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1 引言
供水工程的綜合自動化監控系統采用以計算機為核心和網絡信息化為基礎的監控與數據采集SCADA系統。整個系統采用工業以太網作為主要的通信平臺。該系統將達到在調度控制中心完成對全網進行監控、調度、管理的自動化水平，操作人員在調度控制中心通過SCADA系統可完成對管道的監控和運行管理。
具體表現為：各站場達到無人操作，有人值守的管理水平；自動控制系統將自動、連續的監測和控制管道的運行，保證人身、管道、設備安全；使管道以最低的運行成本、最優的工況正常運行；采用的設備、控制系統及材料是技術先進、性價比高、能滿足所處環境和工藝條件、在工業應用中被證明是成熟的產品；各工藝站場的站控系統（Station Control System，SCS）和RTU與調度中心之間的通信采用一主一備的通訊通道，同時兼容GSM無線通訊等通道；調度控制中心與各個站場的SCS之間采用光纖進行通信；調度中心與各站場在網絡上都是點對點的鏈接。
2 系統網絡結構
供水系統網絡結構如圖1所示。
圖1 供水系統通信網絡結構圖
為了確保供水系統安全、平穩、可靠和高效的運行，采用先進的西門子自動化SCADA技術對其供水管網及配套設施的工藝參數和設備運行情況進行監視和控制的系統，同時SCADA系統與管理信息系統（MIS）和地理信息系統（GIS）相結合，這也是必然的發展趨勢。它是整個供水系統中非常重要的部分。
城市供水系統站控系統由RTU進行站場的監視和控制，并將站場、管線上的關鍵運行參數以SCADA系統特有的數據規程，都遵守TCP/IP通訊協議，通過光纖通信數傳通道或GSM網、無線網送至調度控制中心，并接受調度控制中心的操作指令，完成關鍵設備的遠程控制。要保證系統提供詳盡、可靠的實時信息，及時發現隱患，突發事故維修現場的指揮調度反應迅速，保持整個供水系統的業務聯系隨時暢通，就必須保證通信系統的絕對可靠性。
通信系統的設計原則是：
(1) 技術的先進性：新建系統一次投資大，必須充分采用最新的成熟技術，避免技術落后重復改造、重復建設，如采用光纖環網、監控中心、各站場的管理運行操作軟件統一化。
(2) 系統建設的前瞻性：城市供水系統是復雜的信息管理系統，必須考慮新增的需求，如視頻監測、用水信息管理等。新、老、及將來的項目都必須極易兼容、鏈接。
(3) 經濟實用性：在滿足語音、數據業務的同時，要綜合考慮光纖通信網絡的綜合建設費用和維護費用，采用最經濟最可靠的綜合方案。
(4) 系統的資源增值性：系統建設本身就是資源投資，必然考慮資源的增值性，鋪設光纖以資源投資的形式成為新的經濟增長點。
根據設計要求，選用雙冗余自愈環主干網，到各節點可采用“直線”或“小環網”的接入方式。對于集中在一個片區，或距離較近的幾個點，建議選用“小環網”的組網方式，可以提高可靠性，在其中某一段光纖出現通信故障，如因管道檢修維護造成光纜損傷的情況下不影響正常的語音視頻數據通信。
光纖采用單模，適用于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系）技術，配以2.5Gb/s（STM16），傳輸1550nm光信號。通過光端機分離出若干個標準E1（G.703）接口，組成PABX網。配合可提供E1標準接口的路由器接入LAN（TCP/IP 10/100M）網。對于無人值守的站點，不需要語音通信，也可選用光纖直接轉換到以太網的設備。
3 控制系統的配置組成
供水工程SCADA系統設有一個控制調度中心、若干個站控系統、幾十個管網監控點（RTU）控制系統。近則幾百米、遠則幾百公里，如圖2所示。
圖2 某供水SCADA監控方案圖
控制調度中心的兩臺服務器要互為備份，協同工作，共同完成對各站控系統、管網監控點進行不間斷的監控。
各站控系統和RTU作為SCADA系統的遠方控制單元，是保證SCADA系統正常運行的基礎，為調度控制中心調度、管理與控制命令的遠方執行單元，是SCADA系統中最基礎的監控級。SCS和RTU不但能獨立完成對所在工藝站場的數據采集和控制，而且將有關信息傳送給調度控制中心并接受下達的命令。
站控系統主要由計算機網絡系統、可編程邏輯控制器PLC、操作員工作站及進行數據傳輸的通訊設備組成。
RTU是一種獨立的小型智能控制設備，具有編程組態靈活、功能齊全、通訊能力強、維護方便、自診斷能力強，可適應惡劣的環境條件、可靠性高等特點。
各個站場的站控系統或RTU將完成對本工藝站場的監控及連鎖保護等任務，并接受和執行調度控制中心下達的命令。
綜合自動化系統實現以下操作模式：
? 整個系統的調度控制中心集中監視和控制；
? 站場的站控系統自動/手動控制；
? 站場單體設備（如壓縮機組）的自動/手動控制、站場子系統的自動/手動控制；
? 就地手動操作控制。
在正常情況下，由調度控制中心對全網進行集中監視，對特別重要的個別設備也可進行遠方控制。操作人員在調度控制中心通過計算機系統完成對全網的監視、操作和管理。各站控制系統或RTU在調度控制中心的統一指揮下完成各自的控制任務。控制權限由調度控制中心確定，經調度控制中心授權后，才允許操作人員通過站控系統或RTU對各站進行授權范圍內的技術任務。當數據通訊系統發生故障或系統檢修時，由站控系統或RTU應獨自完成對本站的監視控制。當進行設備檢修或緊急停車時，可采用就地手動控制。
