自来水实时数据采集与监控系统设计

1、湖南工业大学本科毕业设计（论文）PAGE PAGE 50 （2011届） 本科毕业设计（论文） 题 目 名 称:自来水实时数据采集与监控 （SCADA）系统 学 院 （部）：电气与信息工程学院 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导老师姓名： 职称 最终成绩评定： 2011 年 月摘要随着我国城市建设的加快，管网越来与庞大，分散，作为城市极为重要的基础设施，加强对供水系统实时数据的采集与监控及信息化建设都具有相当重要的意义。实时数据采集与监控（SCADA）系统是采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总等处理。通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备的运行。论

2、文在了解实时数据采集与监控系统（SCADA）系统的基础上，对实时采集到的数据、监控状态的收集进行计算处理，并且从数据库的历史中获取的经验，进行优化调度，实现自来水网管的智能化控制。充分运用现代化的信息技术手段，通过对SCADA系统的硬件和软件的设计，完成一个具有先进性、高可靠性、经济性的系统设计方案。关键词：SCADA, 数据采集，监控，设计ABSTRACTAlong with the construction speed quickly of our city, the pipe line network is more huge anddispersion. As an extremely

3、 important infrastructure, strengthen to optimize pipe line network and the information-based construction is very important.The SCADA system is to collect each sites data information ,store it and stattools. according to data analysis, And then give a Alarm information or send out a Control Command

4、s to site timely to contral the site Operation of equipment.This paper is based on the SCADA system,Collect real time data and supervise data to calculate or process. And then acquire available clue from the history in the database of experience, make an excellent optimized decision. Implement intel

5、ligent control of water pipe network, make themost of the modern information technique, through Hardware and software design of the SCADA system to implement a advanced ,high reliability and economic system design.KEY WORDS: SCADA, Data acquisition，Supervisory control，Design目录一 绪论 （一）SCADA系统概述1 1 SC

6、ADA系统组成及工作.1 2 SCADA系统的功能.2 （二）本课题研究的背景、内容及意义.5二 自来水SCADA系统总体设计 （一）自来水SCADA系统结构分析及监控站点组成.7 （二）自来水SCADA系统的技术基础.11 （三）城市自来水SCADA系统的建立.14 1 城市自来水SCADA系统设计原则.14 2 城市自来水SCADA系统的结构设计.14 3 网络设计.15 4 数据采集、控制和调度系统的设计.17 5 网络通讯系统设计.22 6 自来水SCADA系统数据库.23 7 供水SCADA系统的防雷保护.24三 自来水厂SCADA系统设计方案 （一）引言.26 （二）系统总体方案.

7、26 （三）系统构成及功能描述.28 （四）访问和保护信息系统安全.33 （五）结束语.34四 结论.35五 参考文献.36六 致谢.37一 绪论SCADA系统概述。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即采集与监视控制系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、供水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。1 SCADA系统组成及工作原理。

8、SCADA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：一是分步式的数据采集系统，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HMI（Human Machine Interface）系统。下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种RTU、 FTU、PLC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物管理的设备或仪表相结合，实时感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信或数字网络传递到HMI系统中；在必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。上位机HM

9、I系统在接受这些信息后，以适当的形式如声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态（报警、正常或报警恢复），这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能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MIS，GIS）结合形成功能更加强大的系统；HMI还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。在供水系统中，SCADA系统应用非常广泛，技术发展也最为成熟。它作为能量系统的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌

10、握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已成为供水系统不可缺少的工具。它对提高管网运行的可靠性、安全性与经济 效益，减轻调度员的负担，实现管网电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。在SCADA 系统投入运用后，提高了输配管网运行的可靠性、安全性、有着潜在的社会效益和企业经济效益，减轻了管理人员工作负担。是实现调度自动化、管理信息化的软件平台的基础。 系统采用两级控制，如图1所示。一级是 SCADA 控制中心，监测分布在管网上的各个测量点，对数据采集分析，负责监视、管理和控制、统计输出等工作。通过控制中心，可实时得到整个地区的城市供水管网运

