎng)模型屬性信息包含靜態(tài)信息和動態(tài)信息[1，11].靜態(tài)信息包含管長、管徑、管網(wǎng)拓撲結構等;動態(tài)信息包含節(jié)點流量、水泵、水池和閥門等信息.傳統(tǒng)管網(wǎng)模型計算速度較快，對包含幾千條管段的大型供水管網(wǎng)進行穩(wěn)態(tài)水力計算僅需1 ～2 s.

傳統(tǒng)水力模型計算方程如下:

北大教授吳組緗，同樣尊重和堅持自己的尺度。上世紀40年代，他曾應聘四川省立教育學院教授，當時是在學期中間，校方希望他開半個學期的課，但可支付他一學期的薪水。沒想到，吳組湘當即表示：“這樣怎么行？我明明只上了半學期的課，怎么能拿你們一學期的薪水？”這在庸人眼里，無疑是書呆子的迂腐表現(xiàn)，但在正人君子看來，他實事求是、公平公正的“尺度”，著實令人敬佩。

式中:A為銜接矩陣;q為管段流量向量;Q為節(jié)點流量向量.

式中h為環(huán)內管段水頭損失.

式中:Hi，Hj為管段兩端節(jié)點 i，j的節(jié)點壓力;hij為管段水頭損失;Sij為管段摩阻;qij為管段流量.

傳統(tǒng)模型中節(jié)點流量向量為已知量，通過實測與統(tǒng)計的方法繪制用戶水量及水池水位變化的24 h變化曲線，結合日用水量數(shù)據(jù)計算各時刻節(jié)點流量向量，進行管網(wǎng)水力模擬，獲得管道流量與壓力信息.因此，傳統(tǒng)水力模型采用人工方式為模型提供計算所需水量信息，不能實時分析供水管網(wǎng)運行工況，用水量及用水類型對模擬結果具有重要影響.

本文提出基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實時模擬模型，實時獲得供水管網(wǎng)運行信息，利用SCADA系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)對供水管網(wǎng)運行工況進行實時仿真模擬，能夠及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)運行異常工況，實現(xiàn)供水管網(wǎng)運行工況實時分析、管理.

2.2 實時模擬模型的構建

供水管網(wǎng)實時模擬模型利用與傳統(tǒng)管網(wǎng)模型相同的信息，但是采用實時監(jiān)測數(shù)據(jù)作為模型邊界條件和模擬初始參數(shù)值.基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和內置的用水類型預測工具，實時模擬模型可以對供水管網(wǎng)當前及未來一段時間內運行狀態(tài)進行模擬計算.

傳統(tǒng)供水管網(wǎng)水力計算模型基于理想化的24 h用水變化規(guī)律及節(jié)點流量分布.在模型校核的過程中，即使低精度的數(shù)據(jù)也可以獲得一個合理的結果[7].實時模擬模型采用較多的實時監(jiān)測流量和壓力數(shù)據(jù)，放寬了這些邊界條件，導致對模型校核和監(jiān)測結果精度要求的提高.因此，實時模擬模型需要準確的管網(wǎng)靜態(tài)信息和一個校核較好的傳統(tǒng)管網(wǎng)模型.

對于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)中存在的無效數(shù)據(jù)，實時模擬模型自動進行容錯判斷，采用同一時段內歷史數(shù)據(jù)或用戶提供的默認值進行計算分析.

供水管網(wǎng)實時模型根據(jù)管網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)周期性進行模型校核，以保證管網(wǎng)模型精度.模型校核周期根據(jù)供水管網(wǎng)規(guī)模及其運行狀況確定.

3 供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 實時模擬系統(tǒng)設計框架

本文建立的供水管網(wǎng)實時模擬模型以供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)[13-14]為基礎，通過實時監(jiān)測流量和壓力數(shù)據(jù)驅動模型.實時數(shù)據(jù)通過SCADA系統(tǒng)每間隔15 min采樣一次，采樣結果通過OPC通信技術傳遞給供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng).實時模擬系統(tǒng)設計框架如圖2所示.

供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)建立在客戶/服務器(Client/Server)模式基礎之上，具有較高的穩(wěn)定性與可靠性.

實時模擬系統(tǒng)的上層充分利用供水管網(wǎng)專業(yè)分析平臺對管網(wǎng)分析計算的支持與SCADA系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)庫、I/O驅動程序以及各種網(wǎng)絡服務組件的支持，通過OPC技術將二者進行集成.

