SCADA系統在城市供水系統中的應用

王冉　李大勇　姜福歡　周慶蓮

[摘要]本文結合錦州市大凌河供水工程SCADA系統設計的實例，詳細介紹了SCADA系統的配置和功能，錦州市大凌河供水項目已運行十五年之久。取得了很大的經濟效益和社會效益，積累了豐富的操作使用經驗，對今后設計新的給水項目具有很大的指導意義。

[關鍵詞]SCADA系統，RTU，主機，GPRS軟件

[中圖分類號]TV674 [文獻標識碼]B [文章編號]1672-5158（2013）06-0305-02

1 前言

我們從八十年代中、后期選用了國內、國外的SCADA系統設備，最早使用單線遙控技術，后來采用功能組的遙控設備，近十幾年選用成套的SCADA系統。要求四遙的水平不斷迅速提高，SCADA監控設備也不斷更新換代。近幾年我們在哈爾濱市、大連市、鞍山市、營口市設計了十多項SCADA系統，投運后運行良好。由于錦州市大凌河供水中設計選用的SCADA系統于1994年投產以來可靠穩定運行十四年了，而且其規模也很大，所以本文重點介紹了SCADA系統在錦州大凌河供水系統中的應用，很有代表性，很有實際意義。

供水工程簡介：錦州市大凌河供水工程是世界銀行貸款的國家重點工程，1991年設計，1992年動工，1994年建成。供水系統包括20萬噸/日生產能力的大木凈水廠（包括原有13萬噸/日），10萬噸/日供水能力的八段加壓泵站，水源地的水源井群（20口）。大木水廠離八段加壓泵站有50公里，八段加壓泵站離水源地井群有十幾公里，水源井布置比較分散。

2、SCADA系統方案的確定

該供水系統規模大，供水范圍廣，由于提供城市大部分的生產及生活用水，因此可靠性要求高，按傳統的管理方式設計，凈水廠、加壓泵站和水源井群均需要安排人員值班，各處的值班人員保持經常的電話聯系，才能了解各處的泵的運行狀態、出水壓力、機溫、水位、流量等參數。一旦泵或儀表出現故障，派人馬上維修。這種管理方法，第一，不可靠，在通訊不暢或陰雨天經常會出現各種事故，造成停止供水；第二，這種管理方法，工人的勞動強度大，責任重；第三，技術落后，嚴重制約了供水系統的科學化、現代化。

為此，對該供水工程選用了可靠先進的SCADA系統。“SCADA”的涵義為：“SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITIONSYSTEM”，中文為“監控及數據采集系統”。通訊采用有線與無線相結合。在此以前，在別的供水工程中我們設計選用過單線遙控，功能組件的四遙系統，以單片機為基礎的四遙系統，但均不理想、可靠。雖然這些技術、產品當時還有。但由于：一、設備，技術落后；二、元器件不可靠；三、不兼容，不開放，不遵守國際上的通訊協議TCP/IP FTP，尤其IEEE802.3。所以在設計時不能采用。

該供水系統設計選用的是國外的SCADA系統，技術參數以美國產品為依據，通過世界銀行貸款設備招標。招標來的是美國摩托羅拉公司產品，遵守IEEE802.4，無線通訊遵守IEC870.5。

該供水工程的SCADA系統是一個三級調度系統。水源井群為最下級調度；八段加壓泵站、大木凈水廠及原有供水廠為中間級調度；公司對這些泵站水廠為最高級別調度。

監控內容如下：

2.1 大木凈水廠

2.2 八段加壓泵站

2.3 水源井群

3 SCADA系統的構成及配置

SCADA系統是由遠程監控站、通信系統、上位管理站及計算機網絡構成。

該系統可支持單層網到復雜的遞階多級網。每級最多可支持240個遠程監控站或1000個站。監控范圍可從幾公里到幾百公里（加中繼站）。監控點數從幾百點到幾千點。而且該系統遵循國際通訊協議。

3.1 遠程監控站

3.2 通信系統

3.3 上位管理站

3.4 計算機網絡

4、SCADA系統的軟件系統

SCADA系統中的軟件是基于面向對象的多任務執行系統（MTE：Multi TasMng Executive system）設計而成的。當SCADA的RTU冷啟動時自動支持不同的硬件模塊和用戶設置的不同的通訊口。這樣所有RTU可以使用一個標準的軟件包滿足不同的應用需要。SCADA系統中的軟件支持基于OSI模型的通訊協議MDLC。該協議將網絡分成7個連續的層次，每層均為其相鄰高層提供一個基本的服務和支持。