11、行状态、大用户用水工况，分析历史数据，判断管网运行质量，支持管网输配调度和管理。 二级为管网测量点 RTU(远终端单元)，实施远距离监控，将管道的压力、流量、设备运行工况、现场水泄漏的值等有关信息发送回控制中心，即使掉电也能将信息短期储存以便补发。控制中心与管网测量点间采用多种传输方式，为实现优质、高效、低耗、安全的供水目标并创造最大的经济效益和社会效益，建立开放性好、可靠性高、适应性强的供水监控调度系统。 图1 SCADA系统2 SCADA 系统的功能。SCADA 系统得基本功能包括功能性、安全性、维护性和实用性。（1）功能性SCADA 系统的功能性可简单定义：在一定运行时间下，一套 SCA

12、DA系统所有功能实现的百分度：功能性(%)=硬件、软件、通信的实现情况/系统所有设计功能的总合。硬件的功能，主要根据所选控制器、执行单元、仪器仪表和通信设备性能而定。在行业的硬件设备的选型几乎是系统配套，而主流的 SCADA 系统集成商对硬件的选型更是各不相同，最终用户对硬件选型上基本上被系统集成商所左右，用户缺乏自主性。在具体功能性的实现上，配套的系统优点在于系统构建周期短，硬件设备间配合性更好。缺点是性价比不高，维修零配件必须指定专用设备，维护性差，甚至整体更换。软件功能的功能与配套的硬件设备密切相关，分开说硬件和软件哪个功能更好是不科学的。SCADA系统的软件功能的核心在于集成技术人员对

13、应用现场、基本功能的调查度及对相关接口的实现方法。针对具体的 SCADA 系统，设计人员、工程技术人员和现场用户需要不断地进行交流和讨论，只有将系统的目的完全了解、熟悉、掌握之后，才能将功能做得更加完善。通信功能主要突出安全可靠的特点。在不同工作层面的网络通信，与硬件设备、管理要求、现场特点等密切相关。采用不同的通信方式、加密认证技术，是系统通信功能实现的重点内容，如作为监视层的人机界面，现场数据的刷新率不可能低5 秒；作为控制层的操作响应不能大于系统设计的最长时间10等。（2）安全性SCADA 系统的安全性是功能实现的保证，安全性和可靠性并没有严格的区分。安全性更注重数据的秘密性、完整性和不

14、易受外部攻击，可靠性更侧重于系统的连续工作时间和对于突发事件的处理。由于现场大部分过程控制器都具有网络通讯能力，这就使得网络接口的安全显得格外重要。现代 SCADA 系统中，为保证系统的连续长期稳定工作，冗余是必不可少的。在冗余的本地局域网中，如果其中一个操作站通信发生故障，网络上其它的操作站可进行无缝连接。在工业生产现场，核心工作站通常都设计成两套，在某一个操作站的硬件或应用程序出问题时，另一台计算机可立即接管正在处理的运行过程，提高系统的安全性。热冗余中，在并行处理的方式下的两套服务器，每台设备接收和处理相同的信息。当处于热冗余的服务器检测到正在运行设备的发生故障后，立即接管控制权力并将冗

15、余状态变为运行状态。故障监测和切换过程的时间通常在微秒级，过程处理和数据采集与在同一台设备的运行性能几乎没有差别。（3）维护性可维护性是 SCADA 系统性能设计中又一重要因素。如果一个 SCADA 系统具有良好而实用的诊断工具，在硬件或软件的故障检测中，维护和维修时间都可降到最低。根据不同行业（如供水系统）SCADA 系统的应用重点，制定科学的、切合实际的诊断方法来保证系统可维护性是十分必要的。可维护性也包括了系统的扩展性。系统的扩展性指的是增加新点、功能或设备等，同时满足现场生产要求的停工时间。特定系统的扩展性主要由现场应用情况来决定。一般来说主要包括以下方面： 可用物理空间的扩展 各种类

