（市政工程专业论文）城市供水SCADA系统管网监测点优化布置的研究.pdf

摘要，蹄，3 2 l 本文首先回顾了国内外城市供水s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统研究发展的历史，指出了目前供水s c a d a 调度系统存在的不足之处、改进措施以及今后发展的方向，并详细阐述了城市供水s c a d a 系统的组成、功能、作用和建立。供水系统状态数据的正确采集对s c a d a 系统的合理调度起着举足轻重的作用，它不仅关系到s c a d a 系统能否正确实时地了解和监控供水系统的运行状态，而且在很大程度上影响了s c a d a 系统的投资成本和运行的可靠与正确性，因此，本文研究的重点是城市供水s c a d a 系统中监测点的优化布置，主要包括供水管网中水压监测点、流量监测点以及水质监测点的优化布置。供水管网中压力监测点优化布置，提出了基于反映管网节点流量变化的测点布置方法和基于反映管网节点压力大小分布的测点布置方法。供水管网中水质监测点优化布置，提出了三种具有能同时监测供水管网中余氯、浊度、色度、电导率、温度以及p h 值等水质指标的方法：基于节点水量覆盖的监测点布置方法；基于节点水龄值的监测点布置方法；基于有效监测范围的监测点布置方法。供水管网中流量监测点优化布置，受水压、水质监测点优化布置方法的启发，提出了基于反映管网节点流量变化的监测点布置方法和基于有效监测范围的监测点布置方法。通过实例验证了监测点优化布置方法的合理眭和实用性，在实际工作中具有重要的指导意义。关键词：城市供水s c a d a 测点布置模糊类聚灵敏度节点水龄有效监测范围a b s t r a c tt h eh i s t o r ys i t u a t i o no fs u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a )s y s t e m si e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta r er e v i e w e da tf i r s ti nt h i sp a p e r , a n dt h es h o r t a g e s 、i m p r o v e dm e a s u r e m e n t sa n dd i r e c t i o no f d e v e l o p m e n th e r e a f t e ra r ei n d i c a t e di nt h i sp a p e r , t h ec o m p o s i t i o n s 、f u n c t i o n s 、a c t i o n sa n db u i l do f t h eu r b a nw a t e rs u p p l ys c a d as y s t e ma r ee l a b o r a t e di nf u l li ti si m p o r t a n tt oc o l l e c td a t aa c c u r a t e l yf r o mw a t e rs u p p l ys y s t e mf o rs c a d as y s t e ma t t e m p e rc o r r e c t l y , w h i c hn o to n l yr e l a t ew h e t h e rw a t e rs u p p l ys y s t e m sr u n n i n gs t a t e sa r er e a l t i m ek n o w na n dm o n i t o r e db ys c a d a ，b u ta l s oa f f e c tac e r t a i ne x t e n tt h ec a p i t a l i z ec o s ta n dr u n n i n gr e l i a b i l i t ya n dv a l i d i t yo fs c a d as y s t e mt h e r e f o r e ，o p t i m i z e dl a y i n go fm o n i t o r i n gs t a t i o n si nu r b a nw a t e rs u p p l ys c a d as y s t e mi sa ne m p h a s e si nt h i sp a p e r , i n c l u d i n go p t i m i z e dl o c a t i n gm o n i t o r i n gs t a t i o n so fw a t e rp r e s s u r e 、f l o wr a t ea n dw a t e rq u a l i t yi nt h ea s p e c to fo p t i m i z e dl o c a t i n go fw a t e rp r e s s u r em o n i t o r i n gs t a t i o n si nt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，t