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雷景峰，王  強(qiáng)，陶  濤

1  前言

    SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)技術(shù)即遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是集計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)以及測(cè)量技術(shù)于一體的先進(jìn)技術(shù)，其組成的SCADA系統(tǒng)可完成遠(yuǎn)距離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無(wú)線監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、傳輸和分布式管理的任務(wù)，特別適用于所監(jiān)控的設(shè)備分布面廣，采用有線方式難以傳送信號(hào)數(shù)據(jù)的場(chǎng)所[1]。目前，SCADA系統(tǒng)在城鎮(zhèn)和企業(yè)供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制以及過程控制領(lǐng)域正處于深入研究、廣泛應(yīng)用階段。本文通過對(duì)某一工程設(shè)計(jì)的分析，全面介紹企業(yè)供水管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)。

2  工程概況

    山西某集團(tuán)公司是一個(gè)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)（以下簡(jiǎn)稱G企業(yè)）。G企業(yè)管網(wǎng)系統(tǒng)中，給水管道總長(zhǎng)為280多公里，排水管道總長(zhǎng)為190多公里，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，以及當(dāng)?shù)卣馔５叵滤匆院B(yǎng)地下水的政策的實(shí)施，G企業(yè)將采用黃河水作水源，深井水源作事故水源備用。同時(shí)，G企業(yè)根據(jù)“增鋼不增水”的原則，對(duì)供排水管網(wǎng)進(jìn)行改造。改造后的管網(wǎng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水，分質(zhì)排水。

由于現(xiàn)行的管理技術(shù)與手段落后，多年來(lái)沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，設(shè)計(jì)和擴(kuò)建改造前未進(jìn)行科學(xué)的水力計(jì)算和優(yōu)化，技改的資金投入也不足，致使部分管道長(zhǎng)期工作在不經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下，管網(wǎng)流量和水壓分布不合理，或用水的水量、水壓和水質(zhì)要求難以滿足，或造成水量和能量浪費(fèi)，部分管道甚至年久失修，漏失嚴(yán)重或爆管機(jī)率高，直接影響供水質(zhì)量和可靠性。

目前G企業(yè)將建設(shè)年產(chǎn)200萬(wàn)噸不銹鋼項(xiàng)目，對(duì)管網(wǎng)自動(dòng)化控制、信息化管理提出更高的要求：
(1)  能在調(diào)度室內(nèi)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的工藝參數(shù)集中檢測(cè)，并用數(shù)字顯示、連續(xù)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)記錄，合理進(jìn)行調(diào)度，提高供水可靠性，減少水量損耗，節(jié)約能源；
(2)  檢測(cè)速度很快，幾秒鐘內(nèi)即可發(fā)出警報(bào)，以便迅速采取措施，避免發(fā)生事故；
(3)  能代替值班人員抄表和檢查設(shè)備，為自動(dòng)操作創(chuàng)造條件。
為了達(dá)到上述目標(biāo)，筆者采用了供水管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)方案。

3  供水SCADA技術(shù)方案分析

3.1  方案一：GPRS（通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)）技術(shù)方案

    基于GPRS技術(shù)方案的系統(tǒng)組成如圖1所示，管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS模塊接入GSM網(wǎng)，然后通過電信部門和GPRS服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絿?guó)際互聯(lián)網(wǎng)，再通過項(xiàng)目部?jī)?nèi)部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)接入進(jìn)入SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖1  基于GPRS技術(shù)的系統(tǒng)組成方案

    作為備用方式，管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)也可通過GSM/GPRS模塊以短信息的方式發(fā)出，通過電信部門的SMS服務(wù)器發(fā)送到與SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器連接和GSM/GPRS模塊，再送到SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器。

    使用專用接入點(diǎn)方案需要申請(qǐng)一個(gè)固定的專用IP地址，各設(shè)備之間的通訊就可以直接進(jìn)行，這種方式稱為虛擬專網(wǎng)方式。采用這種方式，各終端設(shè)備（如RTU、PLC等）通過工業(yè)級(jí)GPRS模塊連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，并經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)中的SGSN、GGSN以TCP/IP方式通過防火墻連接到數(shù)據(jù)服務(wù)器。該方式適用于終端設(shè)備數(shù)目眾多、每個(gè)終端設(shè)備的通訊流量都比較大的場(chǎng)合。

