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    隨著城市化進程的加快和人民生活水平的提高，對自來水的需求將越來越大，城市管網(wǎng)規(guī)模也將越來越龐大。為了滿足日益增長的城市現(xiàn)代化的發(fā)展，建立一套先進的供水井群控制（地下取水）、自來水管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)幾乎成為每個自來水公司面前的一項不可缺少的工程，而基于新一代智能RTU的無線SCADA系統(tǒng)更是供水技改項目決策層頗為青睞的解決方案。

    為了適應(yīng)城市現(xiàn)代化、供水信息化發(fā)展，有效地實現(xiàn)微機“三遙”（遙測、遙控、遙信）功能，實現(xiàn)供水調(diào)度的智能化和生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化，吳忠市自來水公司在第二水廠建設(shè)項目中，設(shè)計采用基于智能RTU的無線SCADA供水系統(tǒng)的實施方案。

1  工程概述

    寧夏吳忠市第二水廠是一新建項目。長期以來，吳忠市市政供水由第一水廠供水。近年來隨著城市規(guī)模的不斷擴大，第一水廠系統(tǒng)供水已越來越不能滿足城市工業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水的需要，必須建設(shè)新的市政供水系統(tǒng)―第二水廠供水系統(tǒng)。該項目設(shè)計采用供水井泵將水輸送至自來水廠，經(jīng)加壓泵二次加壓的供水運行模式。

    吳忠市第二水廠供水系統(tǒng)設(shè)計水源井12組，24眼，擔負著市區(qū)生產(chǎn)、自來水的補充和供給任務(wù)。在第一水廠設(shè)計的基礎(chǔ)上，要求無線SCADA系統(tǒng)從系統(tǒng)的實時性、先進性、可靠性以及可開發(fā)性等方面“與時俱進”，全面實現(xiàn)真正的供水調(diào)度自動化，并為今后的供水信息化建設(shè)奠定堅實的基礎(chǔ)。設(shè)計目標定位在安全、可靠、經(jīng)濟、實效，實現(xiàn)信息采集實時化，信息處理自動化、供水調(diào)度自動化，變靜態(tài)管理為動態(tài)管理，供水調(diào)度員可以根據(jù)市區(qū)管網(wǎng)的變化和各水廠運行參數(shù)的綜合分析，合理的調(diào)整水泵的運行狀態(tài)和管網(wǎng)壓力，真正達到供水系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。

2  設(shè)計中考慮的幾個關(guān)鍵問題

        (1)  數(shù)據(jù)的實時性問題

    基于普通RTU的無線SCADA系統(tǒng)，在國內(nèi)應(yīng)用并不少見，但總體效果并不理想。國產(chǎn)RTU的廠家很多，無論采用單片機＋無線MODEM一體化，還是PLC＋無線MODEM一體化，其理論數(shù)據(jù)傳輸送速率達9600bps，而實際負載運行時達到4800bps都有點困難。并且受天氣和地理環(huán)境位置的影響較大，受電磁干擾也大，這遠遠不能滿足工業(yè)供水及系統(tǒng)實時性要求。所以系統(tǒng)設(shè)備定位在進口RTU產(chǎn)品，市場上主要有ELPRO系列RTU，MOTOROLA系列RTU等。

    中國無線管理委員會規(guī)定了大多的供水系統(tǒng)的工作頻段在220～240MHz，這決定了無線通信速率不可能很高，現(xiàn)在做得較好的可達19200bps，而且?guī)捿^窄。這就要求要充分利用有限的帶寬來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性采集。對無線調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)而言，一般都是以點測或召喚應(yīng)答方式進行工作，以定時輪詢的方式取得各分站的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)分時利用有效的信道。但是這不是解決問題的根本辦法。主要因為現(xiàn)在絕大多數(shù)RTU子站只能作為從站，而不能作為主站或?qū)Φ裙?jié)點進行數(shù)據(jù)交互式傳輸。

    當然有的RTU也可以對等數(shù)據(jù)傳輸，采用POLLING方式定時上送，這也會造成信道擁堵現(xiàn)象。更為嚴重的是，會出現(xiàn)信號采集死區(qū)。例如，當某一供水區(qū)發(fā)生爆管時，水壓下降，若此時既無點測，又沒到定時輪詢時間，該區(qū)管網(wǎng)測壓點不可能將突然下降的壓力值及時傳送到調(diào)度室，造成未能及時處理管網(wǎng)異常。

