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1 引言
供水工程的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用以計(jì)算機(jī)為核心和網(wǎng)絡(luò)信息化為基礎(chǔ)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集SCADA系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主要的通信平臺。該系統(tǒng)將達(dá)到在調(diào)度控制中心完成對全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度、管理的自動化水平，操作人員在調(diào)度控制中心通過SCADA系統(tǒng)可完成對管道的監(jiān)控和運(yùn)行管理。
具體表現(xiàn)為：各站場達(dá)到無人操作，有人值守的管理水平；自動控制系統(tǒng)將自動、連續(xù)的監(jiān)測和控制管道的運(yùn)行，保證人身、管道、設(shè)備安全；使管道以最低的運(yùn)行成本、最優(yōu)的工況正常運(yùn)行；采用的設(shè)備、控制系統(tǒng)及材料是技術(shù)先進(jìn)、性價比高、能滿足所處環(huán)境和工藝條件、在工業(yè)應(yīng)用中被證明是成熟的產(chǎn)品；各工藝站場的站控系統(tǒng)（Station Control System，SCS）和RTU與調(diào)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(diào)度控制中心與各個站場的SCS之間采用光纖進(jìn)行通信；調(diào)度中心與各站場在網(wǎng)絡(luò)上都是點(diǎn)對點(diǎn)的鏈接。
2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 供水系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
為了確保供水系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、可靠和高效的運(yùn)行，采用先進(jìn)的西門子自動化SCADA技術(shù)對其供水管網(wǎng)及配套設(shè)施的工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和控制的系統(tǒng)，同時SCADA系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)（MIS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，這也是必然的發(fā)展趨勢。它是整個供水系統(tǒng)中非常重要的部分。
城市供水系統(tǒng)站控系統(tǒng)由RTU進(jìn)行站場的監(jiān)視和控制，并將站場、管線上的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)以SCADA系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)規(guī)程，都遵守TCP/IP通訊協(xié)議，通過光纖通信數(shù)傳通道或GSM網(wǎng)、無線網(wǎng)送至調(diào)度控制中心，并接受調(diào)度控制中心的操作指令，完成關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。要保證系統(tǒng)提供詳盡、可靠的實(shí)時信息，及時發(fā)現(xiàn)隱患，突發(fā)事故維修現(xiàn)場的指揮調(diào)度反應(yīng)迅速，保持整個供水系統(tǒng)的業(yè)務(wù)聯(lián)系隨時暢通，就必須保證通信系統(tǒng)的絕對可靠性。
通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是：
(1) 技術(shù)的先進(jìn)性：新建系統(tǒng)一次投資大，必須充分采用最新的成熟技術(shù)，避免技術(shù)落后重復(fù)改造、重復(fù)建設(shè)，如采用光纖環(huán)網(wǎng)、監(jiān)控中心、各站場的管理運(yùn)行操作軟件統(tǒng)一化。
(2) 系統(tǒng)建設(shè)的前瞻性：城市供水系統(tǒng)是復(fù)雜的信息管理系統(tǒng)，必須考慮新增的需求，如視頻監(jiān)測、用水信息管理等。新、老、及將來的項(xiàng)目都必須極易兼容、鏈接。
(3) 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性：在滿足語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時，要綜合考慮光纖通信網(wǎng)絡(luò)的綜合建設(shè)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，采用最經(jīng)濟(jì)最可靠的綜合方案。
(4) 系統(tǒng)的資源增值性：系統(tǒng)建設(shè)本身就是資源投資，必然考慮資源的增值性，鋪設(shè)光纖以資源投資的形式成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用雙冗余自愈環(huán)主干網(wǎng)，到各節(jié)點(diǎn)可采用“直線”或“小環(huán)網(wǎng)”的接入方式。對于集中在一個片區(qū)，或距離較近的幾個點(diǎn)，建議選用“小環(huán)網(wǎng)”的組網(wǎng)方式，可以提高可靠性，在其中某一段光纖出現(xiàn)通信故障，如因管道檢修維護(hù)造成光纜損傷的情況下不影響正常的語音視頻數(shù)據(jù)通信。
光纖采用單模，適用于SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系）技術(shù)，配以2.5Gb/s（STM16），傳輸1550nm光信號。通過光端機(jī)分離出若干個標(biāo)準(zhǔn)E1（G.703）接口，組成PABX網(wǎng)。配合可提供E1標(biāo)準(zhǔn)接口的路由器接入LAN（TCP/IP 10/100M）網(wǎng)。對于無人值守的站點(diǎn)，不需要語音通信，也可選用光纖直接轉(zhuǎn)換到以太網(wǎng)的設(shè)備。
3 控制系統(tǒng)的配置組成
供水工程SCADA系統(tǒng)設(shè)有一個控制調(diào)度中心、若干個站控系統(tǒng)、幾十個管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)（RTU）控制系統(tǒng)。近則幾百米、遠(yuǎn)則幾百公里，如圖2所示。
圖2 某供水SCADA監(jiān)控方案圖
控制調(diào)度中心的兩臺服務(wù)器要互為備份，協(xié)同工作，共同完成對各站控系統(tǒng)、管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行不間斷的監(jiān)控。