w ow a y so fl a y i n gm e a s u r i n gs t a t i o n sa r eh o l d u p ，o n ei sb a s e do nr e f l e c t i n gt h ec h a n g eo fw a t e rp r e s s u r ei nt h en o d e so fn e t w o r k sa n dt h eo t h e rb a s e do nr e f l e c t i n gt h es i z ed i s t r i b u t i o no f w a t e rp r e s s u r ei nt h en o d e so f n e t w o r k sz o f l e s |i nt h ea s p e c to fo p t i m i z e di o c a t i o no fw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gp o i n t si nt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，t h r e ew a y sc o n n e c t e de a c ho t h e ra r eh o l d u pw h i c hc a nm o n i t o rs i m u l t a n e i t yw a t e rq u a l i t yi n d e x e so fr e s i d u a lc h l o r i n e 、t u r b i d i t y 、c h r o m a t i c i t y 、t e m p e r a t u r ea n dp hi nt h en e t w o r k st h ef i r s tw a yi sb a s e do nt h ei n d e xo fn o d ef l o wc o v e r a g e ，a n dt h es e c o n do n ei sb a s e do nt h ec u r r e n ta g eo fn o d e s ，w h i l et h el a s to r ei sb a s e do nt h ev a l i dm o n i t o r i n ga r e ai nt h ea s p e c to fo p t i m i z e dl o c a t i n go ff l o wr a t em o n i t o r i n gs t a t i o n si nt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，t w ow a y so fl a y i n gm e a s u r i n gp o i n t sa r ea l s oh o l d u p ，o n ei sb a s e do nt h ef l o wc h a n g es e n s i t i v i t yo fn e t w o r k sn o d e s ，w h i l et h eo t h e ri sb a s e do nt h ee f f e c t i v em o n i t o r i n gf i e l dt h ea l lw a y so fm o n i t o r i n gs t a t i o n so p t i m i z e dl a y i n ga r ep r o v e di t sr a t i o n a l i t ya n dp r a c t i c a l i t yt h r o u g ha ne x a m p l e ，w h i c hh a v eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei nt h ep r a c t i c ek e y w o r d s ：u r b a nw a t e rs u p p l ys c a d ac l u s t e r i n gs e n s i t i v i t y c u r r e n ta g eo f n o d em o n i t o r i n gs t a t i o n sl o c a t i n gf u z z ye f f e c t i v em o n i t o r i n gs c o p e第一章绪论1 1 城市供水s c a d a 系统的发展概述城市是政治、文化、经济等的集结地，它集中了大量的社会财富，对一个国家的国民经济起着举足轻重的作用。而城市供水系统是城市基础设施中的一个重要组成部分，它关系到城市的生存和发展。进入20 世纪以后，随着经济的发展，人口的增长和城市的规模化，世界各地的许多城市不同程度地出现了供水危机，加上全球性的能源危机，各供水企业已把城市供水系统的规划、运行、调度和管理等问题的研究作为支持社会经济可持续发展的重要战略。由于城市规模的不断扩大以及城市供水管网的复杂程度不断提高，城市供水系统的优化调度的重要性显得更为突出。所谓城市供水优化调度，是指在保证城市供水水质和水量安全可靠的前提下，使单位供水量的能耗降低到最低限度。