    使用CMNET接入點(diǎn)方式時(shí)，GPRS設(shè)備無(wú)需擁有固定的IP地址，各設(shè)備之間的通訊不是直接進(jìn)行，而是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)中的SGSN、GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)，而且必須使用一個(gè)被稱為DASN的設(shè)備做地址解析。該方式適合于每個(gè)終端設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸量不大的情況。筆者選用CMNET接入點(diǎn)方式，能滿足企業(yè)管網(wǎng)的需求。

    另外，借助公用網(wǎng)（GSM、Internet）的數(shù)據(jù)通信能力，不但減少對(duì)通信設(shè)施的維護(hù)管理，且通信方式更標(biāo)準(zhǔn)化，效率更高（通過蜂窩技術(shù)降低發(fā)射功率和提高帶寬），SCADA系統(tǒng)將來(lái)可以方便地?cái)U(kuò)展到城市其它區(qū)域，也可以隨著公用網(wǎng)技術(shù)的提高不斷升級(jí)，且每個(gè)點(diǎn)每年費(fèi)用只有200元左右（按每個(gè)點(diǎn)每分鐘發(fā)送4個(gè)16bit數(shù)據(jù)計(jì)算）。

3.2  方案二：無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)方案

    案與基于GPRS技術(shù)的方案之不同在于無(wú)線通信的方式，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)工作在一個(gè)專用的頻率點(diǎn)，通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)通過無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)及定向天線定向發(fā)送，由安裝在調(diào)度中心鐵塔上全向天線接收后，通過連接于SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)送入數(shù)據(jù)服務(wù)器中，如圖2所示。

圖2  基于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的系統(tǒng)組成方案

3.3  方案比較

以上兩個(gè)方案的差別在于管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信方式不同，兩種方案的比較如表1。

表1  GPRS與無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)通信方案比較

    從表1可以看出，基于GPRS技術(shù)的通信方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前GPRS/CDMA技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用正在不斷普及，電信部門也將更加重視和支持該技術(shù)的應(yīng)用，采用GPRS技術(shù)方案。

4  供水SCADA系統(tǒng)硬件組成

如圖1，基于GPRS技術(shù)的供水SCADA系統(tǒng)主要由調(diào)度中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控站和通訊系統(tǒng)組成。

4.1  調(diào)度中心與遠(yuǎn)程監(jiān)控站

    調(diào)度中心采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使用的協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，保證局域網(wǎng)的安全性。包括的硬件有：SCADA數(shù)據(jù)及WEB服務(wù)器、調(diào)度員工作站微機(jī)、控制微機(jī)、Ethernet交換機(jī)、7m×3m定制的大屏幕投影儀、UPS系統(tǒng)及其他一些必需的外用設(shè)備。

    調(diào)度中心每天24小時(shí)收集并保存來(lái)自各個(gè)管網(wǎng)監(jiān)控站的信息，通過調(diào)度中心的軟件，可以做日志、報(bào)表、趨勢(shì)分析等，當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，調(diào)度員站根據(jù)實(shí)際情況，發(fā)出控制信號(hào)傳遞到遠(yuǎn)程監(jiān)控站，達(dá)到控制目的。　

    遠(yuǎn)程監(jiān)控站設(shè)在泵站和關(guān)鍵管網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)控點(diǎn)上，采用PLC作為監(jiān)控核心設(shè)備。包括的硬件有：Siemens S7-200系列PLC、4路12位AI 的EM-231模擬量擴(kuò)展模塊、RS232C/RS485轉(zhuǎn)換器、直流電源等。

4.2  無(wú)線通訊設(shè)備

采用GPRS通信時(shí)，各管網(wǎng)監(jiān)控站配置一套GPRS通訊設(shè)備，數(shù)據(jù)通過GPRS進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，并通過項(xiàng)目部?jī)?nèi)部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)接入進(jìn)入SCADA系統(tǒng)。也就是說(shuō)，調(diào)度中心不是必須要配GPRS通訊設(shè)備，但是，為了提高管網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的可靠性，在調(diào)度中心仍考慮配置一套GPRS通信設(shè)備作為備用通信手段。