16、型内存容量的扩展 处理容量和处理数据的扩展 硬件点数、软件及协议的可扩展性 总线长度、连接点和数据量的扩展 例行程序、地址、标志及缓冲容量的扩展 由于数据量增加而造成扫描周期延长的延展性（4）实用性SCADA 系统的实用性，定义为在功能性、安全性和维护性满足现场应用的情况下。系统的整体性价比，也是系统的综合性指标的重要内容。可根据应用场合、地理范围、生产流程要求、系统硬件/ 软件、通信网络、现场安全性要求、维护周期要求等方面综合考虑。从应用范围来说，有专业 SCADA 系统、专业应用。在常规性建设中，实用性表现较为明显。如在水处理系统中，系统应用可根据地理环境、采集和控制点的数量、控制器的运行

17、要求等，需进行全面考察和探究。在系统选型上，更注意功能的实现，采用什么样的应用软件能全面实现工业现场的所有功能。不同的 SCADA 系统应用重点是有差异的。系统信息完整、效率较高、及时掌握运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为管网调度不可缺少的工具。四个基本功能之间的关系如图1.2 所示图1.2功能性是系统现场应用的基础，是系统建设的根本目的，它需要其它特性的强有力支持及系统人员的不断完善健全。安全性是实现系统功能的保障和生命力所在。 维护性是系统的长期、连续运行的源泉。 实用性是一套 SCADA 系统基础效益和建设基石。 成熟的 SCADA 系统在技术和管理上不断

18、完善，不断发展。本课题要将 SCADA 应用在自来水的管网的管理上，对水资源的配给做出优化调度，并且对管网的突发意外事件做出决策。本课题研究的背景、内容及意义1 选题背景随着现代科学技术的进步，在世界范围内，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了飞速的发展。在我国经济建设迅速发展的今天，电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势。面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：对城市自来水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平。利用计算机及信息技术，对城市自来水行业进行企业现代

19、化改造，是保证 企业实现信息化，并与国际接轨的重要举措。自来水实时数据采集与监控（SCADA）系统，城市供配水管网地理信息系统（GIS）为背景进行开发，其主要任务有：对现行的城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析；地理信息系统（GIS）为工具，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该供配水管网系统数学模型，进行系统仿真与优化设计；建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规；通过 SCADA 系统，采集实时数据、实时状态，对水资源的配给做出优化调度。国外如美国、日本等经济发达国家从八十年代就开始采用计算机技术对水厂进行控制，随着计算机技术的进一步完善，它的自动控制和

20、管理达到了较高水平。 我国各地的自来水厂的设备大多比较陈旧，自动化程度较低，对供水管网采用人工巡检的方式。由于有的水厂、检测点、小井地处偏远且相距较远，职工的劳动强度很大。在管理上不能及时处理出现的情况，不能及时对爆管、泄露等问题及时做出反应，容易造成供水不足及冒漾，造成服务质量下降和水资源的浪费。2选题意义人们的生活离不开自来水，而供水管网承担着将自来水从水厂输送到千家万户的重任，把供水管网称作城市的生命线一点也不为过。目前，城市内所有供水管网都已连成蜘蛛状的环状管网，遍布在城区各个角落，环环相通的供水管网，不仅均衡了地区服务压力，而且使市区的所有水厂缩小了供水半径 有效的实施对置互补供水。

21、面对着如此庞大而复杂的供水管网，自来水集团始终在围绕节字做文章，在管网的管理、养护、维修、监控、及优化调度方面采取了一系列行之有效的措施，不断提高供水管网运行的安全保障度。进一步探索管网的分区域管理模式、加强对管网区域漏失控制的研究，实现对城市供水管网科学化、规范化的动态管理，努力降低管网漏损率。所谓区域，对于现行的整个城市水源的调度管理，每个水厂、一次水井就是一个区域；对于全国的水资源管理，每个城市就是一个独立的区域。自来水实时数据采集与监控系统目标是对城市的管网的监控、用水量的预测、数据的采集及对水源做出优化调度。而本课题的意义是对全国的水资源优化配给、调度提供实践经验，为建设资源节约型、

