摘要：本文介紹了某供水工程SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。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、實時性、可靠性、開放性和兼容性等特點，而且，冗余光纖傳輸系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音和視頻的同步傳送。本設(shè)計方案所采用的計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、顯示技術(shù)體現(xiàn)了供水工程自動化系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢。 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化監(jiān)控系統(tǒng)采用以計算機為核心和網(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)將達到在調(diào)度控制中心完成對全網(wǎng)進行監(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)控和運行管理。 各站場達到無人操作，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)測和控制管道的運行，保證人身、管道、設(shè)備安全；使管道以最低的運行成本、最優(yōu)的工況正常運行；采用的設(shè)備、控制系統(tǒng)及材料是技術(shù)先進、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)（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之間采用光纖進行通信；調(diào)度中心與各站場在網(wǎng)絡(luò)上都是點對點的鏈接。 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)見圖1。 為了確保供水系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、可靠和高效的運行，采用先進的西門子自動化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)備運行情況進行監(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進行站場的監(jiān)視和控制，并將站場、管線上的關(guān)鍵運行參數(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)備的遠程控制。要保證系統(tǒng)提供詳盡、可靠的實時信息，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)計原則是： 技術(shù)的先進性：新建系統(tǒng)一次投資大，必須充分采用西門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、各站場的管理運行操作軟件統(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、用水信息管理等。新、老、及將來的項目都必須極易兼容，鏈接。 經(jīng)濟實用性：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)費用和維護費用，采用最經(jīng)濟最可靠的綜合方案。 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)濟增長點。 根據(jù)設(shè)計要求，選用雙冗余自愈環(huán)主干網(wǎng)，到各節(jié)點可采用"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，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技術(shù)，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(wǎng)。配合可提供E1標準接口的路由器接入LAN（TCP／IPIO／IOOM）網(wǎng)。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(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（RTU）控制系統(tǒng)。近則幾百米、遠則幾百公里。見圖2。 在正常情況下，由調(diào)度控制中心對全網(wǎng)進行集中監(jiān)視，對特別重要的個別設(shè)備也可進行遠方控制。操作人員在調(diào)度控制中心通過計算機系統(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對各站進行授權(quán)范圍內(nèi)的技術(shù)任務(wù)。當數(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)獨自完成對本站的監(jiān)視控制。當進行設(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、保護和管理，備用調(diào)度中心控制調(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)控點進行不問斷的監(jiān)控。 各站控系統(tǒng)和RTU作為SCADA系統(tǒng)的遠方控制單元，是保證SCADA系統(tǒng)正常運行的基礎(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的命令。 站控系統(tǒng)（SCS）主要有計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）、操作員工作站及進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嵲O(shè)備組成。RTU是一種獨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、維護方便、自診斷能力強，可適應(yīng)惡劣的環(huán)境條件、可靠性高等特點。各個站場的站控系統(tǒng)（scs）或RTU將完成對本r藝站場的監(jiān)控及連鎖保護等任務(wù)，并接受和執(zhí)行調(diào)度控制中心下達的命令。綜合自動化系統(tǒng)實現(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（如壓縮機組）的自動／手動控制、站場子系統(tǒng)的自動／手動控制。 為了保證SCADA系統(tǒng)各站點之間的數(shù)據(jù)交換的實時性，使其及時、準確、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)度控制中心的實時服務(wù)器對各站控系統(tǒng)（scs）采用點對點的通訊方式，都是通過網(wǎng)絡(luò)在線進行工作。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)庫中的每一個點根據(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（女口發(fā)布操作命令、對某一局部重點監(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)實時性。 3．1調(diào)度控制中心（見圖3） 調(diào)度控制中心的SCADA計算機系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余、分布式。SCADA計算機系統(tǒng)由SCADA實時數(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、冗余磁盤陣列、磁帶機、打印機、交換機、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RTU通信。 使用西門子SIMATICNET技術(shù)，組成開放性的工業(yè)以太網(wǎng)，符合TEEE802．3U規(guī)定，可從網(wǎng)絡(luò)中任何點進行設(shè)備互動和故障檢查，具有冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)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(yè)環(huán)境中。通過以太網(wǎng)卡，即可實現(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，是實現(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SCALANCE的西門子系列交換機，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)主要由遠程終端裝置RTU／PLC、站控計算機、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進行站場的監(jiān)視和控制，并將站場、管線的關(guān)鍵運行參數(shù)以SCADA系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)規(guī)圖5管網(wǎng)監(jiān)控點系統(tǒng)配置并進行分析、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(wǎng)的運行。 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)中任何點進行設(shè)備啟動和故障檢查，具有冗余網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。服務(wù)器通過配置以太網(wǎng)卡即可實現(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 本工程的管網(wǎng)監(jiān)控點包括：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。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)備的遠程控制。站控系統(tǒng)具有獨立運行的能力，當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： 泵站的SCADA計算機系統(tǒng)采用單機冗余、分布式結(jié)構(gòu)，SCADA計算機系統(tǒng)由SCADA工作站、打印機、交換機和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等設(shè)備組成。SCADA工作站實時采集泵站PLC的數(shù)據(jù)，這些監(jiān)控點的PLC和工作站計算機之間的通信用局域網(wǎng)實現(xiàn)，使用標準的TCP／IP協(xié)議來完成PLC和計算設(shè)備機通過網(wǎng)絡(luò)共享資源。見圖5。 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)束語 對于供水工程SCADA控制系統(tǒng)設(shè)計方案，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。通過標準開放的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)都能無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實時控制，對水行業(yè)來說是安全、可靠和經(jīng)濟適用的。 點擊下載：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