各站控系統(tǒng)和RTU作為SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)方控制單元，是保證SCADA系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，為調(diào)度控制中心調(diào)度、管理與控制命令的遠(yuǎn)方執(zhí)行單元，是SCADA系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的監(jiān)控級。SCS和RTU不但能獨(dú)立完成對所在工藝站場的數(shù)據(jù)采集和控制，而且將有關(guān)信息傳送給調(diào)度控制中心并接受下達(dá)的命令。
站控系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、可編程邏輯控制器PLC、操作員工作站及進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵲O(shè)備組成。
RTU是一種獨(dú)立的小型智能控制設(shè)備，具有編程組態(tài)靈活、功能齊全、通訊能力強(qiáng)、維護(hù)方便、自診斷能力強(qiáng)，可適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件、可靠性高等特點(diǎn)。
各個站場的站控系統(tǒng)或RTU將完成對本工藝站場的監(jiān)控及連鎖保護(hù)等任務(wù)，并接受和執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的命令。
綜合自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下操作模式：
? 整個系統(tǒng)的調(diào)度控制中心集中監(jiān)視和控制；
? 站場的站控系統(tǒng)自動/手動控制；
? 站場單體設(shè)備（如壓縮機(jī)組）的自動/手動控制、站場子系統(tǒng)的自動/手動控制；
? 就地手動操作控制。
在正常情況下，由調(diào)度控制中心對全網(wǎng)進(jìn)行集中監(jiān)視，對特別重要的個別設(shè)備也可進(jìn)行遠(yuǎn)方控制。操作人員在調(diào)度控制中心通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對全網(wǎng)的監(jiān)視、操作和管理。各站控制系統(tǒng)或RTU在調(diào)度控制中心的統(tǒng)一指揮下完成各自的控制任務(wù)。控制權(quán)限由調(diào)度控制中心確定，經(jīng)調(diào)度控制中心授權(quán)后，才允許操作人員通過站控系統(tǒng)或RTU對各站進(jìn)行授權(quán)范圍內(nèi)的技術(shù)任務(wù)。當(dāng)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)檢修時，由站控系統(tǒng)或RTU應(yīng)獨(dú)自完成對本站的監(jiān)視控制。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或緊急停車時，可采用就地手動控制。
SCADA系統(tǒng)在正常和非正常的情況下將自動完成對輸水管道的監(jiān)控、保護(hù)和管理。為了保證SCADA系統(tǒng)各站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換的實(shí)時性，使其及時、準(zhǔn)確、可靠、協(xié)調(diào)、高效率的工作，SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新應(yīng)采用多種方式進(jìn)行，如周期掃描、例外掃描、查詢、例外報告、報警等。
調(diào)度控制中心的實(shí)時服務(wù)器對各站控系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式，都是通過網(wǎng)絡(luò)在線進(jìn)行工作。
在正常情況下，系統(tǒng)采用周期掃描，即按固定周期有規(guī)律地集中更新數(shù)據(jù)，SCADA數(shù)據(jù)庫中的每一個點(diǎn)根據(jù)其性質(zhì)不同為它們定義不同的掃描周期。SCADA系統(tǒng)管網(wǎng)全線掃描一次的數(shù)據(jù)更新時間不超過15s。
系統(tǒng)中有突發(fā)事件或特殊請求發(fā)生時（如發(fā)布操作命令、對某一局部重點(diǎn)監(jiān)控、發(fā)生報警等），系統(tǒng)將中斷周期掃描，采用其他掃描方式工作，優(yōu)先保證重要數(shù)據(jù)/命令的傳輸，確保系統(tǒng)實(shí)時性。
3.1 調(diào)度控制中心
圖3 調(diào)度控制中心配置
如圖3所示，調(diào)度控制中心的SCADA計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余、分布式。SCADA計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由SCADA實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器、SCADA歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、SCADA WEB服務(wù)器、分析服務(wù)器、打印和應(yīng)用服務(wù)器、操作員工作站、工程師工作站、管線模擬工作站、背影系統(tǒng)、投影儀、冗余磁盤陣列、磁帶機(jī)、打印機(jī)、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和GPS時鐘設(shè)備等設(shè)備組成。為提高系統(tǒng)的可靠性，SCADA實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)器、SCADA歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器和局域網(wǎng)采用熱備冗余配置。調(diào)度控制中心通過骨干光纖環(huán)網(wǎng)與各個站控系統(tǒng)、管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)RTU通信。