22、环境友好型社会做出应有贡献。2 选题内容本课题的主要内容：1）通过对相关质料的阅读，了解自来水实时数据采集与监控系统（SCADA）的基本结构组成以及工作原理。2）SCADA系统方案的设计与比较。3）自来水实时数据采集系统软件、硬件的设计4）系统的部分调试。二 自来水SCADA系统总体设计（一）自来水SCADA系统结构分析及监控站点组成1自来水SCADA系统结构分析（1）总体结构城市自来水SCADA系统可划分为5个组成部分：水司控制中心、水厂分控中心、管网测压站、管网加压站和水源井监控站。 一个自来水公司下属可能有多个水厂，一个自来水厂又有多个工艺过程，同时又负责多个管网测压站、管网加压站和水源

23、井监控站的管理。如果将系统的所有信息都直接传送到水司控制中心，由水司完成整个系统的控制是不合理的。因此就需要建立多个水厂分控中心，在水厂内建立多个监控分站和自来水取水、供水监控站点，以实现信息的逐级传输和系统的分级控制。 图2.1 自来水SCADA系统结构框图水厂分控中心对水厂的生产及各站点进行实时监控，它是系统的信息采集和控制中心。水厂分控中心采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总或打印等处理。通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备的运行。水厂分控中心还需将汇总数据传送到水司控制中心，以实现整个系统的调度和管理。在水厂内部根据生产管理的要求、生产工艺流

24、程的复杂程度、信息量的大小和控制设备的多少来划分水厂监控分站，如：取水泵房分站、反应沉淀池分站、滤站、送水泵房分站或水厂配电室分站等。每一个监控分站采集现场数据信息并上传至水厂分控中心，同时接受水厂分控中心发出的控制命令，控制现场的各种工业设备。除此之外，每一个监控分站都具有独立的操作系统，它们即可由水厂分控中心控制，也可独立工作脱离系统运行。系统的取水和供水管网监控站点也是如此。由于系统可实现信息的逐级传输和系统的逐级控制，各个站点又具有独立的工作能力，因此系统的灵活性和可靠性将大大提高。同时这种方式也适合于自来水行业现行的管理模式。（2）通信方式SCADA系统一般采用无线传输方式来完成整个

25、系统的数据采集和传输，使用的设备为无线电台。无线传输一般采用主从应答方式，即主站利用无线网络下达命令，从站接收到命令后，执行相应操作，产生回应。回应可以为数据，也可以为系统信息。如前所述，城市自来水公司生产过程自动化监控系统（SCADA）包括：水司控制中心、多个水厂分控中心、多个水厂监控分站、多个水源井监控站、多个管网加压站和多个管网测压站。除一个水厂内各监控分站较为集中外，其它监控站点均散布在城市的各个区域。因此通讯系统应考虑城市地形、地貌的影响。正是由于自来水SCADA系统既有集中，又有分散的特点，在实际应用中亦采用划分区域、有线无线结合的通信策略。具体做法是：以一个水厂为一个通信区域，水

26、厂分控中心为通信控制中心；水厂内部各监控站点与水厂分控中心采用有线通信方式（RS485），也可以采用无线通讯方式（电台）；水厂管辖下的取水、供水管网监控站点与水厂分控中心采用无线通信方式（电台）；水厂分控中心与水司控制中心之间采用联网通信方式（微波、光缆、卫星、无线电、租用电话线等）。 图2.2 SCADA系统通信方式（3）基本组成单元RTU（远程测控终端）是SCADA系统的基本组成单元，采集、控制和通信是他所具有的基本功能。对于具有分布式、集散型、网络化特点的企业，其SAS/SCADA系统的建立，离不开承上启下的RTU产品。随着应用领域的不同，RTU也有不同形式的构成与特点。 以城市自来水公