对城市供水系统的优化调度的研究，国外早在2 0 世纪6 0 年代就开始了，近年来不断加深理论和实践方面的研究，并在一些城市实现了在线实时的优化调度。在国内有关这方面的研究虽然起步较晚，但近年来也取得了较快的发展，并成功地应用于工程实践1 1 心。根据技术应用的深度和系统完善程度，可以将城市供水的调度分为如下三个发展阶段i j 】：( 1 ) 人工经验调度：主要依据为区域水压分布，通过增加或减少工作水泵的台数，使管网中各区域的水压能保持在设定的服务压力范围之内。此方法调度简单，但调度实施滞后时间长，调度效果差，只适应于简单的城市供水管网的调度。( 2 ) 计算机辅助优化调度：依据区域水压分布和需水量的大小，建立起调度的数学模型，利用计算机求解供水能量最少的目标函数，得出优化调度方案。在保证管网系统服务质量的前提下，确定各个泵站开启水泵的型号、台数和变速泵的转速使得供水系统供水费用最低。此方法调度效果好，但自动化程度低，调度方案的实施在时间上仍然存在着滞后现象，不能做到城市供水管网的实时调度。( 3 ) 全自动化调度与控制：这是当今城市供水管网优化调度的发展方向。主要通过城市供水s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，实现城市供水管网调度与控制的最优化、自动化和智能化；实现与水厂制水过程控制系统、供水企业管理系统的一体化口4 i 。1 1 1 城市供水s c a d a 系统发展历史简介对于s c a d a 系统，国外于6 0 年代中期就开始了较为系统的研究，较早的有德国的西门子公司、美国的i n t e r l u t i o n 公司、意大利的l o g o s y s t e m 等。七十年代以来，由于计算机技术的迅速发展，特别是微型计算机问世，出现了新一代的自动控制系统，一般称之为集散控制系统。这种系统具有集中操作管理和分散控制的功能，主要采用了四项基础技术：计算机技术( c o m p u t e r ) 、通讯技术( c o m m u n i c a t i o n ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 并l l 传感技术( s e n s o r ) ，简称3 c + s 技术。由于其强大的功能，随即在城市供水、城市供热、供电电网、燃气输配等网络中得到了广泛的应用p 】。城市供水s c a d a 系统，又称城市供水计算机四遥系统，指遥测( t e l e m e t e r i n g ) 、遥控( t e l e e o n t r 0 1 ) 、遥讯( t e l e s i n g a l ) 、遥调( t e l e a 由u s t i n g ) 技术。它是利用网络技术、通信技术以及数据采集和遥控系统，结合给水处理工艺、数理统计和现代控制等理论，根据对整个给水管网监测到的水压、流量、水质等数据进行分析和处理后，通过遥控设备，实时地对各水厂的生产设备和给水管网中的各自动调节阀、加压泵站、贮水池水位以及各二级泵站的水泵进行优化调度，以达到在满足给水管网的水压、水量、水质等各项约束条件的前提下，使单位供水量的能耗降低到最大限度。它与地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、管网模拟仿真系统、优化调度等软件配合，可以组成完善的供水管网调度管理系统。我国七十年代末开始引进微型机技术和设备，八十年代开始引进s c a d a 技术，在城市供水行业也有一些单位引进或开发s c a d a 技术，并建立了一定水平的供水s c a d a 系统。如1 9 8 6 年福州水司建立了第一个s c a d a 系统，但由于受国产设备及当时的技术水平的限制，系统可靠性、稳定性均较差，1 9 9 2 年该公司对系统的监测设备以及软件的操作平台等进行了改进，目前初步形成了较为完善的级调度的s c a d a 系统，并取得较为满意的调度效果【6 l 【”。同国外s c a d a 系统相比，大部分国产s c a d a 系统主要是模仿国外系统开发的，具有较高的性能价格比，针对性较强，但是仍然具有诸如：与管理信息系统m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 集成能力差、g i s 功能薄弱、多任务调度能力差，事故追忆和诊断能力缺乏等弱点，要满足企业级和行业部门级大型集中监控管理s c a d a 系统的要求，还需要作一步的努力。1 1 2 当前城市供水s c a d a 系统存在的主要问题目前，我国s c a d a 系统存在的问题，可以归纳为：( 1 ) 监测点选址不合理，采集数据不准确、不完整，缺乏代表性首先，目前有关监测点的选址，大都是凭经验确定，缺少较强的理论依据，使得监测点的选址不合理，缺乏代表性，通过这些监测点监测到的数据自然就无法正确反映供水系统的工作状况，从而也就无法对整个供水系统实施优化调度；其次，由于传感器仪表质量不稳定，维护也跟不上，造成系统采集数据不准确，不完整，以致系统的可靠性受到影响。( 2 ) 实用性不强，功能单一目前的供水s c a d a 系统大多只实现有关参数的实时采集( 遥测、遥信) ，仅有少数系统具备简单的遥控功能，可完成基本数据处理、管理、显示、曲线分析及报表打印功能。