基于Web SCADA二次供水上位組態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用研究

宋云清

(伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 伊寧 835000）

某市自來水公司共有260個(gè)二供泵站，泵站均采用變頻器恒壓供水，在2019年之前有68名維修工負(fù)責(zé)二供泵房的運(yùn)行，存在發(fā)現(xiàn)故障不及時(shí)，造成供水質(zhì)量不好和設(shè)備損壞等事故。自2019年12月使用基于Web SCADA自動(dòng)化信息平臺(tái)上位組態(tài)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)以來，建立了調(diào)度中心，利用信息系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警、分析、報(bào)告等功能，提高了城鎮(zhèn)居民二次供水設(shè)施建設(shè)和管理水平，改善了供水水質(zhì)和服務(wù)質(zhì)量，促進(jìn)了節(jié)能降耗，加強(qiáng)了治安防范，保障了城鎮(zhèn)居民生活飲用水衛(wèi)生安全。

1 變頻恒壓給水的結(jié)構(gòu)和工作原理

變頻恒壓給水是將變頻調(diào)速技術(shù)、可編程控制技術(shù)應(yīng)用于水泵自動(dòng)控制之中，與電機(jī)泵組相結(jié)合的新型機(jī)電一體化供水。其原理是：根據(jù)管網(wǎng)瞬時(shí)壓力的變化，通過變頻器自動(dòng)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和其它臺(tái)水泵電機(jī)運(yùn)行和停止，滿足管網(wǎng)恒壓供水的需求，如圖1所示。

圖1 變頻恒壓給水設(shè)備工作示意圖

變頻恒壓供水設(shè)備即可手動(dòng)運(yùn)行，又可以自動(dòng)運(yùn)行。

1.1 變頻恒壓供水設(shè)備手動(dòng)運(yùn)行

按下不同電機(jī)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和停止不同的水泵。手動(dòng)方式只有在自動(dòng)故障時(shí)使用。

1.2 變頻恒壓供水設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行

升壓控制：管網(wǎng)壓力減小，用水量增加時(shí)，PID控制器閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵按給定速率加速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)管網(wǎng)壓力繼續(xù)減小，水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到工頻轉(zhuǎn)速后，管網(wǎng)壓力仍低于給定值，PLC控制水泵切換至工頻電網(wǎng)上恒速運(yùn)行，同時(shí)，第二臺(tái)水泵變速運(yùn)行，直到管網(wǎng)壓力達(dá)到給定值為止。如果管網(wǎng)壓力繼續(xù)減小，加速運(yùn)行的水泵達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)切換到工頻電網(wǎng)，新的水泵繼續(xù)投人并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺(tái)水泵投人運(yùn)行，轉(zhuǎn)速達(dá)到工頻轉(zhuǎn)速，管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到給定值時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警。

降壓控制：管網(wǎng)壓力升高，用水量減少，水泵轉(zhuǎn)速降至起動(dòng)頻率轉(zhuǎn)速時(shí)，若管網(wǎng)壓力仍高于給定值，工頻運(yùn)行時(shí)間最長的一臺(tái)水泵被關(guān)掉，對水壓繼續(xù)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力恢復(fù)到設(shè)定值。如果管網(wǎng)壓力繼續(xù)增加，減速運(yùn)行的水泵降至起動(dòng)頻率轉(zhuǎn)速時(shí)，將繼續(xù)關(guān)斷水泵，直到最后一臺(tái)水泵關(guān)斷為止。

2 Web SCADA平臺(tái)系統(tǒng)軟件優(yōu)點(diǎn)

Web SCADA平臺(tái)軟件系統(tǒng)屬于公開的B/S架構(gòu)組態(tài)軟件，系統(tǒng)安裝開發(fā)維護(hù)工作簡單易行，不需專業(yè)計(jì)算機(jī)編程人員維護(hù)，減小用戶維護(hù)不了系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)；系統(tǒng)基于HTML5+CSS3的最新純WEB網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能顯示所有模擬動(dòng)畫控制、趨勢、報(bào)警、報(bào)表等，不需任何插件，可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)訪問，所有系統(tǒng)的PC、平板、手機(jī)無插件訪問；系統(tǒng)支持SVG矢量圖組態(tài)技術(shù)，自適應(yīng)各種屏幕，不失真；結(jié)合精益架構(gòu)，快速處理，增強(qiáng)的多功能性和專家支持，可廣泛應(yīng)用于石油和天然氣、電力、能源、水管理、公用事業(yè)、樓宇自動(dòng)化等行業(yè)。