27、司为例，城市供水综合自动化系统中的SCADA系统，必须具备并且非常重要的一个功能就是：实时、准确地监测遍布于全市的自来水管网的压力变化情况，另外还可能监测流量、余氯和浊度三个数据信息。应用于管网测压的RTU产品就是为此目的而设计的。由于管网测压工艺简单、无须控制、散布广泛，因此就要求此类RTU产品具有结构简单、性能可靠、价格便宜等特点。水厂生产工艺较为复杂，采集控制点较多，因此也需要有功能较为强大RTU产品来支持。一般来说，此类RTU产品应具有多种类型的信号输入，具有强大的软件支持，具有梯形图、C语言等编程能力，可支持PID等多种控制算法，可实现有线或无线通信方式。在很多场合还需要它具有监视和

28、操作功能。只有这样，才能够满足不同水厂、不同工艺、不同用户的要求。下面将以SuperERTU为例说明城市供水SCADA系统中监控站点的组成。2 监控站点组成（1）水厂监控分站水厂监控分站有：单RTU（SRC）、多RTU（SRRC）、多RTU级连（SRTRC）等多种组成形式。它们各有优缺点，需根据实际情况和用户要求选择。单RTU方式（SRC）此种组成方式是：信号（Signal）RTU分控中心（Center）的结构形式。即监控分站的所有采集及控制信号全部连接到一个RTU上，再通过RS485线将采集数据传送到水厂分控中心。监控分站的全部采集控制工作由一个RTU来完成。其结构图见图2.3。优点：使用的

29、RTU少。缺点：RTU结构庞大，需要有大量的输入输出接口，需要完成大量的采集控制功能；采集控制过于集中，可靠较性差；需要使用大量的信号电缆，施工较为困难。此方式适用于规模较小，采集控制现场距离观测室较近，不需要现场监视的监控分站。 图2.3 水厂监控分站 SRC结构图多RTU方式（SRRC）此种组成方式是：信号（Signal）多个RTU分控中心（Center）的结构形式。即对监控分站的采集控制信号加以分类，并分别连接到不同的RTU上，再通过RS485线将采集数据传送到水厂分控中心。监控分站的采集控制工作由多个RTU来完成。其结构图见图2.4。优点：每个RTU的规模较小；采集控制功能分散到不同的

30、RTU上，可靠性高。缺点：使用的RTU较多；需要使用大量的信号电缆，施工较为困难。此方式适用于易划分功能，规模较小，采集控制现场距离观测室较近，不需要现场监视的监控分站。图2.4 水厂监控分站SRRC结构图当水厂监控分站与水厂分控中心之间采用无线方式通信时，可选择监控区域内某一RTU作为数据与电台连接，由它提供数据通信通道。 在以上各种结构中，观测室可以是无人职守的。（2）供水管网压力监控站分站结构较为简单，主要以管线压力检测为主。检测RTU可留有备分检测接口，用于流量、余氯和浊度三个信息的采集。站点结构图见图2.5图2.5供水管网压力监测分站结构图 （3）供水管网中途加压监控分站供水管网中途

31、加压监控分站结构与水厂送水泵房监控分站结构类似。 (4) 水源井监控分站水源井监控分站包括采集和控制两部分内容。RTU通过变送器采集信号，通过启动箱控制潜水泵的启停，通过三通阀控制水流流向。（二）自来水SCADA系统的技术基础SCADA系统是建立在3C+S(Communication Control Sensor)基础上。SCADA吸引应用的不断发展和普及，得益于其基础技术3C+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SCADA系统的应用水平的提高与发展。1计算机技术近年来，计算机技术快速发展，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Windows软件平台以及网络

32、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SCADA系统创造了有利条件。在SCADA系统中，计算机主要做Master或调度中心。近年来国内外许多厂家都推出了机遇Windows的forSCADA的组态软件。如WondWare的InTouch，西门子公司的WinCC,澳大利亚的CiTech，MEIG D Interlution 公司的FIX等。这些软件平台上可以完成给水调度相关的数据采集，提供了于多种PLC或其他智能设备通讯的驱动程序，动态数据交换DDE等功能，以便实现数据处

