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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，城市管網規模也將越來越龐大。為了滿足日益增長的城市現代化的發展，建立一套先進的供水井群控制（地下取水）、自來水管網監控系統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系統更是供水技改項目決策層頗為青睞的解決方案。

    為了適應城市現代化、供水信息化發展，有效地實現微機“三遙”（遙測、遙控、遙信）功能，實現供水調度的智能化和生產管理的現代化，吳忠市自來水公司在第二水廠建設項目中，設計采用基于智能RTU的無線SCADA供水系統的實施方案。

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。近年來隨著城市規模的不斷擴大，第一水廠系統供水已越來越不能滿足城市工業生產、居民生活用水的需要，必須建設新的市政供水系統―第二水廠供水系統。該項目設計采用供水井泵將水輸送至自來水廠，經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設計水源井12組，24眼，擔負著市區生產、自來水的補充和供給任務。在第一水廠設計的基礎上，要求無線SCADA系統從系統的實時性、先進性、可靠性以及可開發性等方面“與時俱進”，全面實現真正的供水調度自動化，并為今后的供水信息化建設奠定堅實的基礎。設計目標定位在安全、可靠、經濟、實效，實現信息采集實時化，信息處理自動化、供水調度自動化，變靜態管理為動態管理，供水調度員可以根據市區管網的變化和各水廠運行參數的綜合分析，合理的調整水泵的運行狀態和管網壓力，真正達到供水系統的穩定和經濟運行。

2  設計中考慮的幾個關鍵問題

        (1)  數據的實時性問題

    基于普通RTU的無線SCADA系統，在國內應用并不少見，但總體效果并不理想。國產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，其理論數據傳輸送速率達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境位置的影響較大，受電磁干擾也大，這遠遠不能滿足工業供水及系統實時性要求。所以系統設備定位在進口RTU產品，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定了大多的供水系統的工作頻段在220～240MHz，這決定了無線通信速率不可能很高，現在做得較好的可達19200bps，而且帶寬較窄。這就要求要充分利用有限的帶寬來實現數據的實時性采集。對無線調度監測系統而言，一般都是以點測或召喚應答方式進行工作，以定時輪詢的方式取得各分站的數據，以實現分時利用有效的信道。但是這不是解決問題的根本辦法。主要因為現在絕大多數RTU子站只能作為從站，而不能作為主站或對等節點進行數據交互式傳輸。

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

    所以在SCADA系統運行中，為了保證數據的可靠性和完整性，一方面要求實現無線對等數據傳輸，即雙向通信，實現變化上送（REPORT）方式和定時上送（POLLING）方式相結合，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數據的更新和完整性；另一方面在I/O組態中要求配置模擬量測點的限值、梯度參數，一旦越限或越梯度則可實時上傳數據，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)  系統的柔韌性問題

    系統柔韌性是當今信息科技不得不考慮的問題，作為“數字化”供水時代的今天，市政供水企業越來越注視基于WEB技術及“Infranet　+　Intranet　+　Internet”一體化供水信息管理系統技術。在未來的供水信息網除了生產管理系統外，還包括營業收費系統、表務管理系統、熱線報修系統等客戶服務系統（CSS），辦公自動化系統（OA），管理信息系統（MIS）。當實現數據的集散控制后，要求實現TCP/IP網絡協議和Internet應用技術，實現各種信息網的互聯，達到數據和資源共享。

    可擴展性是系統柔韌性的另一方面。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模也在不斷地的擴大，供水調度系統的功能要求不斷升級。在對原有供水調度系統進行擴展的時候，往往由于系統的可擴展性差而導致大量淘汰原有設備，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，放棄高性價比的產品，選擇已經相對落后的同類產品用于擴展，結果導致投資產出比低下，使系統無法充分發揮作用。為了避免這種情況的發生，在建立城鎮供水調度系統時必須要充分考慮系統的可擴展性，作為無線SCADA系統也要求具有良好的柔韌性，即根據供水管網規模實時增加無線RTU子站，在系統上要求有足夠的可擴展性。一般情況下無線RTU子站數不會超過128個。如果更大的供水管網規模怎么辦，采用什么方式解決，這是供水系統“與時俱進”的問題。

        (3)  設備的可靠性問題

    可靠性是指設備在指定條件下，在指定時間周期里，完成其預定功能的能力。是指在一定的運行時間里出現故障次數的概率。可靠性的好壞由各部件(包括設備硬件和軟件)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。

