城市自來水公司生產過程自動化監控系統一體化解決方案（一）

分類：解決方案日期：2007-04-16 00:00:00

一．引言
在我國經濟建設飛速發展的今天，綜合國力一天一天增強，隨著WTO的加入，標志著我國各行各業必須以最快的速度與國際接軌。對我國中小城市自來水公司而言，采用現代電子信息技術及綜合自動化技術來改造生產各個部門和進行企業管理是極其重要的，這是改變目前我國中小城市自來水企業被動局面的最有效的辦法之一。
就城市自來水公司而言，其企業特點是：分布式、集散型、網絡化、全開放。為了安全、穩定、可靠地管理好遍布全城的供氣和供水管網，一定要有一個滿足其企業特點的、現代化的、先進的企業綜合自動化系統（SAS）。
城市自來水綜合自動化系統（SAS）的組成如圖1所示，它是建立在Internet網基礎之上的，具有完全開放式的結構。該系統主要包括：
·信息管理中心系統（IMCS--Information Management Center System）
·企業管理與經理決策支持系統（MIS/DSS），或稱：公司辦公自動化系統（OAS--Office Automatic System ）
·企業社會服務系統（Callcenter），它包含管網地理信息系統（GIS）和自動抄表收費系統（AMR——Automatic Meter Reading ）
·自來水管網優化系統
·數據倉庫
·生產過程實時數據采集與監控系統（SCADA --Supervisory Control And Data Acquisition）

企業綜合自動化系統（SAS）的基礎是企業生產過程實時數據采集與監控系統（SCADA Supervisory Control And Data Acquisition）。為了解決企業生產過程自下而上的信號采集、傳輸和實現自上而下的控制與管理，就必須要有一個可靠的SCADA系統來支撐。而一個完善的SCADA系統的建立，又依托于高精度、智能化的一次儀表獲取信息，準確無誤的通訊手段傳輸數據和高效快捷的計算機處理能力。當世界進入90年代后，無論從測控儀表、通訊技術、計算機處理能力均得到了飛速發展，SCADA系統的應用也日趨成熟。由于計算機與通訊技術的突破性進展，以及系統通訊的數字化、網絡化的形成，SCADA技術已被賦予了嶄新的內涵。它的建立使得企業實現生產過程自動化、全廠信息集成以及企業上網等，均變得更加方便、靈活、容易和經濟。
對于一個城市自來水企業，為了滿足對生產過程的調度和指揮，也同樣需要一個可靠的SCADA系統。它一般由企業生產調度指揮中心、分廠測控站、管網測壓點等組成。它所具有的功能一般包括：數據采集控制功能，數據傳輸功能，數據顯示及分析功能，報警功能，歷史數據的存儲、檢索、查詢功能，報表顯示及打印功能，遙控功能，網絡功能等。
SCADA系統的基本組成單元是遠程測控終端（RTU）。它完成對現場數據的采集、傳輸和對現場設備的控制。SCADA系統所涉及到的技術比較廣泛，有儀表技術、檢測技術、通訊技術、網絡技術等等。
北京安控科技發展有限公司，是一家集科、工、貿于一體的高新技術企業。公司不但技術力量雄厚，而且開發出了多種類型的RTU產品，在市政、油田、化工、電力等行業得到了廣泛的應用。
近年來，公司在吸收國外先進經驗、征求諸多專家意見、總結多年實踐經驗的基礎上又成功地開發出了通用一體化的新型RTU產品SuperE，解決了目前市場上RTU產品選型難、配套難、兼容性差等諸多問題。除此之外，公司對自來水行業的現狀、需求、技術進行了深入研究，以SuperE為基礎又推出了適合于自來水SCADA系統應用的有針對性的系列化RTU產品及系統軟件，提出了自來水SCADA系統的一體化解決方案。
以下就是自來水SCADA系統一體化解決方案的具體內容。
二．生產工藝流程簡介
自來水的生產過程是：由水源取水送到自來水廠，在自來水廠經過消毒、沉淀、過濾等過程后送入城市供水管網，提供給城市居民或工業用戶等使用。水源可來自水源井，也可來自地表水。在城市供水管道中途還設有中途加壓站。在城市管網中還設有許多測壓點。其結構如圖2所示。
整個工藝過程以水廠最為復雜，其工藝流程見圖3。
管網中途加壓站及水源井工藝流程較為簡單，這里不再描述。
在自來水整個生產過程中，需對水源井取水、水廠生產、管網中途加壓站、管網測壓點的工作進行監控，由此形成一個完整的城市自來水生產過程自動化監控系統（自來水SCADA系統）。在此基礎上，可組成城市自來水公司企業綜合自動化系統（SAS）。