33、理，数据显示和数据记录等工作，具有良好的图形化人机调度，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SCADA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的条件。2通讯(Communication)技术通讯技术与设备的选择是构建SCADA系统最丰富多彩的部分，SCADA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SCADA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SCADA系统联入Internet，不但可以享受公共网络的廉价服务，而且可以将控制与

34、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RS232C、RS480、RS422等，而通用串行总线USB(Universal Serial Bus)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

35、。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200MHz的通讯。当前正在发展的双向无线寻呼为构成供水SCADA系统中的监测点、井群等通讯将会有十分重要的作用，是一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情况下采用。3控制(Control)技术控制设备为SCADA系统的下位机，主要指远方终端RTU和现场测控智能装置，也可以是专用的RTU、智能仪表和智能控制器以及PLC系统等统称下位控制单元。控制设备是城市

36、供水管网调度执行系统的重要组成部分，并对SCADA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(IPC)、远方终端(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、单片机、智能设备等多种类型。IPC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SCADA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USB)的发展，IPC的应用可能会不断增加。PLC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

37、、计数等，多数产品还适用于复杂计算和闭环调节控制。PLC -般用于构建供水SCADA的调度执行系统，特别是泵站的控制。RTU是介于IPC与PCL之间的产品，它既有IPC强大的数据处理能力，又具备PLC方便可靠的现场设备接口，特别是远程通讯能力比较强。RTU适于在供水SCADA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SCADA系统下位机已成为主流。单片机有许多系列，品种丰富，但在使用前都必须经过二次，丌发，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SCADA系统中的数据采集或设备控制任务。近年来的现

38、场总线技术(FCS)的发展又为单片机的应用带来了良好的前景，如美国ECHELON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(Sensor)技术在供水SCADA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)，来完成SCADA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

39、。最新的智能传感器大都具有某种现场总线功能，可以与SCADA的上位计算机或下位控制单元通讯，构成SCADA系统的一个重要组成部分。在城市供水SCADA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、功率因素以及接近丌关、限位开关、水位开关、继电器、变频调速器等。传感器在SCADA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SCADA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SCADA系统长期、稳定、可靠的工作

40、起着至关重要的作用。（三）城市自来水SCADA系统的建立1城市自来水SCADA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SCADA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SCADA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：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城市自来水SCAD

41、A系统的结构设计一个城市的供水SCADA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SCADA系统由中心控制室、远程终端RTU(remove terminal unit)(包括水厂、泵站、管网监测、自动阀门等)、系统通讯网络和企业内部网组成，其结构示意图如图2.6所示。（1）中心控制室调度中心主控台是系统的控制中心，用无线通信的方式司各终端组成一对多点的星型网络，两台互为热备份工业计算机机完成数据通信，通过集线器完成与服务器的数据传输。监视器可通过图形用户界面GUI(Graphical User Interface)访问SCADA数据库中的所有的数

42、据，并通过报表方式最示测控信息，使用历史数据和趋势数据。利用大屏幕投影仪，应用高清晰度的图形实时显示与监视。所有的报警事件均能通过网络打印机在线自动打印，并附有时间标签、报警原因以及受影响区域的用户清单。调度中心的主要任务是：实时显示、查询各泵站的状态信息和管网状态信息（包括压力、流量、水质等）；对远程控制终端（RTU）进行遥控操作，包括控制水泵的开启、变频调速工频的改变、自动阀门的开启度、水质控制设备等；日常事务处理。 图2.6城市自来水SCADA系统结构示意图（2）远程终端（RTU）设备远程终端（RTU）设备主要包括两部分内容：一是远程数据采集设备，主要有压力监测设备、水质监测设备、流量监

