基于SCADA水處理廠系統的設計與實現

周曉寧（中電投電力工程有限公司，山東 海陽 265100）

魏明哲（西安交通大學，陜西 西安 710049）

1 引言

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即是數據采集與監視控制系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統。它可以實時采集現場數據，對工業現場進行本地或遠程的自動控制，對工藝流程進行全面、實時的監視，并為生產、調度和管理提供必要的數據。它的主要結構包括遠程控制單元 RTU（Remote Terminal Unit），通訊網絡和中心站，其RTU的主要作用是進行數據采集及本地控制，進行本地控制時作為系統中一個獨立的工作站，這時RTU可以獨立地完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID等工業上常用的控制調節功能；進行數據采集時作為一個遠程數據通訊單元，完成或響應本站與中心站或其它站的通訊和遙控任務。

作為生產過程和事物管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統之一，它包含兩個層次的含義：一是分步式的數據采集系統，即智能數據采集系統，也就是通常所說的下位機；另一個是數據處理和顯示系統，即上位機HM I（Human Machine Interface）系統，如圖1所示。下位機一般意義上通常指硬件層上的，即各種數據采集設備，如各種PLC及各種智能控制設備等。這些智能采集設備與生產過程和事務管理的設備或儀表相結合，實時感知設備各種參數的狀態，并將這些狀態信號轉換成數字信號，通過特定數字通信網絡傳遞到HM I系統中。必要的時候，這些智能系統也可以向設備發送控制信號。上位機HM I系統在接受這些信息后，以適當的形式如聲音、圖形、圖像等方式顯示給用戶，以達到監視的目的，同時數據經過處理后，告知用戶設備各種參數的狀態（報警、正常或報警恢復），這些處理后的數據可能會保存到數據庫中，也可能通過網絡系統傳輸到不同的監控平臺上，還可能與別的系統（如M IS，GIS）結合形成功能更加強大的系統；HM I還可以接受操作人員的指示，將控制信號發送到下位機中，以達到控制的目的。

圖1 監控系統結構圖

2 水處理廠控制功能要求

由于各個應用領域對SCADA的要求不同，所以不同應用領域的SCADA系統發展也不完全相同。應用到水處理廠，即是水廠SCADA 系統，它是水廠面向生產、經營整個生命周期的管理控制和優化信息的系統。它把龐大的生產過程信息、企業內部管理信息、外部環境信息，快速地分類、統計、分析，為上層的管理人員提供決策所需的必要信息。把生產過程信息、原料消耗信息、過程產品產量信息、成品產品產量信息、能源消耗量信息、設備狀況信息、原材料供給信息、客戶信息、產品需求信息等科學地分類，提供一個管理層數據庫，從而減少人為地把生產層的信息錄入到管理層的勞動量，并減少人為的干預、提高信息置信度，同時把管理層的生產作業調度指令、生產計劃、能耗指標等信息快速地回饋到生產過程的控制層中。

本文以某水處理廠為例，水廠采用了先進的澄清和過濾工藝，并采用自動加礬、加氯、加氨的設備，甚至準備引用國外先進的陶粒濾池生物預處理、臭氧活性碳濾池等給水深度處理技術來優化水質，這些先進工藝流程的上線決定了控制系統的升級，在這個要求之下，水廠對整套的控制系統提出了更高的要求。

2.1 分散控制

分散性是大多數水廠共有的一個特性，由于個別水源地較遠，造成了控制系統的 I/O 點分散，因此控制系統也應具備分布式的特性，要使 SCADA 系統能夠分散地監控各配水泵房、提升泵房的獨立工作和運行狀態。

2.2 集中監控

為了節省人力物力，降低制水成本，更好地體現“分散控制集中管理”這一現代控制理念，操作人員應當可以在中控室中對整個水廠進行集中監控。

2.3 小型化集成化通訊能力強

對于某些工藝環節，例如泵站，其邏輯控制要求的 I/O 點數較少，為了降低系統造價，控制系統需要小型化、低成本，與此同時，也不能忽略了控制系統的通訊功能。

2.4 可靠安全及可維護性

為保證水廠的安全和穩定運行，必須從SCADA的結構設計、軟硬件的產品質量和控制程序的編制、網絡通訊的安全等方面提高可靠性。同時，系統還應當具有強大的報警、冗余和故障自診斷功能，方便對系統故障進行分析維護和恢復。

3 SCADA系統設計與實現

本系統采用以開放現場總線網絡NetL inx體系為核心的SCADA系統，設計分為三層：基于網絡通信數據庫管理的信息層（使用EtherNet/IP協議）、以ControlLogix平臺為核心的控制層（使用ControlNet協議）及采用DeviceNet網絡連接傳感器及執行機構的設備層（使用DeviceNet協議）。