    工業(yè)級(jí)GPRS通信機(jī)以GSM/GPRS模塊為核心，配上SIM卡及接口軟硬件等組成，可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入及短信收發(fā)功能。目前常用的GSM/GPRS模塊有Siemens MC35、Motorola G18、Sony-Ericsson GM47等，而接口方式為RS232C，它們均只提供串口和擴(kuò)展AT命令集，撥號(hào)及PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議均需用戶自己實(shí)現(xiàn)。筆者選用Siemens MC35模塊，通過使用單片機(jī)（基于x86處理器16位處理器）實(shí)現(xiàn)了完整的PPP協(xié)議及上層TCP/IP協(xié)議。

5  軟件配置及其功能

5.1  應(yīng)用軟件配置

    計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件包括：IFix 3.0，無(wú)限點(diǎn)開發(fā)中文版組態(tài)軟件；iClientTS，用戶開發(fā)版客戶擴(kuò)展軟件；Crystal Reports 8.5專業(yè)版報(bào)表軟件；STEP7-Micro/Win32 PLC編程軟件。

5.2  專業(yè)軟件開發(fā)及其功能

    供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)度等軟件的開發(fā)包括：

(1)  SCADA監(jiān)控應(yīng)用軟件 用于通信、監(jiān)控組態(tài)、趨勢(shì)圖、報(bào)警、報(bào)表等；
(2)  數(shù)據(jù)庫(kù)接口軟件 用于數(shù)據(jù)庫(kù)管理及與GIS、水力模型等系統(tǒng)接口等；
(3)  模擬屏控制應(yīng)用軟件 用于泵站及管網(wǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示及報(bào)警等；
(4)  WEB監(jiān)控發(fā)布軟件 用于通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布監(jiān)控畫面與報(bào)警等；
(5)  簡(jiǎn)易調(diào)度決策軟件 通過SCADA數(shù)據(jù)分析輔助人工調(diào)度；
(6)  PLC監(jiān)控應(yīng)用軟件 用于實(shí)現(xiàn)不同管網(wǎng)監(jiān)控站的數(shù)據(jù)采集與控制。

6  結(jié)語(yǔ)

    為了達(dá)到確保給排水設(shè)備正常、安全、高效運(yùn)行和維持管網(wǎng)設(shè)備處于最佳運(yùn)行狀態(tài)的目的，必須實(shí)時(shí)了解泵站工作狀況、管網(wǎng)流量、壓力、管網(wǎng)水質(zhì)等情況，經(jīng)調(diào)度控制中心對(duì)資料進(jìn)行整理、分析和判斷后，下達(dá)設(shè)備運(yùn)行的調(diào)度指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。基于SCADA技術(shù)其組成的系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，取決于所采用的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，建議設(shè)計(jì)原則如下：

(1)  系統(tǒng)硬件設(shè)備先進(jìn)可靠，技術(shù)成熟，具有連接所需要的不同參數(shù)信號(hào)的功能，與現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制執(zhí)行設(shè)備的接口規(guī)范，系統(tǒng)采用的信息格式、接口協(xié)議等，都應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
(2)  系統(tǒng)軟件技術(shù)成熟、可靠，操作系統(tǒng)及開發(fā)平臺(tái)版本較新，功能先進(jìn)、齊全，組態(tài)編程簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。
(3)  應(yīng)用軟件功能完善，實(shí)用性強(qiáng)，能實(shí)時(shí)地反映所需的工藝參數(shù)，人機(jī)界面友好，使用方便，操作簡(jiǎn)潔。
(4)  整個(gè)系統(tǒng)性能可靠，從應(yīng)用軟件層保證系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全，硬件充分考慮防雷、防盜、防靜電。
(5)  開放性擴(kuò)展性強(qiáng)，充分考慮與其它系統(tǒng)的接口，并且提供二次開發(fā)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和管理，提高供水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度[2]。

參考文獻(xiàn)：
[1]  嚴(yán)煦世, 劉遂慶. 給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)[M]. 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2002, 7.
[2]  馬福軍, 朱洪林. SCADA技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 齊魯石油化工, 2003, 31(1): 79-81.