但一个完善的供水s c a d a 系统，其功能应包括数据统计分析、实时优化调度、供水量的预测、厂站和管网运行的动静态控制管理等。( 3 ) 系统缺乏标准化、规范化由于没有行业的技术规范和标准，以致国内各厂家都是按自己的认识、能力及经验来研制、生产系统设备，各厂家之间是封闭的、技术上互不) 下放，每个厂家都有自己的用户群体，其弊端显而易见。另外，由于系统不开放，通信协议、设备接口等不标准，系统的开放性和通用性大打折扣，所建立的系统很难达到最佳性能。再者，在封闭的环境下，不利于技术的交流与提高，阻碍系统技术的进步与发展，这是导致目前国内s c a d a 调度系统应用水平不高的主要原因之- - 18 1 。( 4 ) 系统的抗干扰性能不强调度系统抗干扰问题应该引起生产厂家和使用单位的重视。系统的干扰主要有电磁、信道、雷电等。系统信道多数是无线信道，因为采用无线信道组网既灵活又经济，但由于划给遥测遥控专用的频段逐步开放给寻呼网使用，目前，多数系统所采用的通信规属无纠错抗干扰技术，使调度系统信道处于邻道干扰而无法工作；对电磁和雷电干扰虽然设备在设计时已采取一些措施，但由于使用现场往往忽略了设备及信号线接地或地网的安装和维护，使得设备经常受雷击而损坏f 8 。1 1 3 解决措施针对目前国内城市供水s c a d a 系统在实际使用中所暴露出的问题，有关专家也提出了解决问题的建议和方法9 1 1 1o 】：( 1 ) 制定城市供水s c a d a 系统专业技术标准与规范。系统专业技术标准与规范的内容应包括：系统硬件设备的选型、配置要求；系统功能及主要技术指标；通信协议、数据交换协议，远程访问，硬件接口的基本规定；系统实用化要求：统一名词、术语定义的标准描述。有了这些标准，将使供水调度系统的开发和使用有一个正式的依据，为用户按一定的尺度、标准去选择、衡量系统和产品提供了可能；有利于用户对系统的优化，也将改变供水企业以往在引进系统、引进新技术、新产品方面的被动局面。同时为科研单位、生产厂家在供水调度系统的开发研制和公平竞争提供了可能性，从而使系统的研制、开发、使用、完善步入一个良性循环，使系统技术应用向规范化发展。( 2 ) 建立监测点优化选址的理论和方法，合理选择监测装置的位置和确定监测装置的数量，这不仅能正确地实时地了解供水系统的运行状况，而且对降低s c a d a 系统的设备成本，有着非常重要的作用。( 3 ) 有了s c a d a 系统专业技术标准与规范，还必须在全国范围内建立具有权威性的专业管理机构，负责相关专业的技术咨询、系统设备性能的评估、组网资格证、系统产品检测和入网证发放工作。由于微机测控系统的技术已经比较成熟，许多厂家、单位纷纷投入到这种系统的工程中来，从市场上购进计算机、单片机、手持对讲机或车载台式加调制解调器来联网。这种形式的系统大多缺乏全面的系统设计，通信网络的设计也存在不足，系统将难以正常连续工作，其维修服务也难以保证。因此，通过有关部门的管理和监督，特别是产品的强制性受检及设备入网证的发放，可杜绝劣质系统产品的生产和使用，有利于提高系统的整体性能和质量。( 4 ) 供水调度系统集多项技术于一体。一个完善的供水调度系统软硬件的研制r 丌发不可能由一两个厂家就能完成。系统专业技术标准与规范的制定工作需要各部门的配合。因此，迸一步加强行业的技术交流与活动，使科研单位、生产厂家和用户之间，用户和用户之间的迸一步协作，集思广益，将可提高调度系统的技术应用水平。( 5 ) 在提高系统性能和功能的同时，厂家应进一步提高系统及设备的稳定性和可靠性，这是系统达到可用性的关键。国内已投入的系统，可用率不高，原因是多方面的，但关键是系统及设备( 包括传感仪表) 的稳定性和可靠性不高。由于生产工艺、内部管理的不足，国产数传电台的可靠性不高，以致近几年来，众多厂家( 包括有实力的科研单位) 都采用进口2 3 0 m h z 频段车载台式机加装调制解调器改装成数传机。从长远的发展来看，还是应立足于国内产品的研制和开发，在满足产品可靠性要求的前提下，组织批量生产，产品也可在其它行业中应用。因此，建议在全国统一的遥测遥信数传频段中，确定部分频点供调度系统专用，从而可降低信道的同频和邻道的干扰，有利于电台产品质量的提高。另外，现场接入的信号种类繁多，干扰源也容易串入，因此端站的i o 接口必须安装有效的隔离和保护设施。1 1 4 城市供水s c a d a 的发展趋势尽管我国的城市供水s c a d a 系统在实际使用中存在着一些不足，但近几年来的发展是有目共睹的，特别是软件技术方面的发展较快。今后s c a d a 系统的技术发展趋势主要表现在：合理布置监测设备，全面而正确地了解供水系统运行信息，为供水调度提供准确的依据：增强数据分析和处理能力，提高决策功能：主站采用开放式网络体系结构，形成可同时进行数据显示等操作的多个调度平台。操作软件在w i n d o w s 等图形化的环境下开发，采用图形技术和多媒体技术增强数据的表达能力，人机界面更友好，操作人员也易于接受；系统组网采用分布式、层次化的结构，由一个主站和若干个远程终端r t u ( r e m o v et e r m i n a lu n i t ) 组成星形网一级管理，也有扩展星形网或树形的二级管理，通信组网更加灵活；系统软硬件设计趋向于开放性和扩充性。总之，为了进一步提高我国供水调度系统的应用水平，缩短与国外的差距，制定行业技术标准与规范，提高系统的整体技术水平是当务之急。