3.1 硬件設計與實現

以該水處理廠為例，根據集散控制原理，設一個中心控制室和五個現場PLC控制分站（即取水、混凝加藥、加氯、濾池、送水分站）。中心控制室中有一臺服務器和一臺遠程中央控制室主站PC通過上層以太網進行數據交換，且還有兩臺PC（監控工作站1和監控工作站2）同時掛在冗余的ControlNet上；現場控制分站以ControlLogix平臺為控制核心，分布在各工藝段，各站之間通過冗余ControlNet網絡通信，同一分站上的兩個ControlLogix 之間通過光纖進行CPU冗余，進行故障無擾動切換。在控制層主要有取水泵站PLC1，負責監控取水泵房取水泵運行溫度、電量參數及水質參數等；混凝加藥站PLC2，負責監控加礬計量泵、加氯機的運行操作，檢測加藥沉淀后的水質參數；加氯控制站PLC3，負責檢測原水水質、過濾后水質及清水水質參數和運行參數，監控加氯機的運行操作；濾池站 PLC4，控制濾池自動恒水位過濾沖洗；送水泵站PLC5，負責出廠水水質測量和配水控制。ControlLogix 通過DeviceNet網絡連接廣泛分布的傳感器和執行機構。

3.2 冗余系統設計

在一些對系統可靠性要求很高的應用中，需要考慮熱備份也就是系統冗余。這是指系統中一些關鍵模塊或網絡在設計時有一個或多個備份，當現在工作的部分出現問題時，系統可以通過特殊的軟件或硬件自動切換到備份上，從而保證了系統不間斷工作。通常設計的冗余方式包括：網絡冗余、CPU冗余和電源冗余。

3.2.1 網絡冗余和CPU冗余

系統采用帶冗余的ControlNet為主控網，當任意一個通訊通道出現故障或斷線時，可實現無擾動切換，不影響數據交換，并具有斷線的自診斷功能。

在各種工業控制的場合，尤其是對生產連續性要求比較高的過程控制場合，當控制系統的核心部分——主控制處理器出現異常時，CPU的冗余熱備份可以使另一個備用處理器實時自動地接管整個控制系統，這樣整個控制系統可以不間斷地繼續進行生產，避免了系統停機給生產帶來不必要的損失，使整個生產過程更加連續和穩定。

在本冗余系統中，由兩套完全一樣的處理器分別構成主副系統，主副系統和I/O機架全部連接在ControlNet網絡上，通過冗余模塊1756-SRM來完成冗余。由于ControlNet網絡采用了生產者/消費者模式，使得主副系統得以共享I/O，即主副系統接收共同的輸入信息，同時也連接于共同的輸出，但I/O適配器只采用來自主系統的輸出，故而只有主系統控制著實際的輸出，主副系統同時連接在相同的ControlNet網絡上，使得他們得以保持同步的網絡通訊和程序掃描。當主系統由于內部或外部原因而無法實施控制時，副系統將接替主系統的工作，此時副系統升為主系統，如果主系統恢復正常，它將成為備用的副系統。它是通過調整以下硬件得以實現的，如圖2所示。

圖2 硬件冗余設計圖

3.2.2 電源冗余

當外部電源發生斷電情況時，如果沒有備用電源，整個系統就會癱瘓，因此系統應該有冗余的電源設備。這里的備份并不是說簡單的安裝兩套設備，而是設計使之能在一個中斷后另一個能立即工作。當本系統的外部電源發生斷電情況時，各 PLC 柜所帶的 UPS 電源會立刻切換過來給系統供電，保證系統運行的可靠性。

4 SCADA控制系統軟件的設計

控制系統的軟件設計是SCADA系統的關鍵環節之一，由于SCADA系統比較復雜，考慮到軟件的開發周期和運行的穩定性，本系統采用以組態軟件為主，數據庫技術和VB編程語言為輔的軟件設計模式。目的是構建一個軟件系統，包括了監控工作站如何從ControlNet 上獲得現場生產的數據和設備運行參數，監控工作站中動畫的動態顯示，數據保存至以太網數據服務器中并通過RsWebserver發布出去，使得網絡用戶可以通過瀏覽器查看，遠程用戶可以作為客戶端監控生產畫面，并可通過攝像頭捕捉到整個工廠的實時視頻。整個網絡拓撲如圖3所示。

圖3 軟件結構網絡拓撲圖

4.1 上位機通訊編程軟件設計

上位機使用組態軟件構造SCADA系統時，有兩個軟件也是必不可少的，即是RSLinx 和RSLogix，前者是建立在所有Rockwell軟件和現場控制設備之間的通訊方案工具，后者的500、5000軟件是針對SLC和ControlLogix 控制器的32位以Window s 操作系統為基礎的梯形圖邏輯編程軟件包。它們共同為SCADA系統提供了一個編程、管理、數據傳遞的基礎平臺，使得人機交互界面的組態和數據庫軟件得以在這個平臺上無縫地與底層構架交流通訊。

圖4 上位機通訊軟件組成圖

如圖4所示，這是一個典型的 Rockw ell 軟件構架的例子，RSLinx是網絡組態軟件，負責配置底層控制器與上位機之間的通訊服務驅動，可編程控制器設備編程軟件 RSLogix5000可對PLC的控制邏輯進行編寫，通過組態軟件RSView32 進行人機交互。

5 結語

文中針對某水處理廠需要實現的控制功能，從硬件和軟件兩方面對SCADA系統進行設計，采用NetLinx三層網絡支持SCADA系統符合分散控制集中管理的控制理念，采用Control-Logix與SLC等相結合的方式，減少了其邏輯控制要求的I/O點數，降低了系統造價，滿足小型化、集成化、通訊能力強的功能，減少了操作人員的工作量，降低了員工的勞動強度，提高了勞動生產率且運行安全可靠。

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