SCADA系統在正常和非正常的情況下將自動完成對輸水管道的監控、保護和管理。為了保證SCADA系統各站點之間的數據交換的實時性，使其及時、準確、可靠、協調、高效率的工作，SCADA系統的數據更新應采用多種方式進行，如周期掃描、例外掃描、查詢、例外報告、報警等。
調度控制中心的實時服務器對各站控系統采用點對點的通訊方式，都是通過網絡在線進行工作。
在正常情況下，系統采用周期掃描，即按固定周期有規律地集中更新數據，SCADA數據庫中的每一個點根據其性質不同為它們定義不同的掃描周期。SCADA系統管網全線掃描一次的數據更新時間不超過15s。
系統中有突發事件或特殊請求發生時（如發布操作命令、對某一局部重點監控、發生報警等），系統將中斷周期掃描，采用其他掃描方式工作，優先保證重要數據/命令的傳輸，確保系統實時性。
3.1 調度控制中心
圖3 調度控制中心配置
如圖3所示，調度控制中心的SCADA計算機系統采用雙網冗余、分布式。SCADA計算機系統由SCADA實時數據服務器、SCADA歷史數據服務器、SCADA WEB服務器、分析服務器、打印和應用服務器、操作員工作站、工程師工作站、管線模擬工作站、背影系統、投影儀、冗余磁盤陣列、磁帶機、打印機、交換機、網絡通信設備和GPS時鐘設備等設備組成。為提高系統的可靠性，SCADA實時數據服務器、SCADA歷史數據服務器和局域網采用熱備冗余配置。調度控制中心通過骨干光纖環網與各個站控系統、管網監控點RTU通信。
使用西門子SIMATIC NET技術，組成開放性的工業以太網，符合IEEE802.3U規定，可從網絡中任何點進行設備互動和故障檢查，具有冗余網絡拓撲結構。網絡元件通過EMC測試，具有很強的抗干擾能力，并能夠適用了嚴酷的工業環境中。通過以太網卡，即可實現與任何站控系統的PLC的通信連接，系統都遵循TCP/IP通信協議。網絡上的以太網交換機，是實現SCADA系統監控功能的關鍵設備。特別要指出的是，西門子交換機的光纖交換機模塊OSM和電氣交換機ESM模塊，成本低、效率高，用西門子SCALANCE系列交換機，建立10/100Mbit/s的工業以太網，能方便構建網絡拓樸結構，能提供功能強大的、網絡質量優良的管理和診斷服務，為客戶提供理想化的網絡解決方案。
3.2 站控系統
站控系統是抽水泵站的控制系統，包括PS1、PS2、PS3；該系統主要由遠程終端裝置RTU/PLC、站控計算機、通信設施及相應的外部設備組成。站控系統由RTU/PLC進行站場的監視和控制，并將站場、管線的關鍵運行參數以SCADA系統特有的數據規程，通過光纖通道送至調度控制中心，并接受調度控制中心的操作指令，完成關鍵設備的遠程控制。
站控系統具有獨立運行的能力，當SCADA系統某一環節出現故障或站控系統與調度控制中心的通信中斷時，不影響其數據采集和控制功能。
利用工業以太網組網，站控系統結構圖如圖4所示。
圖4 站控系統配置
泵站的SCADA計算機系統采用單機冗余、分布式結構，SCADA計算機系統由SCADA工作站、打印機、交換機和網絡通信設備等設備組成。SCADA工作站實時采集泵站PLC的數據，并進行分析、處理，操作員通過SCADA軟件可以了解泵站的工作狀況，控制管網的運行。
使用開放性工業以太網組網，符合IEEE802.3U，可從網絡中任何點進行設備啟動和故障檢查，具有冗余網絡拓撲結構。服務器通過配置以太網卡即可實現與PLC的即時通信連接，系統遵循TCP/IP通信協議。
3.3 管網監控點
本工程的管網監控點包括：壓力穩定裝置―PI站、提升池站、幾十個管網沿線城市分輸站。
這些監控點的PLC和工作站計算機之間的通信用局域網實現，使用標準的TCP/IP協議來完成PLC和計算機通過網絡共享資源，如圖5所示。
圖5 管網監控點系統配置
以上各類監控站通常分布在城網管線上，在野外且無人值守，根據實際環境的考慮，如果有必要還可采用戶外型PLC，適用于惡劣環境。對PLC的設計采用集中式原則，PLC通過I/O口采集或控制相應的信號量。通過以太網通信模塊，由以太網轉光纖接口設備連接到主干光纖網，為方便操作，也可通過適配器完成便攜式PC對PLC的操作。
4 結語
對于供水工程SCADA控制系統設計方案，本文僅就其中的工業以太網部分如何應用西門子自動化技術購建開放性的監控系統作了介紹，為類似工程的自控系統設計提供一個參考。
隨著工業控制技術和IT技術的不斷發展，國際上先進自動化控制理念和技術在水行業越來越受到廣泛的推崇，以工業以太網絡構成的集散監控系統已成為水行業自動化的主流。通過標準開放的TCP/IP協議、100Mbps快速以太網（1000Mbps以上的快速以太網）將各種控制設備及不同的網絡都能無縫連接，實現數據的高速傳輸和實時控制，對水行業來說是安全、可靠和經濟適用的。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號