发展以数据通信系统d c s ( d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 为基础，应用可编程序逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 、数据采集终端、信息处理中心i p c ( i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc e n t e r ) 等组成带局部集中监控、与管理m i s 系统联网一体的分布式的计算机网络的通用化、智能化、标准化的s c a d a 系统，是新一代s c a d a 系统的发展趋势。随着城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划的进一步实施，我国的供水管网s c a d a 调度系统的应用和开发都将会有更大的发展。1 2 城市供水s c a d a 系统中监测点布置的研究状况要实现计算机对城市供水管网的在线优化调度，首先s c a d a 系统应实时地为计算机调度提供必要的供水系统运行状态参数。这样就需要定数量的遥测装置，对整个供水系统的运行信息进行采集，而采集的数据必须既准确又具有代表性。数据的准确性会受到监测设备本身的测量精度的影响，但由于监测设备测量精度将随着仪器的改进而将提高，这样，供水管网中监测点的数量和选址问题，在供水s c a d a 系统中显得尤为重要。从最理想的角度出发，为了尽多的了解管网信息，最好的方法是在整个城市供水管网每一个节点( 或者管段) 都布置监测仪表，但是，在实际工作中，无论从经济、技术以及管理的角度来看，这是既不可能的，也没有这个必要。城市供水s c a d a 系统需要采集的管网中的重要信息包括水压、水质和流量等。目前，国内外有关对城市供水管网水压监测点、流量监测点和水质监测点的选址的研究尚处于起步阶段，提出测点选址方法各有千秋，还没有形成统一而完整的理论。如在压力监测点选址方面有日本的西川韦- - ( 1 9 8 6 ) 和国内的黄廷林、丛海兵( 2 0 0 1 ) 【1 2 】提出了应用模糊聚类法，张宏伟( 2 0 0 3 ) 等提出了使用灵敏度法。在管网水质监测点选址方面，国外学者b y o n gh l e e 等( 1 9 9 1 ) 【h 1 ( 1 9 9 2 ) 1 15 1 和m r u nk u m a r 等( 1 9 9 7 ) 1 6 1 提出以监测水量d c ( d e m a n dc o v e r a g e ) 为指标( 国内学者张怀宇、赵洪宾等( 1 9 9 6 ) 7 j 使用水质监测度为指标，其实是同一物理意义) 。此外，a r v n e rk e s s l e r 等( 1 9 9 8 ) 1 1 9 提出了有效监测范围d d ( d e t c c t e dd o m a i n ) 这一概念。在管网流量监测点选址方面的研究似乎更少了，目前，国内外还尚未见到比较有说服力的提法。在我国制定的城市供水管理一些相关的政策和标准中，有关监测点的选址问题也只是定性的说明，要求布置在具有“代表性”的节点或管段中，并没有说明究竟什么样的点才具有“代表性”。所以，就目前来说，有关监测点选址方法，基本上停留在人工的经验层次上，并没有上升到理论的高度上来。这就使得很难从监测到数据来正确了解整个供水管网的工作状况，从而，不利于对整个供水系统进行优化调度。1 3 本课题研究的背景及内容城市供水s c a d a 系统监测点的选择，一方面受s c a d a 系统的投资费用和管网安装场地等实际条件限制：另一方面，实时信息量还应与计算机内存容量、分析计算所需的响应时间以及调度系统所建立的数学模型相匹配【2 0 】f 2 1 1 。监测点的位嚣若选择不当，所监测到的数据就缺乏代表性，也就无法正确地反映供水系统的6运行状态，更谈不上对其进行优化调度，因此，如何利用数量少但代表性强的监测点的实测参数，在尽可能大的程度上反映供水系统的运行状态及其实时变化情况，就成为供水s c a d a 系统所要解决的关键问题之一，这对供水s c a d a 系统的建设具有现实指导意义。本课题就是基于这样一个背景，拟在城市供水s c a d a 系统中，对其监测点优化选址的理论和实践进行研究，其具体内容包括：供水管网水压监测点的优化选址；供水管网水质监测点的优化选址：供水管网流量监测点的优化选址。第二章城市供水s c a d a 系统及其建立2 1 城市供水s c a d a 系统的功能、作用及组成【3 】【2 22 1 1 城市供水s c a d a 系统的功能城市供水s c a d a 系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：一是数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机h m i( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 系统。下位机通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种r t u 、f t u 、p l c及各种智能控制设备等等。