實時模擬系統(tǒng)的下層，把OPC服務器嵌入到供水管網(wǎng)工況分析的數(shù)學模型程序、數(shù)據(jù)庫以及現(xiàn)場實際的物理設備中，通過OPC通信技術實時獲得管網(wǎng)運行信息，為供水管網(wǎng)計算分析及模型校核提供數(shù)據(jù)支持.

圖2 實時模擬系統(tǒng)設計框架

3.2 實時模擬系統(tǒng)OPC服務器的設計與實現(xiàn)

實時模擬系統(tǒng)OPC服務器為供水管網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)進行實時模擬提供輸入數(shù)據(jù)，結構如圖3所示.

圖3 實時模擬系統(tǒng)OPC服務器的結構

OPC服務器內部的數(shù)據(jù)項代表著與數(shù)據(jù)源的連接，但這些數(shù)據(jù)項并非數(shù)據(jù)源本身.本文在服務器劃出一個數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用來存儲工況分析數(shù)學模型所需的控制量、過程數(shù)據(jù)等.工況分析數(shù)學模型周期性執(zhí)行，在數(shù)學模型執(zhí)行的一個周期里，首先，從數(shù)據(jù)存儲區(qū)里獲得必要的數(shù)據(jù)(如水量);其次，根據(jù)所獲得的控制量運算數(shù)學模型模塊得到結果(如壓力);最后，將這些結果寫到數(shù)據(jù)存儲區(qū)里.OPC服務器所要做的事情就是將每一個數(shù)據(jù)項與數(shù)據(jù)存儲區(qū)的每一個數(shù)據(jù)點正確關聯(lián)起來.

供水管網(wǎng)實時模擬模型中各監(jiān)測點數(shù)據(jù)包含SCADA系統(tǒng)編號、數(shù)據(jù)類型、單位、水力模型編號、監(jiān)測結果等屬性.實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括各水源流量、出廠壓力、水泵狀態(tài)、閥門狀態(tài)及監(jiān)測點壓力.

4 實例研究

4.1 項目背景

通過SCADA系統(tǒng)OPC通信實現(xiàn)H市供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)供水管網(wǎng)實時模擬.

H市供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)構建了該市復雜舊管網(wǎng)供水管網(wǎng)GIS圖文信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫錄入8 383張1∶500圖紙，包含全部入戶管，覆蓋全市供水系統(tǒng)，建立包括14 199個節(jié)點，15 132條管段管網(wǎng)模型，可以進行供水管網(wǎng)水力模擬計算，進行管網(wǎng)運行工況分析，實現(xiàn)H市供水管網(wǎng)的全面數(shù)字化.H市供水系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)了對制水及輸配水過程的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集.

4.2 實時模擬系統(tǒng)實現(xiàn)

基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)連接供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)，全市供水管網(wǎng)布設50個在線監(jiān)測點，如圖4所示.

圖4 供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)利用SCADA系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)對供水管網(wǎng)進行實時模擬，實時分析管網(wǎng)運行工況，部分水廠流量監(jiān)測結果如圖5所示，其中L811、L812、L821、L822、L83、L84 為監(jiān)測點編號.在線監(jiān)測點0106實時監(jiān)測與模擬結果如圖6所示.實時模擬系統(tǒng)將在線監(jiān)測點實時采集數(shù)據(jù)與模型實時計算結果同時顯示，當在線監(jiān)測數(shù)據(jù)超出數(shù)據(jù)限定范圍，實時模擬系統(tǒng)進行報警提示，如圖7所示.

圖5 水廠流量實時監(jiān)測結果

圖6 0106點監(jiān)測與計算結果

圖7 監(jiān)測點超壓報警

5 結論

1)建立了基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)，將SCADA系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)傳遞到供水管網(wǎng)水力模型，實現(xiàn)供水管網(wǎng)實時模擬分析.模擬結果表明，實時模擬系統(tǒng)可以為調度人員提供預警信息，保證供水管網(wǎng)安全運行.

2)供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)為供水管網(wǎng)運行管理提供有力工具，管網(wǎng)調度人員根據(jù)實時模擬結果及監(jiān)測信息可以及時制定調度方案，調整管網(wǎng)運行狀態(tài);通過管網(wǎng)壓力分析及時發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)突發(fā)事故，如爆管.

3)基于SCADA系統(tǒng)OPC通信的供水管網(wǎng)實時模擬系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)供水管網(wǎng)數(shù)字化分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問、有人參與等問題，為智能供水管網(wǎng)的發(fā)展提供了新思路.

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