SCADA系统在沈阳供水系统中的应用

摘  要：本文结合沈阳市经济技术开发区供水工程SCADA系统设计的实例，详细介绍了SCADA系统的配置和功能。该供水项目运行已近十年，取得了很大的经济效益和社会效益，积累了丰富的操作使用经验，对今后设计新的给水项目具有广泛的参考价值。
关键词：SCADA系统；RTU；主机；GPRS软件
中图分类号：       文献标识码：
The Application of SCADA System in Shenyang water Supply System
Gao Weiming[1]  Liu Xiaoqian[2]  Zeng Guangrong[1]  Zuo Hongsheng[1]  Zhao Haidong[1]
 [1]China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute       
[2] KUNMING Survey and Prosecution Company of China Non-ferrous Metal

Abstract: According to the design example of SCADA system design of Shenyang economic and technological development zone water source project, this paper introduced the setting and function characteristic of process control system.. After 15 years running ,this project to be proved is economical and also got a great social benefits, accumulated rich operation and using experience. And it will have great guiding meaning for next step construction projects.
Key words: Supervisory Control And DATA Acquisition system, Remot Terminal Unit, Master Computer General Packet Service Ridiao Software.
1 前言
    从上世纪六十年代开始，在哈尔滨、沈阳、大连、鞍山、四平、佳木斯、锦州等城市的十几项供水工程中，先后选用了各种型号的四遥设备（遥控、遥调、遥测、遥讯），八十年代中、后期选用了国内、国外的SCADA系统设备，zui早使用单线遥控技术，后来采用功能组的遥控设备，近十几年选用成套的SCADA系统。要求四遥的水平迅速提高，SCADA监控设备也不断更新换代。由于沈阳市经济技术开发区供水工程中设计选用的SCADA系统于2000年投产以来可靠稳定地运行近十年，而且其规模也较大，故本文重点介绍了SCADA系统在沈阳市经济技术开发区供水工程系统中的应用。
2 供水工程简介及对自动化控制的要求
    沈阳市经济技术开发区供水工程于1998年设计，1999 年建设，2000年投产。供水系统包括10万吨/日生产能力的净水厂，水源地的水源井群（20口），水源井布置比较分散。
   该供水系统规模大，供水范围广，由于提供城市大部分的生产及生活用水，因此可靠性要求高，按传统的管理方式设计，净水厂和水源井群均需要安排人员值班，各处的值班人员保持经常的，才能了解各处的泵的运行状态、出水压力、机温、水位、流量等参数。一旦泵或仪表出现故障，派人马上维修。这种管理方法不可靠，在通讯不畅或阴雨天经常会出现各种事故，造成停止供水；工人的劳动强度大，责任重；技术落后，严重制约了供水系统的科学化、现代化。
    为此，选用了可靠*的SCADA系统（即监控与数据采集系统），其数据通讯采用有线与无线相结合。在此以前，在别的供水工程中曾经设计选用过单线遥控，功能组件的四遥系统，以单片机为基础的四遥系统，但均不理想、可靠。虽然这些技术、产品当时还有。但由于其设备，技术落后，元器件不可靠，不兼容，不开放，不兼容上的通讯协议TCP/IP FTP，尤其IEEE802.3，所以在设计时不能采用。