三．系統總體結構
1．總體結構
城市自來水SCADA系統可劃分為5個組成部分：水司控制中心、水廠分控中心、管網測壓站、管網加壓站和水源井監控站。其結構框圖如圖4所示。
一個自來水公司下屬可能有多個水廠，一個自來水廠又有多個工藝過程，同時又負責多個管網測壓站、管網加壓站和水源井監控站的管理。如果將系統的所有信息都直接傳送到水司控制中心，由水司完成整個系統的控制是不合理的。因此就需要建立多個水廠分控中心，在水廠內建立多個監控分站和自來水取水、供水監控站點，以實現信息的逐級傳輸和系統的分級控制。

水廠分控中心對水廠的生產及各站點進行實時監控，它是系統的信息采集和控制中心。水廠分控中心采集各站點的數據信息，并對這些信息進行存儲、分析匯總或打印等處理。通過數據分析，及時給出報警信息或向站點發出控制命令，控制站點設備的運行。水廠分控中心還需將匯總數據傳送到水司控制中心，以實現整個系統的調度和管理。
在水廠內部根據生產管理的要求、生產工藝流程的復雜程度、信息量的大小和控制設備的多少來劃分水廠監控分站，如：取水泵房分站、反應沉淀池分站、濾站、送水泵房分站或水廠配電室分站等。每一個監控分站采集現場數據信息并上傳至水廠分控中心，同時接受水廠分控中心發出的控制命令，控制現場的各種工業設備。除此之外，每一個監控分站都具有獨立的操作系統，它們即可由水廠分控中心控制，也可獨立工作脫離系統運行。系統的取水和供水管網監控站點也是如此。
由于系統可實現信息的逐級傳輸和系統的逐級控制，各個站點又具有獨立的工作能力，因此系統的靈活性和可靠性將大大提高。同時這種方式也適合于自來水行業現行的管理模式。
2.通信方式
SCADA系統一般采用無線傳輸方式來完成整個系統的數據采集和傳輸，使用的設備為無線電臺。無線傳輸一般采用主從應答方式，即主站利用無線網絡下達命令，從站接收到命令后，執行相應操作，產生回應。回應可以為數據，也可以為系統信息。
如前所述，城市自來水公司生產過程自動化監控系統（SCADA）包括：水司控制中心、多個水廠分控中心、多個水廠監控分站、多個水源井監控站、多個管網加壓站和多個管網測壓站。除一個水廠內各監控分站較為集中外，其它監控站點均散布在城市的各個區域。因此通訊系統應考慮城市地形、地貌的影響。正是由于自來水SCADA系統既有集中，又有分散的特點，在實際應用中亦采用劃分區域、有線無線結合的通信策略。具體做法是：以一個水廠為一個通信區域，水廠分控中心為通信控制中心；水廠內部各監控站點與水廠分控中心采用有線通信方式（RS485），也可以采用無線通訊方式（電臺）；水廠管轄下的取水、供水管網監控站點與水廠分控中心采用無線通信方式（電臺）；水廠分控中心與水司控制中心之間采用聯網通信方式（微波、光纜、衛星、無線電、租用電話線等）。系統通訊方式示意圖見圖5。