43、测设备和其它设备状态传感器；一是远程控制设备，主要有变频器、自动阀门、自动切换开关、水质控制设备以及制水控制设备等。（3）系统通讯网络系统通讯主要是指RTU(数据采集和控制)与中心控制室之间的通讯。目前SCADA系统的通讯方式主要有两种：有线和无线。有线网络传送抗干扰性强、可靠性高，稳定性好，但成本高、维护困难以及灵活性差。无线通讯网络灵活又经济，随着智能设备的开发和利用，无线通讯传输方式将成为最主要和最有效的数据传输控制方式。（4）企业内部网在企业内部建立个局域网，使中心控制室和各工作站相联，为供水调度、数据查询、在线监控、处理日常事务等服务。根据需要，从逻辑结构上网络可分为：供水监控与调度

44、系统；办公自动化系统（企业管理信息系统MIS）；地理信息系统(GIS)；业务经营管理系统等几大部分。企业内部局域网向上可以与Internet相联接，以实现资源共享。3网络设计（1）概述网络是城市供水SCADA系统重要组成部分之一，也是关键的部分，网络设计合理与否，直接影响到系统的可靠性与稳定性。网络平台可采用客户机服务器模式(Client/Server)，同传统的文件服务器和主机终端模式相比，整个系统中服务器和客户机的工作负荷分配合理，大大减少网络通信量同时从网络与数据库系统的发展趋势看，客户机服务器体系结构的先进性与成熟性是比较理想的选择。网络以SWITCH为核心，拓朴结构为星型，并留有In

45、ternet接口。网络系统以服务器和交换机为核心构成网络信息中心，主干网带宽为IOOM或更高，子网带宽为10M或更高。各子系统可分别通过集线器(HUB)以100M或者更高的带宽上联至网络交换机。（2）软件平台服务器软件平台1）网络操作系统选用微软公司的Windows 2000 Server，它集Windows与其作系统（如UNIX，VMS）的技术为一体，是客户机/服务器结构的高性能、可靠且开放的操作系统。 2）选用MS SQL Server7.0作为数据库服务器，用于为网络前端的各种应用提供包括数据存储、查询和操作在内的各种事务处理服务3）邮件服务器选用MS Exchange Server 6

46、.0工作站软件平台 1）客户机操作系统选择Windows 98/me/2000 Professional/xp中文版。 2）各工作站安装Office 2000或更高版本的中文软件，进行文字输入、编辑、制表等办公自动化工作。 3）客户机安装MS Exchange Client软件和OUTLOOK 2000，浏览器选用Internet Explorer 5.0或更高版本。（3）硬件平台 网络服务器 服务器是网络的核心，所有工作站都共享其上的数据。它的性能好坏直接关系到整个网络的使用效果，因此选用一台高性能的专用服务器，其具体型号要根据网络系统中连接的工作站点个数来确定。推荐选用HP服务器、IBM服

47、务器、联想服务器。同型服务器共二台，一台作为主域控制器，另一台作为备份域控制器。 网络管理工作站选用性能较高的商用机。 CIS工作站选用性能较高的商用机，用于图形数据的录入与编辑。 工作站也采用性能较高的商用机，如联想、IBM等。 网络交换机，要求有12个以上lO/l OOM以太网端口，一个扩展端口 一个互连端口。 网络集线器，可选用D-Link集线器。 网卡可选用D-Link的10M网卡。 备份光盘刻录机用于系统备份。 每台服务器配备1000VA的UPS -台，每台工作站分别配备500VA的LipS一台。（4）网络安全设计 (1)容错设计 Vrfiridows 2000 Server以域管理

48、作为网络的管理核心，因此，为了保证网络的安全性，在主域控制器(PDC)之外，设一个备份域控制器(BDC)，保证网络正常登录和管理。(2)备份设计任何措施的容错技术都不是万能的，为防止网络系统瘫痪，进行数据各份，定时将服务器内数据用光盘进行备份。(3)网络防病毒设计为了保证网络不受侵犯，确保数据安全，采取如下措施：服务器安装LAN服务器防病毒软件：工作站安装LAN用户端防病毒软件。(4)对用户访问服务器权限限制整个网络系统管理模式采用小组集中管理，系统管理员拥有最高权限，用户按工作性质分成若干小组，并授予各自负责范围内的系统管理权限：系统管理员对网络安全进行以下几个方面的控制：入网安全性：控制哪