    该供水工程的SCADA系统是一个三级调度系统。水源井群为zui下级调度；净水厂为中间级调度；公司对这些泵站水厂为zui别调度。
监控内容如下：
2.1净水厂
 包括4台主水泵及配套0.4KV电机运行、停止操作及运行、停止、故障状态量检测，出口电动蝶阀开、关、停操作及阀开、阀关、故障状态量检测，每台10KV高压电机机温、电流、有功，主水泵出口压力、流量，全厂总进水铁离子、锰离子，清水池水位，全厂总出水流量（三个）压力、浊度、余氯，加氯系统气体流量、漏氯。10KV高压柜的高压开关的断/合状态、事故报警、电压、电流及进线的有功/有功电度、无功/无功电度、功率因数、频率等模拟量参数。
2.2水源井群
 包括16台潜水泵及配套380V低压电机的运行/停止操作及运行、停止、故障状态检测，低压主回路合/断操作状态检测。每台380V电机机温、电流、电压、有功、无功，每台水泵的出口压力、流量，每口井的水位等模拟量参数。
 按工艺流程的要求设置了相应的检测仪表。
 如上所述，所选用的仪表包括流量（电磁）、压力、余氯、浊度、液位（超声波）、铁离子、锰离子等仪表。
 另外，自动加氯系统提供了漏氯、氯气气体流量，自动加氯机阀位等。
 不容忽视的事实是，电气设备提供的开关量是可靠的，因此检测仪表的质量也要求的高，为了SCADA系统的成功，所以设计及设备招标选用的仪表均是来自美国、英国、德国的*可靠的智能型的检测仪表。
 该系统可支持单层网到复杂的递阶多级网。每级zui多可支持240个远程监控站或1000个站。监控范围可从几公里到几百公里（加中继站）。监控点数从几百点到几千点。而且该系统遵循通讯协议。
3.1 远程监控站
    采用美国摩托罗拉SCADA系统的远程终端单元——RTU。该单元组态很灵活，既可组态成现场监控站，也可组态成主/次通信控制器。单元采用组件结构，全天候机箱，无人值守。其配置为：每站一个或几个机箱，每箱除*的公共组件——电源组件，*处理组件，通信组件（有线或无线通信组件）外，还可安装通信控制组件及所需的输入/输出（I/O）组件（模拟量输入组件，模拟量输出组件，数字量输入组件和数字量输出组件等等）。对于系列I，每个RTU可安装13个I/O组件，用于井群。而系列II，则一个RTUzui多可安装36个I/O组件，用于配水厂。
3.2 通信系统及计算机网络
    由美国摩托罗拉公司的RTU组态而成通信控制器，再配上无线通信组件（外连式无线电台，频率可根据用户要求设定）与一体化的调制解调器（Modem）相连（井群），或者是选用有线通信组件与调制解调器相连，或者直接用串行通信口（RS485）进行通信。公司对于泵站及配水厂其构成形式为1：N。
   选用工业微机，配上监视控制及数据采集与管理软件。
   该网络是在上位管理站用以太网，共享管理站的数据，进行多级管理。
3.3 SCADA系统的软件系统
SCADA系统中的软件是基于面向对象的多任务执行系统（MTE：Multi Tasking Executive system）设计而成的。当SCADA的RTU冷启动时自动支持不同的硬件模块和用户设置的不同的通讯口。这样所有RTU可以使用一个标准的软件包满足不同的应用需要。SCADA系统中的软件支持基于OSI模型的通讯协议MDLC。该协议将网络分成7个连续的层次，每层均为其相邻高层提供一个基本的服务和支持。
SCADA系统中的RTU软件提供下列功能：
——可以将应用程序分成zui多可达5个优先级别，以提高系统效率；
——提供对用户数据表和梯形图的实时监视和调试；
——RTU上电时执行上次RTU掉电时执行的任务；
——随时检测软件和硬件故障；
——所有软硬件的错误信息存储在错误登录器中，可在SCADA系统任何通讯口调出，以方便系统的调试和日常维护。
该工程SCADA系统提供了多种的数据传送方式，可以适应用户的不同要求。这些方式包括：中心-RTU数据传送、中心-RTU广播方式、RTU事件报告（Event/Burst）和RTU-RTU通讯。
4 系统功能及特点
4.1 系统功能