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，实时感知各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，通过特定数字通信网络( 主要是无线网络) 传递到h m i 系统中。上位机h m i 系统在接受这些信息后，以适当的形式如声音、图形、图象等方式显示出来，以达到监视供水管网运行状况的目的。同时h m i 将接受到的数据经过处理后，可以了解供水管网运行工况，告知各种设备工作的状态( 如正常或异常等情况) ，这些处理后的数据可以保存到数据库中，也可以通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统( 如m i s ，g i s ) 结合形成功能更加强大的系统；h m i 还可以以自动和人工并联的方式，将控制信号发送到下位机中，调节控制设备的工作状态，如自动阀门的开户度、各水厂的水泵工作台数、变频调速器的转速以及供水水质的控制设备等，以达城市供水管网优化调度的目的。一般来说，城市供水s c a d a 系统的功能主要包括下列几个方面：( 1 ) 数据采集( 遥测) 功能数据采集功能是城市供水s c a d a 系统中最基本也是主要的功能，采集的数据包括水压、水量、水质( 如余氯、浊度、色度、p h 值、电导率等) 、水泵运行状况、变频调速器的状态等参数。数据采集方式可分为：循环采集：系统将按指定时间间隔自动对各个监测点进行例行数据采集。随机点测：可以根据数据处理或调度需要的要求，随时对某个点的某些数据项进行数据采集，以便观察比较。分组召测：可以根据数据处理或调度的要求对一组点的一组数据进行采集，以便观察比较。( 2 ) 遥信功能设备生产状态数据如何传递到上位机系统处理? 目前上位机通常通过标准串口或i o 卡运行专用的上层采集模块，从下位机中实时地采集设备各种参数和发送控制信息：解决问题效率的高低表现在采集周期的长短上，这也是衡量一个系统是否适合于某个行业的一个重要指标。目前上位机可达到平均毫秒级的采集周期。通讯协议可以采用多种模式如：a s c i i 、r t u 等；通讯方式表现为同步、异步和主被动结合等；通讯媒体可以采用有线和无线相结合的方式。( 3 ) 遥控功能遥控功能也是s c a d a 系统中主要功能之一，系统利用采集到的数据进行分析和处理，以了解供水系统的工作状况，根据优化调度的原则，对供水水泵或加压水泵的开停、自动阀门的开启度、水泵变频调速的工频以及其它控制设备( 水质等)进行遥控和遥调，并将遥控遥调的结果反馈到上位机上来。( 4 ) 事故智能报警功能对供水管网的主要生产和控制设备工作状态异常时，提供声音、图形等方式报警；在某一时刻采集到的数据出现异常( 主要与该工况正常工况数据比较) 时，提供声音、图形等方式报警，并显示异常范围区域；当确定供水管网中某一管段发生事故( 如爆管) 时，能在显示屏上显示优化关阀方案，并能打印出停水用户名单。( 5 ) 数据管理功能供水管网基本信息数据管理：主要包括增加、删除、修改管网基本信息，如管径、管长、阀门、泵站等以及基本地理信息等；供水管网约束数据管理：供水管网约束数据主要是指供水管网在正常的运行工况条件下，各主要生产设备、监测点、控制设备、水质指标等参数的变化范围规定数值。s c a d a 系统必须提供对这些数据的设定与维护的功能；数据报表生成与数据查询功能：可以根据需要生成、打印或查询相关的各种类型历史或当前数据的数据表，如管网压力、管段流量、用水量变化情况、各供水厂的供水量、水质状况以及供水电耗等数据。2 1 2 城市供水s c a d a 系统的作用s c a d a 系统是当今世界迅速发展起来的、并具有远大发展前途的新技术，广泛地应用的行业有：城市供热、供水系统监控和调度、电力系统配电网、铁路系9统电力系统调度网、铁路系统道口，信号管理系统、石油和天然气等各种管道监控管理系统、坝体、隧道、桥梁、机场和码头等安全监控网、交通安全监侧、钢铁工业高炉安全监控系统等。城市供水s c a d a 系统就是将s c a d a 技术应用于城市供水系统的管理和调度，其主要作用有：( 1 ) 提高供水生产和运行管理的安全性能和可靠程度；( 2 ) 自动实时监视供水系统的运行状况，提高供水系统的安全性和服务质量：( 3 ) 动态掌握供水管网的运行工况，对整个供水系统实行实时优化调度，降低供水成本：( 4 ) 提高预测供水设备和供水管网事故，以及对事故发生的的快速反应和处理的能力，使事故损失和影响降低到最低限度，从而可带来潜在的社会和经济效益。( 5 ) 减低生产人员劳动强度，改善了工人的工作环境；( 6 ) 减少不必要的人工浪费，提高工作效率。2 1 3 城市供水s c a d a 系统的组成城市供水s c a d a 系统一般采用多层体系结构，一般可分3 4 层：( 1 ) 设备层：包括传感监测仪表、控制执行设备和人机接口等。设备层的设备安装于生产控制现场、管网关键节点，直接与生产设备和操作工人相联系，是水厂工作情况、供水管网运行状态与数据的直接感知者，是调度与控制的最终实施者。此外，还负责现场指示、显示与操作。在现代供水s c a d a 系统中，设备层也逐渐走向智能化和网络化。供水s c a d a 系统的设备层中具有分散程度高的特点，往往需要使用一些自带通讯接口的智能化监测和控制执行设备。设备层采集和接受信息一般都利用无线电传送。