    所以在SCADA系統(tǒng)運行中，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，一方面要求實現(xiàn)無線對等數(shù)據(jù)傳輸，即雙向通信，實現(xiàn)變化上送（REPORT）方式和定時上送（POLLING）方式相結(jié)合，變化上送可保證無線信道的最大利用率，而定時上送可保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新和完整性；另一方面在I/O組態(tài)中要求配置模擬量測點的限值、梯度參數(shù)，一旦越限或越梯度則可實時上傳數(shù)據(jù)，避免造成因為不能實時采集到故障信息而造成更大的損失。

        (2)  系統(tǒng)的柔韌性問題

    系統(tǒng)柔韌性是當今信息科技不得不考慮的問題，作為“數(shù)字化”供水時代的今天，市政供水企業(yè)越來越注視基于WEB技術(shù)及“Infranet　+　Intranet　+　Internet”一體化供水信息管理系統(tǒng)技術(shù)。在未來的供水信息網(wǎng)除了生產(chǎn)管理系統(tǒng)外，還包括營業(yè)收費系統(tǒng)、表務(wù)管理系統(tǒng)、熱線報修系統(tǒng)等客戶服務(wù)系統(tǒng)（CSS），辦公自動化系統(tǒng)（OA），管理信息系統(tǒng)（MIS）。當實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集散控制后，要求實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和Internet應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)各種信息網(wǎng)的互聯(lián)，達到數(shù)據(jù)和資源共享。

    可擴展性是系統(tǒng)柔韌性的另一方面。隨著城市化進程的加快和居民的增加，供水的地域范圍和規(guī)模也在不斷地的擴大，供水調(diào)度系統(tǒng)的功能要求不斷升級。在對原有供水調(diào)度系統(tǒng)進行擴展的時候，往往由于系統(tǒng)的可擴展性差而導致大量淘汰原有設(shè)備，造成原有投資的浪費，增加了擴展成本。或者由于決策時無法接受這種浪費和高成本，放棄高性價比的產(chǎn)品，選擇已經(jīng)相對落后的同類產(chǎn)品用于擴展，結(jié)果導致投資產(chǎn)出比低下，使系統(tǒng)無法充分發(fā)揮作用。為了避免這種情況的發(fā)生，在建立城鎮(zhèn)供水調(diào)度系統(tǒng)時必須要充分考慮系統(tǒng)的可擴展性，作為無線SCADA系統(tǒng)也要求具有良好的柔韌性，即根據(jù)供水管網(wǎng)規(guī)模實時增加無線RTU子站，在系統(tǒng)上要求有足夠的可擴展性。一般情況下無線RTU子站數(shù)不會超過128個。如果更大的供水管網(wǎng)規(guī)模怎么辦，采用什么方式解決，這是供水系統(tǒng)“與時俱進”的問題。

        (3)  設(shè)備的可靠性問題

    可靠性是指設(shè)備在指定條件下，在指定時間周期里，完成其預(yù)定功能的能力。是指在一定的運行時間里出現(xiàn)故障次數(shù)的概率。可靠性的好壞由各部件(包括設(shè)備硬件和軟件)本身的可靠性以及將各部件整合時的合理性所決定。一般采用平均無故障間隔時間（MTBF）衡量。

    不同供應(yīng)商的無線RTU產(chǎn)品所采用的元氣件的性能和整體設(shè)計制造、整合能力有很大差異，因此產(chǎn)品的性能存在著巨大差異。目前市場上無線RTU又可以分為集成一體化式和分立式兩種。前者為專業(yè)性的公司生產(chǎn)，提供的是無線RTU的整體MTBF指標。而分立式由不同廠家的產(chǎn)品組合而成，方式多樣。由于存在太多的不確定因素，確定無線RTU的整體MTBF指標會比較困難。而MTBF指標的高低直接影響著設(shè)備運行后的管理和維護成本。

    在設(shè)備選型過程中，為了保證設(shè)備的利用率，一方面要求各部件MTBF指標大大超過系統(tǒng)的運行時間，同時要求系統(tǒng)整合后MTBF時間應(yīng)不低于8000小時。具體到RTU子站，要求選用低功耗的RTU，并要求采用休眠工作方式工作。