4.1.1 遥测功能：数字滤波、报警比较处理、算术与逻辑运算、流量积算和脉冲累计等。
4.1.2 数据采集和报警监视功能：
    数据采集系统zui基本也是占用机时比重zui大的部分。采集、报警、监视内容为净水厂的4台主水泵及配套0.4KV电机运行、停止、故障状态量，出口电动蝶阀开、关、故障状态量等。
    前置机显示器长期在线显示各被测量的实时值，每组泵手动/自动转换开关的位置、各水泵的运行状态等。后台机彩色显示器可显示工艺流程图和配电系统图等。各图在相应位置显示被测参数的实时值。中心控制室的工作人员可以通过显示器了解整个给水系统的生产情况和各种工艺、电气设备的运行状态。
4.1.3 遥控功能：PID控制、顺序控制。
    当现场控制台上手动/自动转换开关处于手动位置时，该组泵处于常规操作状态。计算机系统只对其进行数据采集，不作任何控制。当手动/自动转换开关处于自动位置时，常规按扭操作不起作用，计算机系统以两种方式对其进行控制：a）自动方式：根据水池的水位，控制相应水泵电机的启停。即超过水位下限开泵，超过水位上限停泵。水泵出口电动蝶阀是调节型的，实现PID控制。b）计算机手动方式：操作值班人员通过后台机键盘控制水泵机组的启停。以上两种控制方式均有两个制约条件：（1）该组水泵所处清水池水位超过极限值；（2）向该组水泵电机供电的母线段三相电压均处于正常范围。两个条件缺一不可，在控制指令发出后5秒钟（躲开电机启动时间）计算机系统检测反馈信号（电机电流），对控制命令的有效性进行确认。
4.1.4 维护功能：故障诊断、错误处理。
   维护功能的故障诊断、错误处理是靠遥讯功能保障的。所谓遥讯功能是无线数传机的通话功能来实现的。由于数传机工作在半双工状态，所以通话时，不能进行数据传送。这种功能主要用于系统调试和检修。
4.1.5  管理功能：能量计算、数据处理、画面显示、潮流预测、优化调度、趋势记录及报表打印等。
   管理工作大致可以分为四类即：校时；数据处理；事故处理；图表生成。
4.2 特点
4.2.1 可靠性高。
   远程监控站（RTU）可无人值守、采用全天候机箱，能在恶劣环境下连续可靠工作。
   RTU可由交流/直流/太阳能等方式供电。站内配有后备电池。当主电源断电后可供电大约20天。对外提供24VDC隔离输出。
   RTU采用组件结构，每个组件有铝屏蔽外壳，能抗电气干扰。
4.2.2 通信方式多，距离远。
   通信有无线通信、有线通信（公用线/线——2/4线）和串行口通信（RS-485）。本身带有调制解调器（Modem）。几种通信方式可在系统中混合使用。
通信距离可从几公里到几百公里（加中继站）。
4.2.3 组态灵活，构成扩展系统容易。
    RTU可灵活组态成现场（外围）站或通信控制器（MRTU/IRTU），构成1：N或1：M：N系统。组态可在本地（便携机）或远端（管理机）进行。
5 SCADA系统运行总结
 沈阳市经济技术开发区供水工程中的SCADA系统投产运行近十年，运行稳定、可靠，做到了生产管理科学化、现代化，减员增效，工人操作维修方便。设备*，培养了一批懂技术会管理的人才。
 当然，今日的SCADA系统不论硬件、软件，随着电子信息技术的迅猛发展均有很大进步，硬设备如CPU,存储器,硬盘等的技术指标也有很大提高，软件自诊断功能加强，所以在以后的供排水工程设计中要考虑到系统的兼容性与可扩展性。
 为了提高系统通讯的可靠性，无线通讯今后选用被实践证明可靠的GPRS技术。随着计算机网络控制技术早已融入了变电站监控的方方面面，国内外已制造出了变电站（所）计算机监控系统。
前端机提供网络通讯接口与监控中心或工作站连接，实现系统集中监控。前端机要遵守下行通讯协议MODBUS、上行通讯协议ICP/IP MODBUS、DC451等。
综合保护器是集保护、测量、控制、通信功能为一体的分布式微机成套保护测控装置，并有SCADA接口，采用后可省掉电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数等检测仪表，并可大大减少二次接线，节省人力，减少故障点，便于检修。

作者简介
高伟明（1982-），男，中国市政工程东北设计研究院设计一所工程师。曾参与东北地区多项污水处理工程和给水工程的电气设计工作。