( 2 ) 控制层：负责调度与控制指令的实施。控制层向下与设备层联接，接受设备层提供的运行过程状态信息，向设备层给出执行指令。对于具有一定规模的供水s c a d a 系统，控制层往往设有多个控制站( 又称控制器或下位机1 ，控制站之间联成控制网络，可以实现数据交换。控制层是供水s c a d a 系统可靠性的主要保证者，每个控制站应做到可以独立运行，至少要保证整个生产过程不中断。城市供水s c a d a 系统的控制层般由可编程控制器( p l c ) 或远程终端( r t u )组成，其中有些控制站既属于管网控制系统的一部分，又属于水厂生产过程控制系统的组成部分。0( 3 ) 调度层：实现监控系统的监视与调度决策。调度层往往是由多台计算机f 微机或工作站) 联成的局域网组成，一般分为监控站、维护站( 工程师站) 、决策站( 调度站) 、数据站( 服务器) 等。其中监控站向下联接多个控制站，调度层各站可以通过局域网透明地使用各控制站的数据与画面；维护站可以实时地修改( 需要受权1各监控站及控制层的数据与程序：决策站可以实现和监控站的整体优化和宏观决策( 如调度指令、领导指示) 等；数据站可以与信息层共用计算机或服务器，也可以设专用服务器。城市供水s c a d a 系统的调度层可以与水厂过程控制系统的j j 矗控层合并建设。( 4 ) 信息层：提供信息服务与资源共享，包括与供水企业内部网络共享管理信息与水厂过程控制信息。信息层更高一级是以广域网( 如国际互联网i n t e m e t ) 作为信息载体，使得一个s c a d a 系统的所有信息可以发布到全世界任何地方，也可以从全世晃任何地方进行远程调度和维护。也就是说，全世界信息系统、控制系统可以联成一个网。但这只是现代s c a d a 系统发展的大趋势，目前要达到这一步尚有一定距离。2 2 城市供水s c a d a 系统的技术基础s c a d a 系统是建立在3 c + s ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r o l 、s e n s o r l 基础上1 3 j 。s c a d a 系统应用的不断发展和普及，得益于其基础技术3 c + s 近年来的快速发展，全面了解这些基础技术发展，将有利于s c a d a 系统的应用水平的提高与发展。( 1 ) 计算机( c o m p u t e r ) 技术近些年来计算机技术飞速发展，功能强大和运行速度更快的硬件技术、不断更新的视窗操作系统w i n d o w s 软件平台以及网络技术的迅猛发展，支持着大型数据库的数据处理功能，可以承担处理大型的控制和信息处任务。功能强大的计算机系统平台及网络技术，使得计算机得到了广泛的应用，更为构建功能强大的s c a d a 系统创造了有利条件。在s c a d a 系统中，计算机主要用做m a s t e r 或称调度中心。近来国内外许多厂家都推出了基于w i n d o w s 的f o rs c a d a 的组态软件。如w o n d w a r e 的i n t o u c h 、i 基i t - j 子公司的w i n c c 、澳大利亚的c i t e c h 、美国i n t e r l u t i o n 公司的f i x 、意大利l o g o s y s t e m 的l o g v i e w 等。这些软件平台上可以完成与给水调度相关的数据采集，提供了与多种p l c 或其它智能设备通讯的驱动程序、动态数据交换d d e ( d y n a m i cd a t a e x c h a n g e ) 等功能，便于实现数据处理、数据显示和数据记录等工作，具有良好的图形化人机界面m m i ( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) ，具备趋势分析和控制功能。为城市供水管网优化调度、节能降耗提供了尽善尽美的手段。计算机的网络功能为城市供水的多级s c a d a 调度系统的建设和水厂生产过程控制系统、供水企业管理系统的一体化提供了有利条件。( 2 ) 通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 技术通讯技术与设备的选择是构建s c a d a 系统最丰富多彩的部分，s c a d a 系统设计是否合理，通讯技术的选择十分重要。根据前面提到s c a d a 系统分为四层，所以，通讯技术可分为三个层次：信息与管理层的通讯。这是计算机之间的网络通讯，实现计算机网络互联与扩展，获得远程访问服务。将s c a d a 系统联入i n t e r n e t ，不但可以享受公共网络的廉价服务，而且可以将控制与管理信息漫游到全世界，实现全球资源共享。控制层的通讯。即控制设备与计算机、或控制设备之间的通讯。这些通讯多采用标准的测控总线技术，要根据控制设备的选型确定通讯协议，也要求控制设备选型尽量统一，以便于维护管理。设备底层的通讯。即监测仪表、执行设备、现场显示仪表、人机界面等的通讯。底层设备数字化，以代替传统的电流或电压信号模拟信号连接。数字化设备之间的通讯多采用串行通讯，如r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2 等，而通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是近期推出的高效率、即插即用、热切换的接口通讯协议，具有良好的应用前景。