摘要：本文介紹了某供水工程SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。所采用的SCADA監(jiān)控系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)，具有高度的分散性、實(shí)時(shí)性、可靠性、開(kāi)放性和兼容性等特點(diǎn)，而且，冗余光纖傳輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻的同步傳送。本設(shè)計(jì)方案所采用的計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、顯示技術(shù)體現(xiàn)了供水工程自動(dòng)化系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：供水工程；SCADA系統(tǒng)；分散控制；TCP／IP協(xié)議 1 概述 供水工程的綜合自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主要的通信平臺(tái)。該系統(tǒng)將達(dá)到在調(diào)度控制中心完成對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)度、管理的自動(dòng)化水平，操作人員在調(diào)度控制中心通過(guò)SCADA系統(tǒng)可完成對(duì)管道的監(jiān)控和運(yùn)行管理。 各站場(chǎng)達(dá)到無(wú)人操作，有人值守的管理水平；自動(dòng)控制系統(tǒng)將自動(dòng)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)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?xún)r(jià)比高、能滿(mǎn)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(chǎng)的站控系統(tǒng)（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(shí)兼容GSM無(wú)線通訊等通道；調(diào)度控制中心與各個(gè)站場(chǎng)的SCS之間采用光纖進(jìn)行通信；調(diào)度中心與各站場(chǎng)在網(wǎng)絡(luò)上都是點(diǎn)對(duì)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)見(jiàn)圖1。 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(mén)子自動(dòng)化SCADA技術(shù)對(duì)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(shí)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(shì)。它是整個(gè)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(chǎng)的監(jiān)視和控制，并將站場(chǎng)、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(guò)光纖通信數(shù)傳通道或GSM網(wǎng)、無(wú)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(shí)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，突發(fā)事故維修現(xiàn)場(chǎng)的指揮調(diào)度反應(yīng)迅速，保持整個(gè)供水系統(tǒng)的業(yè)務(wù)聯(lián)系隨時(shí)暢通，就必須保證通信系統(tǒng)的絕對(duì)可靠性。 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是： 技術(shù)的先進(jìn)性：新建系統(tǒng)一次投資大，必須充分采用西門(mén)子公司等的最新的成熟技術(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(chǎng)的管理運(yùn)行操作軟件統(tǒng)一化。 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(cè)、用水信息管理等。新、老、及將來(lái)的項(xiàng)目都必須極易兼容，鏈接。 經(jīng)濟(jì)實(shí)用性：在滿(mǎn)足語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的同時(shí)，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。 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(zhǎng)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(duì)于集中在一個(gè)片區(qū)，或距離較近的幾個(gè)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(yǔ)音視頻數(shù)據(jù)通信。 光纖采用單模，適用于SDH技術(shù)，配以2．5Gb／s（STM16），傳輸1550nm光信號(hào)。通過(guò)光端機(jī)分離出若干個(gè)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／IPIO／IOOM）網(wǎng)。對(duì)于無(wú)人值守的站點(diǎn)，不需要語(yǔ)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(gè)控制調(diào)度中心、若干個(gè)站控系統(tǒng)、幾十個(gè)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。見(jiàn)圖2。 在正常情況下，由調(diào)度控制中心對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行集中監(jiān)視，對(duì)特別重要的個(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)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(guò)站控系統(tǒng)或RTU對(duì)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(shí)，由站控系統(tǒng)或RTU應(yīng)獨(dú)自完成對(duì)本站的監(jiān)視控制。當(dāng)進(jìn)行設(shè)備檢修或緊急停車(chē)時(shí)，可采用就地手動(dòng)控制。SCADA系統(tǒng)在正常和非正常的情況下將自動(dòng)完成對(duì)輸水管道的監(jiān)控、保護(hù)和管理，備用調(diào)度中心控制調(diào)度中心的兩臺(tái)服務(wù)器要互為備份，協(xié)同工作，共同完成對(duì)各站控系統(tǒng)、管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行不問(wèn)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(jí)。