        (4)  系統(tǒng)可維護性問題

    可維護性是指系統(tǒng)在給定的使用條件下，當發(fā)生故障后，恢復其全部功能及正常工作狀態(tài)的能力。一般采用平均故障修復時間（MTTR）進行衡量。

    在設(shè)計中要求RTU設(shè)備具有故障自診斷功能，能在第一時間確定發(fā)生故障的位置，并在上位計算機中顯示。可以大大縮短故障確認時間。

    準備工作包括備件的準備，維修計劃的制訂，維修人員的安排，維修設(shè)備的準備等。采用專業(yè)性公司集成一體化的無線RTU，由于接口少，備件容易準備且售后服務(wù)可以有保證。提高管理水平，加強備件管理，縮短制訂計劃和人員安排的時間。

    修理時間由維護人員的專業(yè)技能，設(shè)備拆裝和修理的難易程度所決定。設(shè)備修理的專業(yè)要求高的對維護人員的要求就高，人員培訓費用和人員流失風險也高。修理時間也會較高。可帶電熱插拔的設(shè)備，由于拆裝方便，可節(jié)省維護時間。

        (5)  供水信息化建設(shè)

    城市供水體系是一個由城市人群生產(chǎn)生活過程產(chǎn)生的、物理位置分散、分布參數(shù)多、生產(chǎn)過程及結(jié)果透明度高的開放型系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計、軟硬件設(shè)備選型都要堅持開放性。只有堅持開放性原則，充分利用各種社會資源，才能節(jié)省投資。根據(jù)以上技術(shù)特點，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和WEB應(yīng)用技術(shù)的SCADA結(jié)構(gòu)模型―基于WEB技術(shù)及“Infranet+Intranet+ Internet”一體化供水信息管理系統(tǒng)是比較理想的。在選擇模型上應(yīng)選用系統(tǒng)穩(wěn)定性好、維護量小的B/S，不宜采用平面型多層次的網(wǎng)狀C/S結(jié)構(gòu)。未來的供水信息網(wǎng)除了生產(chǎn)管理系統(tǒng)外，還包括營業(yè)收費系統(tǒng)、表務(wù)管理系統(tǒng)、熱線報修系統(tǒng)等客戶服務(wù)系統(tǒng)，辦公自動化系統(tǒng)，信息管理系統(tǒng)。當實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集散控制后，要求實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和Internet應(yīng)用技術(shù)，實現(xiàn)各種信息網(wǎng)的互聯(lián)。本工程中這是第二期工程，但要按照自來水公司信息化建設(shè)規(guī)劃綱要總體規(guī)劃進行實施。

3  GPRS解決方案的幾點考慮

    勿庸置疑，GPRS大幅提高了頻譜的利用和開發(fā)，在移動數(shù)據(jù)服務(wù)和語音數(shù)據(jù)服務(wù)中有其獨有的優(yōu)勢，但仍存在許多不完善的地方。

    (1)  有限的蜂窩站容量。GPRS的應(yīng)用會沖擊現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)容量。僅有有限的射頻資源允許用來開發(fā)新的用途，達到一個目的就達不到另一個。GPRS對容量的影響取決于留給GPRS應(yīng)用的時隙多寡。GPRS可以動態(tài)管理頻道配置，可在信號流量高峰期時使用短消息傳送以減少頻道的負荷。

    (2)  傳輸延遲。GPRS封包數(shù)據(jù)向各個方向傳輸，最終到達同一目的地。這種傳輸途徑使被傳輸數(shù)據(jù)包有可能在射頻鏈中遺失或損毀。GPRS標準涵蓋了無線封包技術(shù)這一特征并采用數(shù)據(jù)整合和再傳方法，但可能造成潛在的傳輸延遲。

    (3)  沒有儲存和發(fā)送功能。SMS的存儲和發(fā)送引擎是SMS中心的核心，也是SMS服務(wù)的主要功能。GPRS標準中未提及任何存儲機制，除SMS與GPRS的互相鏈接。

    根據(jù)供水設(shè)計的獨立性規(guī)劃，以及GPRS的技術(shù)特點和無線RTU的優(yōu)勢，綜合比較后選用了無線RTU的設(shè)計方案。這種選擇一方面解決了形成獨立的供水系統(tǒng)無線局域網(wǎng)，另一方面可以很好的實現(xiàn)未來供水信息化的需求。