    不同供應商的無線RTU產品所采用的元氣件的性能和整體設計制造、整合能力有很大差異，因此產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。前者為專業性的公司生產，提供的是無線RTU的整體MTBF指標。而分立式由不同廠家的產品組合而成，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備運行后的管理和維護成本。

    在設備選型過程中，為了保證設備的利用率，一方面要求各部件MTBF指標大大超過系統的運行時間，同時要求系統整合后MTBF時間應不低于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)  系統可維護性問題

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

    在設計中要求RTU設備具有故障自診斷功能，能在第一時間確定發生故障的位置，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，維修設備的準備等。采用專業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技能，設備拆裝和修理的難易程度所決定。設備修理的專業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。可帶電熱插拔的設備，由于拆裝方便，可節省維護時間。

        (5)  供水信息化建設

    城市供水體系是一個由城市人群生產生活過程產生的、物理位置分散、分布參數多、生產過程及結果透明度高的開放型系統。系統設計、軟硬件設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，才能節省投資。根據以上技術特點，基于TCP/IP網絡協議和WEB應用技術的SCADA結構模型―基于WEB技術及“Infranet+Intranet+ Internet”一體化供水信息管理系統是比較理想的。在選擇模型上應選用系統穩定性好、維護量小的B/S，不宜采用平面型多層次的網狀C/S結構。未來的供水信息網除了生產管理系統外，還包括營業收費系統、表務管理系統、熱線報修系統等客戶服務系統，辦公自動化系統，信息管理系統。當實現數據的集散控制后，要求實現TCP/IP網絡協議和Internet應用技術，實現各種信息網的互聯。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規劃綱要總體規劃進行實施。

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，在移動數據服務和語音數據服務中有其獨有的優勢，但仍存在許多不完善的地方。

    (1)  有限的蜂窩站容量。GPRS的應用會沖擊現有的網絡容量。僅有有限的射頻資源允許用來開發新的用途，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應用的時隙多寡。GPRS可以動態管理頻道配置，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封包數據向各個方向傳輸，最終到達同一目的地。這種傳輸途徑使被傳輸數據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這一特征并采用數據整合和再傳方法，但可能造成潛在的傳輸延遲。

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

    根據供水設計的獨立性規劃，以及GPRS的技術特點和無線RTU的優勢，綜合比較后選用了無線RTU的設計方案。這種選擇一方面解決了形成獨立的供水系統無線局域網，另一方面可以很好的實現未來供水信息化的需求。

4  系統決策方案

    從宏觀上考慮，吳忠第二水廠供水信息化建設采用分二步走的戰略。第一步實現基于智能RTU的無線SCADA供水調度系統；第二步實現基于WEB技術及“Infranet+Intranet+ Internet”一體化的供水信息管理系統。

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

    (1)  從數據實時性方面，真正實現了REPORT方式和POLLING方式相結合，有效了解決了數據實時性和完整性問題。可通過I/O組態避免管網壓力采集死區。

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

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

    (4)  從系統可維護性方面，采用了一體化技術，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的可維護性。

    (5)  從信息化建設上看，ELPRO一直致力于供水系統的信息化建設，先后生產出了基于MODBUS、PROFIBUS、DF1和ETHERNET的中心調度機，這一點對實現供水信息網的網絡拓撲結構大有裨益的。

    此外，該系列智能RTU還具有五級中繼功能，這大大節約了中繼設備成本；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，這給現場的設備安裝供電帶來更多的解決方案。

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

圖1系統網絡圖

    系統網絡如圖1所示。系統集控制、數據采集功能為一體，采用“集中管理、分散控制、數據共享”的原則，由中央監控工作站和現場分散控制站組成全廠的工業控制網絡，完成整個水廠的生產過程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態的檢測及故障報警。中央控制室配備有大屏幕模擬屏。

    數據采集實現原理：原始數據由PLC和RTU采集進來打包后傳送給現場控制站，由現場控制站通過以太網/總線傳向中央控制站，中央控制站將數據通過動態數據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據庫的同時，通過ODBC將數據送SQL數據庫。

5  結語

    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的發展趨勢和無線SCADA系統在供水行業的應用作了全面分析和綜合把握，并針對第一水廠SCADA控制系統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。可以預期，基于新一代智能RTU的無線SCADA系統將會翻開吳忠市供水行業的新的篇章。