其主要特點(diǎn)如下：

（1）可擴(kuò)展性：集群分布架構(gòu)可以在大型網(wǎng)絡(luò)或地理區(qū)域大規(guī)模擴(kuò)展和布置SCADA安裝；支持物聯(lián)網(wǎng)MQTT代理、發(fā)布、訂閱全功能，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備高質(zhì)量實(shí)時(shí)物聯(lián)。

（2）開放性：軟件通信協(xié)議均為市場開放的協(xié)議。

（3）通用性：為組態(tài)軟件，不需要計(jì)算機(jī)專業(yè)開發(fā)知識(shí)，通過拖拉拽、簡單配置就可實(shí)現(xiàn)所有功能，可快速高效開發(fā)；支持模板功能，可快速移植項(xiàng)目，節(jié)省成本。

（4）可靠性與安全性：軟件具有HTTPS訪問功能。

（5）兼容性：系統(tǒng)考慮與現(xiàn)有的硬件設(shè)備兼容，為未來設(shè)備的接入留有接口余量，為未來系統(tǒng)的擴(kuò)容提供必要的技術(shù)與服務(wù)準(zhǔn)備。

市場上主要控制設(shè)備的驅(qū)動(dòng)協(xié)議與系統(tǒng)兼容，系統(tǒng)與上位系統(tǒng)可直接通信，不需要提前經(jīng)過協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3 二次供水自動(dòng)化信息平臺(tái)上位組態(tài)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)（如圖2）

3.2 系統(tǒng)組成

（1）監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過二次供水泵房遠(yuǎn)程監(jiān)管數(shù)據(jù)中心對二供泵房控制柜上傳的各個(gè)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再由監(jiān)管軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)管中心對系統(tǒng)內(nèi)所有二供泵房進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)控制。由本地云服務(wù)器劃分2臺(tái)采集服務(wù)器和1臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，采集服務(wù)器用于與泵站通信且交換數(shù)據(jù)、給大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、與集群主機(jī)組成集群服務(wù)器，同步數(shù)據(jù)。

圖2

（2）現(xiàn)場泵站?，F(xiàn)場泵站通過二次供水監(jiān)控終端采集傳感器、視頻安防、水質(zhì)監(jiān)測、能耗監(jiān)測、流量監(jiān)測、管網(wǎng)末梢壓力監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)信息，上傳至二次供水泵房遠(yuǎn)程監(jiān)管數(shù)據(jù)中心，并且能夠接收監(jiān)管軟件下發(fā)的指令信息，對泵房內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。現(xiàn)場泵站系統(tǒng)主要是由其他企業(yè)建180座泵站，自建約40座站，宏偉區(qū)約40座泵站共260座泵站組成的控制系統(tǒng)。包括恒壓供水控制柜、電能表、流量計(jì)、水質(zhì)在線分析儀、工業(yè)照相機(jī)、紅外報(bào)警器等。

（3）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。光纖專網(wǎng)由通信運(yùn)營商承建，使現(xiàn)場泵房與監(jiān)控中心組成數(shù)據(jù)VPN；監(jiān)控中心設(shè)有公網(wǎng)固定IP。

（4）服務(wù)器安裝位置。3臺(tái)服務(wù)器由本地云平臺(tái)分配，根據(jù)實(shí)際情況隨著泵站增加，可添加新集群網(wǎng)關(guān)服務(wù)器到集群服務(wù)器。

3.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

（1）點(diǎn)擊畫面可實(shí)時(shí)查看泵站視頻監(jiān)控。

（2）可查看回放保存在泵站硬盤錄像機(jī)歷史視頻數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)功能