4  系統(tǒng)決策方案

    從宏觀上考慮，吳忠第二水廠供水信息化建設(shè)采用分二步走的戰(zhàn)略。第一步實現(xiàn)基于智能RTU的無線SCADA供水調(diào)度系統(tǒng)；第二步實現(xiàn)基于WEB技術(shù)及“Infranet+Intranet+ Internet”一體化的供水信息管理系統(tǒng)。

    針對上述分析，該廠在第一步戰(zhàn)略中，選用了澳大利亞ELPRO系列智能RTU，實現(xiàn)無線SCADA供水系統(tǒng)的改造和建設(shè)。該RTU主要具有如下特點：

    (1)  從數(shù)據(jù)實時性方面，真正實現(xiàn)了REPORT方式和POLLING方式相結(jié)合，有效了解決了數(shù)據(jù)實時性和完整性問題。可通過I/O組態(tài)避免管網(wǎng)壓力采集死區(qū)。

    (2)  從系統(tǒng)柔韌性方面，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展。它可通過設(shè)定系統(tǒng)地址滿足市政供水規(guī)模擴大的需要。每個系統(tǒng)地下最多可設(shè)定96個RTU子站。

    (3)  從系統(tǒng)可靠性方面，ELPRO智能RTU子站MTBF高達80000小時，這是RTU一體化后的MTBF。此外由于系統(tǒng)采用了獨特的抗干擾屏蔽專利技術(shù)，大大提高了無線系統(tǒng)的可靠性。

    (4)  從系統(tǒng)可維護性方面，采用了一體化技術(shù)，標準化DIN導軌安裝，帶電可插拔接線端子，多種科學的供電方式，這些專用特點都有效提高了系統(tǒng)的可維護性。

    (5)  從信息化建設(shè)上看，ELPRO一直致力于供水系統(tǒng)的信息化建設(shè)，先后生產(chǎn)出了基于MODBUS、PROFIBUS、DF1和ETHERNET的中心調(diào)度機，這一點對實現(xiàn)供水信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)大有裨益的。

    此外，該系列智能RTU還具有五級中繼功能，這大大節(jié)約了中繼設(shè)備成本；在RTU子站供電方式上，采用科學的供電方式，交直流供電、電池供電和太陽能供電三種方式，這給現(xiàn)場的設(shè)備安裝供電帶來更多的解決方案。

    基于智能RTU的無線SCADA供水調(diào)度系統(tǒng)主要由兩層控制實現(xiàn)，上位系統(tǒng)主要由一套工程師站，一套操作員站、中央調(diào)度機及交換機等構(gòu)成；現(xiàn)地控制系統(tǒng)主要由二級泵房現(xiàn)地工作站、水源井遠程終端工作站RTU12套、城市管網(wǎng)測壓RTU12套組成，其中二級泵房現(xiàn)地工作站選用Modicon Quantum系列PLC和一套通信前置機，兼作現(xiàn)場人機交流界面。

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

    系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。系統(tǒng)集控制、數(shù)據(jù)采集功能為一體，采用“集中管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”的原則，由中央監(jiān)控工作站和現(xiàn)場分散控制站組成全廠的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，完成整個水廠的生產(chǎn)過程控制、工藝流程顯示、設(shè)備運行狀態(tài)的檢測及故障報警。中央控制室配備有大屏幕模擬屏。

    數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)原理：原始數(shù)據(jù)由PLC和RTU采集進來打包后傳送給現(xiàn)場控制站，由現(xiàn)場控制站通過以太網(wǎng)/總線傳向中央控制站，中央控制站將數(shù)據(jù)通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換賦值給圖控軟件，圖控軟件在人機界面顯示及生成實時數(shù)據(jù)庫的同時，通過ODBC將數(shù)據(jù)送SQL數(shù)據(jù)庫。

5  結(jié)語

    在整個項目決策過程中，ELPRO中國公司與吳忠市政供水決策層進行緊密的合作和探討，一方面就新一代智能RTU的發(fā)展趨勢和無線SCADA系統(tǒng)在供水行業(yè)的應(yīng)用作了全面分析和綜合把握，并針對第一水廠SCADA控制系統(tǒng)存在的問題尋求出良好的解決方案。本決策方案正在實施過程中。可以預(yù)期，基于新一代智能RTU的無線SCADA系統(tǒng)將會翻開吳忠市供水行業(yè)的新的篇章。