使用西門子SIMATIC NET技術(shù)，組成開放性的工業(yè)以太網(wǎng)，符合IEEE802.3U規(guī)定，可從網(wǎng)絡(luò)中任何點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備互動和故障檢查，具有冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)元件通過EMC測試，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并能夠適用了嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境中。通過以太網(wǎng)卡，即可實(shí)現(xiàn)與任何站控系統(tǒng)的PLC的通信連接，系統(tǒng)都遵循TCP/IP通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)上的以太網(wǎng)交換機(jī)，是實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)監(jiān)控功能的關(guān)鍵設(shè)備。特別要指出的是，西門子交換機(jī)的光纖交換機(jī)模塊OSM和電氣交換機(jī)ESM模塊，成本低、效率高，用西門子SCALANCE系列交換機(jī)，建立10/100Mbit/s的工業(yè)以太網(wǎng)，能方便構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，能提供功能強(qiáng)大的、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量優(yōu)良的管理和診斷服務(wù)，為客戶提供理想化的網(wǎng)絡(luò)解決方案。
3.2 站控系統(tǒng)
站控系統(tǒng)是抽水泵站的控制系統(tǒng)，包括PS1、PS2、PS3；該系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程終端裝置RTU/PLC、站控計(jì)算機(jī)、通信設(shè)施及相應(yīng)的外部設(shè)備組成。站控系統(tǒng)由RTU/PLC進(jìn)行站場的監(jiān)視和控制，并將站場、管線的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)以SCADA系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)規(guī)程，通過光纖通道送至調(diào)度控制中心，并接受調(diào)度控制中心的操作指令，完成關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
站控系統(tǒng)具有獨(dú)立運(yùn)行的能力，當(dāng)SCADA系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障或站控系統(tǒng)與調(diào)度控制中心的通信中斷時，不影響其數(shù)據(jù)采集和控制功能。
利用工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)，站控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 站控系統(tǒng)配置
泵站的SCADA計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用單機(jī)冗余、分布式結(jié)構(gòu)，SCADA計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由SCADA工作站、打印機(jī)、交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等設(shè)備組成。SCADA工作站實(shí)時采集泵站PLC的數(shù)據(jù)，并進(jìn)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(wǎng)的運(yùn)行。
使用開放性工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)，符合IEEE802.3U，可從網(wǎng)絡(luò)中任何點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備啟動和故障檢查，具有冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。服務(wù)器通過配置以太網(wǎng)卡即可實(shí)現(xiàn)與PLC的即時通信連接，系統(tǒng)遵循TCP/IP通信協(xié)議。
3.3 管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)
本工程的管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)包括：壓力穩(wěn)定裝置―PI站、提升池站、幾十個管網(wǎng)沿線城市分輸站。
這些監(jiān)控點(diǎn)的PLC和工作站計(jì)算機(jī)之間的通信用局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議來完成PLC和計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)共享資源，如圖5所示。
圖5 管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)系統(tǒng)配置
以上各類監(jiān)控站通常分布在城網(wǎng)管線上，在野外且無人值守，根據(jù)實(shí)際環(huán)境的考慮，如果有必要還可采用戶外型PLC，適用于惡劣環(huán)境。對PLC的設(shè)計(jì)采用集中式原則，PLC通過I/O口采集或控制相應(yīng)的信號量。通過以太網(wǎng)通信模塊，由以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖接口設(shè)備連接到主干光纖網(wǎng)，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(jié)語
對于供水工程SCADA控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本文僅就其中的工業(yè)以太網(wǎng)部分如何應(yīng)用西門子自動化技術(shù)購建開放性的監(jiān)控系統(tǒng)作了介紹，為類似工程的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一個參考。
隨著工業(yè)控制技術(shù)和IT技術(shù)的不斷發(fā)展，國際上先進(jìn)自動化控制理念和技術(shù)在水行業(yè)越來越受到廣泛的推崇，以工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集散監(jiān)控系統(tǒng)已成為水行業(yè)自動化的主流。通過標(biāo)準(zhǔn)開放的TCP/IP協(xié)議、100Mbps快速以太網(wǎng)（1000Mbps以上的快速以太網(wǎng)）將各種控制設(shè)備及不同的網(wǎng)絡(luò)都能無縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時控制，對水行業(yè)來說是安全、可靠和經(jīng)濟(jì)適用的。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號