（1）地圖信息功能?？煞糯罂s小，在地圖上顯示泵站圖標(biāo)，點(diǎn)擊可進(jìn)入泵站工藝監(jiān)控圖。

（2）工藝畫面綜合展示。實(shí)時(shí)顯示各個(gè)泵站工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行情況以及環(huán)境數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)測供水設(shè)備液位、壓力、頻率、流量、能耗等；遠(yuǎn)程監(jiān)測泵房溫度、環(huán)境、濕度、跑冒滴漏等；遠(yuǎn)程控制二次機(jī)組的急停、遠(yuǎn)程調(diào)參；遠(yuǎn)程控制門禁、視頻、報(bào)警等系統(tǒng)。

（3）實(shí)時(shí)顯示泵站工藝圖。在圖形上以不同的顏色顯示各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，顯示實(shí)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行情況。如圖3所示。

（4）曲線功能。可隨時(shí)查看泵站歷史數(shù)據(jù)的曲線進(jìn)行對比，對時(shí)間間隔、歷史數(shù)據(jù)可進(jìn)行選取。打印或?qū)С鰹镻DF。分析不同時(shí)段出水流量,自動(dòng)生成供水壓力曲線，分析水泵運(yùn)行頻率，優(yōu)化機(jī)組供水參數(shù)，降低能耗，如圖4所示。

圖3 工藝顯示

圖4 壓力曲線

（5）歷史數(shù)據(jù)。保存的歷史數(shù)據(jù)有：泵站各機(jī)組進(jìn)出口壓力、水電量、環(huán)境報(bào)警、用戶操作日志等關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（6）統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能。各泵站的時(shí)報(bào)、日報(bào)、月報(bào)、年報(bào)可以實(shí)時(shí)查詢、打印、查看。

（7）實(shí)時(shí)預(yù)警功能。生產(chǎn)預(yù)警和環(huán)境預(yù)警。

生產(chǎn)報(bào)警當(dāng)泵站生產(chǎn)過程出現(xiàn)進(jìn)出口壓力超壓或欠壓、水箱液位低于下限或高于上限時(shí)實(shí)時(shí)發(fā)生報(bào)警，在監(jiān)控畫面上顯示報(bào)警信息或聲音提示，并給相關(guān)用戶發(fā)送短信或郵件，當(dāng)操作確認(rèn)后方可消失報(bào)警信息。可管理報(bào)警條件，經(jīng)確認(rèn)泵站某種情況下些設(shè)備暫不投入使用，便可取消此報(bào)警，以免經(jīng)常報(bào)警造成監(jiān)控人員緊張。

環(huán)境報(bào)警為煙感、溫感、水浸、門禁非法入浸或紅外非法入侵時(shí)實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息，并通過短信告知相關(guān)人，等待確認(rèn)。

（8）用戶權(quán)限管理，用戶權(quán)限通過角色和級別兩種方式組合管理，不周角色的用戶由于管理權(quán)限的不同，登錄后只能看到自己權(quán)限范圍內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工藝畫面，可以自定義用戶權(quán)限。

（9）日志功能，凡是登錄的用戶，系統(tǒng)自動(dòng)記錄登錄時(shí)間和操作的內(nèi)容，以便管理者查詢。

（10）移動(dòng)客戶端功能，可實(shí)現(xiàn)安卓、蘋果手機(jī)或PC在任何地方通過Internet訪問B/S服務(wù)器。

（11）二維碼掃描功能，通過手機(jī)掃描二維碼快速訪問B/S服務(wù)器、給安卓手機(jī)免費(fèi)安裝水廠標(biāo)志的APP。

4 結(jié)語

自2019年企業(yè)使用自動(dòng)化信息平臺(tái)上位組態(tài)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)以來，建立了監(jiān)控中心，每天3班共6人負(fù)責(zé)所有泵站的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度，維修部減員到10人，節(jié)省人力40多人，不但大量節(jié)約了人力，還因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警、報(bào)警、分析、報(bào)告等功能，從而可減少人力物力的投入約80%，規(guī)避水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)95%以上，降低漏水率達(dá)到90%，延長二次加壓設(shè)備使用壽命1.5倍，實(shí)現(xiàn)供水管理企業(yè)日常辦公便捷化、工作管理精細(xì)化、指揮決策智能化，有效提升供水企業(yè)的管理效率與社會(huì)服務(wù)水平。