根据数据传输方式，通讯可分为有线通讯和无线通讯两大类。选择不同的传输方式，对通讯可靠性和通讯成本有显著影响。无线通讯技术包括微波通讯、短波通讯、双向无线寻呼等，应用较多的是超短波2 0 0 m i - h 的通讯。当前正在发展的双向无线寻呼为构成供水s c a d a 系统中的监测点、井群等通讯将会有十分重要的作用，是种既可靠又廉价的通讯手段。有线通讯可以利用公共数据网进行，或通过电话、电力线路进行载波通讯，但成本非常高，维护也比较困难，只有在短距离且可靠性要求非常高的情况下采用。( 3 ) 控带t ( c o n t r 0 1 ) 技术控制设备为s c a d a 系统的下位机，主要指远方终端r t u 和现场测控智能装置，也可以是专用的r t u 、智能仪表和智能控制器以及p l c 系统等统称下位控制单元。控制设备是城市供水管网调度执行系统的重要组成部分，并对s c a d a 系统的可靠性和价格影响相当大。目前常用的控制设备有工控机( i p c ) 、远方终端( r t u ) 、可编程逻辑控制器( p l c ) 、单片机、智能设备等多种类型。i p c 的软硬件与普通计算机相同，其本质还是计算机，具有大容量和高速数据处理能力，其软件十分丰富，有理想的界面。目前在供水s c a d a 系统中应用还不多见，但随着现场设备的数字化及与控制设备通讯连接技术( 如u s b ) 的发展，i p c的应用可能会不断增加。p l c 是严谨、方便、易安装、易编程、高可靠性的技术产品。它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易懂的应用软件，能与现场设备方便联接，特别适于逻辑控制和计时、计数等，多数产品还适用于复杂计算和闭环调节控制。p l c 一般用于构建供水s c a d a 的调度执行系统，特别是泵站的控制。r t u 是介于i p c 与p c l 之间的产品，它既有i p c 强大的数据处理能力，又具备p l c 方便可靠的现场设备接1 2 1 ，特别是远程通讯能力比较强。r t u 适于在供水s c a d a 系统中完成较大型的或远程的控制任务。单片机是一种廉价的控制设备，在追求低成本的情况下，单片机构成供水s c a d a 系统下位机己成为主流。单片机有许多系列，品种丰富，但在使用前都必须经过二次开发，需要逻辑设计、驱动设计、通讯协议设计、可靠性设计和软件开发等。单片机主要用于供水s c a d a 系统中的数据采集或设备控制任务。近年来的现场总线技术( f c s ) 的发展又为单片机的应用带来了良好的前景，如美国e c h e l o n 公司设计的神经元芯片，可以解决复杂的通讯控制任务，使得控制网络的构建得以简化，成本也大为降低。( 4 ) 传感( s e n s o r ) 技术在供水s c a d a 系统中，为了了解各水厂的工作状况和供水管网的运行状态，必须安装着许多传感器( 压力变送器、流量变送器、电量变送器、水质监测仪表等) 【2 3 】，来完成s c a d a 系统实时的现场数据采集任务。传感器可分为智能型和非智能型两类。非智能型完成电量的标准化信号转换和非电量的理化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器的工作之外，还具有上、下限报警设置、数据显示、简单数字逻辑控制等功能。最新的智能传感器大都具有某种现场总线功能，可以与s c a d a 的上位计算机或下位控制单元通讯，构成s c a d a 系统的一个重要组成部分。在城市供水s c a d a 系统中需要传感的参数主要有：压力、流量、水质( 包括余氯、浊度、色度、水温、电导率等) 、水位、湿度、电压、电流、功率、功率因素以及接近开关、限位开关、水位开关、继电器、变频调速器等。传感器在s c a d a 系统中的数量相对较多，种类也较大。传感器在各工作现场的布置，特别是供水管网中监测点布置合理与否，不仅影响s c a d a 系统的设备费用，而且影响系统对管网的调度效果以及供水服务质量。因此，传感器的选择、可靠性、布置位置，对s c a d a 系统长期、稳定、可靠的工作起着至关重要的作用。2 3 城市供水s c a d a 系统的建立2 3 1 城市供水s c a d a 系统设计原则要实现城市供水“优质、高效、低耗、安全”的目标并创造最大的经济效益和社会效益，建立的供水s c a d a 监控调度系统必须具有开放性好、可靠性高、适应性强等的特点。为保证供水s c a d a 系统的稳定性、可靠性、先进性、经济性和实用性，一般遵循下列总体设计原则1 2 4 j ：采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品。采用符合国际标准或产业标准的成熟可靠的软件产品。软件要具有良好的模块化以及标准的互联接口，便于组成各种规模的系统及产品和技术的更新换代。采用智能化自控设备，保证实时数据传递的快速、准确、有效、完整。2 3 2 城市供水s c a d a 系统的结构设计一个城市的供水s c a d a 系统结构随城市供水特点、城市规模、企业经济技术条件等情况的不同而有所区别。但一般来说，一个s c a d a 系统由中