SCADA系統中的RTU軟件提供下列功能：

——可以將應用程序分成最多可達5個優先級別，以提高系統效率；

——提供對用戶數據表和梯形圖的實時監視和調試；

——RTU上電時執行上次RTU掉電時執行的任務；

——隨時檢測軟件和硬件故障；

——所有軟硬件的錯誤信息存儲在錯誤登錄器中，可在SCADA系統任何通訊口調出，以方便系統的調試和日常維護。

4.1 編程工具包及其功能

4.2 數據傳送方式

5、系統功能及特點

5.1 系統功能

1）遙測功能：數字濾波、報警比較處理、算術與邏輯運算、流量積算和脈沖累計等。

2）數據采集和報警監視功能

3）遙控功能：PID控制、順序控制。

4）維護功能：故障診斷、錯誤處理。

5）管理功能：能量計算、數據處理、畫面顯示、潮流預測、優化調度、趨勢記錄及報表打印等。

5.2 特點

1）可靠性高。

2）通信方式多，距離遠。

3）組態靈活，構成擴展系統容易。

6、檢測儀表

按工藝流程的要求設置了相應的檢測儀表。

如上所述，所選用的儀表包括流量（電磁）、壓力、佘氯、濁度、液位（超聲波）、鐵離子、錳離子等儀表。

另外，自動加氯系統提供了漏氯、氯氣氣體流量，自動加氯機閥位等。

不容忽視的事實是，電氣設備提供的開關量是可靠的，因此檢測儀表的質量也要求的高，為了SCADA系統的成功，所以設計及設備招標選用的儀表均是來自美國、英國、德國的先進可靠的智能型的檢測儀表。

7、SCADA系統運行總結

當然，今日的SCADA系統不論硬件、軟件，隨著電子信息技術的迅猛發展均有很大進步，硬設備如CPU，存儲器，硬盤等的技術指標也有很大提高，軟件自診斷功能加強，所以在以后的供排水工程設計中要考慮到系統兼容性，日后可擴展性。

為了提高系統通訊的可靠性，無線通訊今后最好選用被實踐證明可靠的GPRS技術。2004年設計沈陽供水項目的SCADA系統就是這樣做的。隨著計算機網絡控制技術早已融入了變電站監控的方方面面，國內外已制造出了變電站（所）計算機監控系統及馬達管理中心。2008年鞍山市供水項目SCADA系統就是這樣做的。該系統是一套利用計算機網絡控制技術對變電站（所）進行測控和監視的軟、硬件體系。八段加壓泵站、大木配水廠由于主要設備為高壓電機，應使用這種系統設備最適合。該系統由綜合保護器、現場總線、PLC前端機及配套軟件組成，PLC由前端機控制。

通訊選用光纖，數據傳播既迅速又準確（八段加壓泵站至井群儒RTU）。

前端機提供網絡通訊接口與監控中心或工作站連接，實現系統集中監控。前端機要遵守下行通訊協議MODBOS、上行通訊協議ICP/IPMODBOS、DC451等。

綜合保護器是集保護、測量、控制、通信功能為一體的分布式微機成套保護測控裝置，并有sCADA接口，采用后可省掉電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數等檢測儀表，并可大大減少二次接線，節省人力，減少故障點，便于檢修。

最近幾年尤其2004年設計的沈陽、大連、鞍山、營口等供水項目都是這樣做的，在沈陽市供水項目設計的SCADA系統還考慮了上述的新理念、新技術、新設備并妥納。

盡量采用嵌入式技術

今后盡量采用嵌入式技術，將過去的FCS、DeS、PLC、GIS、OAS辦公自動化系統，所有現場測控系統及主工藝流程所引用的先進控制技術（如未來兩遠測，模糊神經技術在線監控的加藥系統，污性物廢氣處理的人工智能防真閉環監控系統等等）都納入到INTERNET+RTE+TCP/IP協議為主要模式的信息控制一體化系統中去。因為嵌入式系統是實現工業信息控制一體化不可分割的一部分。

專家們預測，到2010年是嵌入式INTERNET的時代。

總之，為了我國供水事業上新臺階，為了應對日新月異的高新技術的挑戰，尤其是SCADA系統又有新技術新產品的出現，設計人員、管理人員要不斷提高自身技術水平及素質。