SCS和RTU不但能獨(dú)立完成對(duì)所在工藝站場(chǎng)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)（SCS）主要有計(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(gè)站場(chǎng)的站控系統(tǒng)（scs）或RTU將完成對(duì)本r藝站場(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下操作模式： ●整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度控制中心集中監(jiān)視和控制； ●站場(chǎng)的站控系統(tǒng)自動(dòng)／手動(dòng)控制； ●站場(chǎng)單體設(shè)備（如壓縮機(jī)組）的自動(dòng)／手動(dòng)控制、站場(chǎng)子系統(tǒng)的自動(dòng)／手動(dòng)控制。 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(shí)性，使其及時(shí)、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(xún)、例外報(bào)告、報(bào)警等。調(diào)度控制中心的實(shí)時(shí)服務(wù)器對(duì)各站控系統(tǒng)（scs）采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式，都是通過(guò)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)律的集中更新數(shù)據(jù)，SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一個(gè)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(shí)間不超過(guò)15s。 系統(tǒng)中有突發(fā)事件或特殊請(qǐng)求發(fā)生時(shí)（女口發(fā)布操作命令、對(duì)某一局部重點(diǎn)監(jiān)控、發(fā)生報(bào)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(shí)性。 3．1調(diào)度控制中心（見(jiàn)圖3） 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(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器、SCADA歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、SCADAWEB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(pán)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(shí)鐘設(shè)備等設(shè)備組成。為提高系統(tǒng)的可靠性，SCADA實(shí)時(shí)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(guò)骨干光纖環(huán)網(wǎng)與各個(gè)站控系統(tǒng)、管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)RTU通信。 使用西門(mén)子SIMATICNET技術(shù)，組成開(kāi)放性的工業(yè)以太網(wǎng)，符合TEEE802．3U規(guī)定，可從網(wǎng)絡(luò)中任何點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備互動(dòng)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(guò)EMC測(cè)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(guò)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(mén)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SCALANCE的西門(mén)子系列交換機(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?jī)?yōu)良的管理和診斷服務(wù)，為客戶(hù)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(chǎng)的監(jiān)視和控制，并將站場(chǎng)、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)圖5管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)系統(tǒng)配置并進(jìn)行分析、處理，操作員通過(guò)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(kāi)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(dòng)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(guò)配置以太網(wǎng)卡即可實(shí)現(xiàn)與PLC的即時(shí)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(gè)管網(wǎng)沿線城市分輸站。通過(guò)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(shí)，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： 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(shí)采集泵站PLC的數(shù)據(jù)，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(lái)完成PLC和計(jì)算設(shè)備機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享資源。見(jiàn)圖5。 以上各類(lèi)監(jiān)控站通常分布在城網(wǎng)管線上，在野外且無(wú)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(hù)外型PLC，適用于惡劣環(huán)境。對(duì)PLC的設(shè)計(jì)采用集中式原則，PLC通過(guò)I／O口采集或控制相應(yīng)的信號(hào)量。通過(guò)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(guò)適配器完成便攜式Pc對(duì)PLC的操作。 4 結(jié)束語(yǔ) 對(duì)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(mén)子自動(dòng)化技術(shù)購(gòu)建開(kāi)放性的監(jiān)控系統(tǒng)作了介紹，為類(lèi)似工程的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考。 隨著工業(yè)控制技術(shù)和IT技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)際上先進(jìn)自動(dòng)化控制理念和技術(shù)在水行業(yè)越來(lái)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(dòng)化的主流。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放的TCP／IP協(xié)議、100Mbps快速以太網(wǎng)，（可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(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制，對(duì)水行業(yè)來(lái)說(shuō)是安全、可靠和經(jīng)濟(jì)適用的。 點(diǎn)擊下載：基于工業(yè)以太網(wǎng)的供水工程SCADA監(jiān)控系統(tǒng) 編輯：陳東