3．基本組成單元
RTU（遠程測控終端）是SCADA系統的基本組成單元，采集、控制和通信是他所具有的基本功能。
對于具有分布式、集散型、網絡化特點的企業，其SAS/SCADA系統的建立，離不開承上啟下的RTU產品。隨著應用領域的不同，RTU也有不同形式的構成與特點。
以城市自來水公司為例，城市供水綜合自動化系統中的SCADA系統，必須具備并且非常重要的一個功能就是：實時、準確地監測遍布于全市的自來水管網的壓力變化情況，另外還可能監測流量、余氯和濁度三個數據信息。應用于管網測壓的RTU產品就是為此目的而設計的。由于管網測壓工藝簡單、無須控制、散布廣泛，因此就要求此類RTU產品具有結構簡單、性能可靠、價格便宜等特點。
水廠生產工藝較為復雜，采集控制點較多，因此也需要有功能較為強大RTU產品來支持。一般來說，此類RTU產品應具有多種類型的信號輸入，具有強大的軟件支持，具有梯形圖、C語言等編程能力，可支持PID等多種控制算法，可實現有線或無線通信方式。在很多場合還需要它具有監視和操作功能。只有這樣，才能夠滿足不同水廠、不同工藝、不同用戶的要求。
北京安控科技發展有限公司針對自來水企業的生產特點，開發出了適合于不同場合應用的RTU產品。以SuperE為代表的通用一體化RTU系列產品，可廣泛地應用于城市供水SCADA系統中，可滿足不同用戶的不同要求。選擇不同配置的SuperE產品，輸入不同類型的控制程序，可形成管網壓力監測器、管網中途加壓站控制器、水源井控制器、水廠監控分站控制器等不同類型的RTU。SuperE產品外形見圖6，其特點見附錄I。

4．數據庫
自來水SCADA系統數據以水司控制中心數據庫和水廠分控中心數據庫為核心，它們包含：水廠生產實時數據，水源、管網實時數據，報警、控制數據，統計、報表數據，歷史數據，系統信息數據等多種類型的數據信息。兩個數據庫結構類似，只是側重點不同。水司控制中心數據庫側重于統計、報表和歷史數據，水廠分控中心數據庫側重于實時和報警、控制數據。數據庫結構見圖7。

5．軟件
自來水SCADA系統需有一個軟件系統支持。此軟件系統不但要有行業特征，還要具有靈活的組態功能。它一般是在通用組態軟件的基礎上開發而成。
自來水SCADA系統軟件分為兩大部分：水司控制中心軟件系統軟件和水廠分控中心系統軟件。它們結構類似，只是側重點不同。前者側重于統計、查詢，后者側重于報警和控制。它們的結構如圖8所示。
ESpider是一個優秀的組態軟件，經過了多種系統的應用和考驗。它具有功能豐富，性能優良，穩定可靠等特點。該軟件的詳細介紹見附錄II。

以Espider為基礎，北京安控科技發展有限公司開發了應用于水行業的EWS—SCADA系統軟件，它既保留了Espider的原有內核，同時又賦予了它行業特征，使得用戶使用起來更加方便、簡單。
在一般情況下，用戶不必了解Espider的使用，只需使用EWS對系統進行設定就可實現系統運行。如果EWS不能完全滿足用戶的要求，也可在Espider的基礎上開發新的功能或編制新的控件。
6．功能
以SuperE為基礎，以EWS系統軟件為支持，自來水SCADA系統可實現以下主要功能：
遙測
根據系統設定參數，遙測水廠和不同站點RTU的監測數據（特別是管網壓力監測數據），形成系統運行歷史數據庫。
遙控
控制各水廠內污水泵房、反應沉淀池、濾池、送水泵房的設備運行。
報警
監測數據量的上、下限報警，報警記錄。
參數輸入及組態
輸入系統參數，如巡檢周期、控制參數、報警限、計算公式、系統時間等，并對這些參數進行組態，以形成完整的系統操作、控制、統計、顯示、打印參數數據庫。整個系統以此數據庫為基礎運行。
自動巡檢
自動巡檢各水廠和測壓站及其它站點數據及生產設備工作情況。
手動采集
手動巡檢各水廠和測壓站及其它站點數據及生產設備工作情況。
數據統計
能實現對自來水公司的總用水量、總供水量等數據信息的統計，生成報表。
數據打印
根據系統設定參數，自動打印系統遙測、遙控數據及統計報表數據。
遠程診斷、遠程維護、遠程升級
通過網絡，可以對監控站點RTU進行遠程診斷、遠程維護、遠程升級。