49、些用户可以登录到服务器并获取网络资源。控制用户登录时间和指定工作站：权限安全性：各用户及工作组被授予一定权限，可以访问哪些目录和文件：属性安全性：决定一文件或目录是否可以查看、共享、修改和删除；服务器安全性：控制对服务器控制台许可操作的限制。 4数据采集、控制和调度系统的设计（1）调度系统的软件平台早期调度系统主站软件多数在DOS环境下开发，目前主要以基于WINDOWS平台的调度软件。WINDOWS环境能够提供三种重要且最基本的服务。一是执行基本的输入输出功能，负责与键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘文件和串行通信设备打交道，其110函数远比DOS丰富。其次是内存管理，允许程序动态申请和释放内存

50、。第三是支持多任务，即允许两个或多个程序共享CPU、内存和I/O设备。因此WINDOWS平台具有不同于其它操作环境的特点，例如：支持多任务、应用程序间具有一致的用户界面、任务间可实现数据文件交换和文件共享，提供动态数据交换(DDE)、对象的连接和嵌入OLE( Object Linking and Embedding)三种基本的数据交换方法。就目前计算机软硬件技术和计算机网络技术的发展来看，64位基于图形抢先式多任务计算机操作系统的应用将成为主流。它具备联网功能，可配备各种性质的网络工作站，使计算机辅助调度和管理成为可能，为以PC机为基础的SCADA系统提供了广阔的发展前景。其中Microsof

51、t公司推出的Windows NT和Windows 2000应为首选软件运行平台。目前，国内应用最为普遍的三大计算机网络结构是Novell Net Ware、Windows NT和UNIX作为调度系统微机网络，建议采用Novell Net Ware或Windows NT，因在异构网络间可实现信息交换。在Windows NT和UNIX网上采用的是TCP/IP协议，而在Novell网上同时采用IPX/ SPX和TCP/IP协议。（2）远程终端(RTU)的建立1数据采集远程终端(RTU)实时地或周期性地从RTU中采集数据是SCADA系统的最基本功能。在城市供水调度系统中，数据采集几乎都采用问答(Pol

52、ling)运行方式。RTU有两种可选用的响应方式：第一种方式是发送所需点或点集的实际值或状态值。另一种方式是仅发送前一次查询请求以来状态发生过变化或数据值超过一预定定义的增量变化范围的点或点集。调度系统宣采用第二种方式，此方式的优点是减少了主站处理过程中的时间。通信线路的平均负荷也比第一种方式要小。数据采集功能具体要求应包括：能对被测目标进行连续的监测，RTU远程组态，校核因传送所引进的数据错误，能进行实时报警，提供自动补漏数据的措施，自动存储历史数据。(1)管网数据采集终端城市管网数据采集终端要求采集的数据准确、可靠。主要功能技术指标如下：可以15min为间隔定点记录数据，从00：00丌始至

53、23：45结束。内存容量应当可保留三天内数据，采用电池后备；RS232通信接口，通信速率1200 bps通信协议支持无线网：模拟量分辨率8位，一路差分两路单端输入，带有雷击防护；平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)10000 h。对于加压站、井群应用现场，须有管网终端扩展参数输入和遥控输出功能。(2)水厂数据采集终端水厂终端监测的对象是物理原始数据，变化比较缓慢，但数据量比较庞大，且分布广泛。有两种应用方案：一种是采用集中式结构，另一种是集散式结构。集中式结构终端主要功能技术指标是：a以30 min为问隔定点记录数据，从oo：00开始至23：30结束。

54、内存容量应当可保留三天内数据，采用电池后备：bRS232通信接口通信速率1200 bps，通信协议支持无线网；c模拟量分辨率8位，输入通道16路差分(32路单端)输入，带光电隔离、雷击防护：d脉冲量输入通道16路输入，带有光电隔离、雷击防护；e开关量输入通道16路输入，带有光电隔离、雷击防护；f开关量输出通道4路，带有光电隔离、雷击防护：gMTBFlOOOOh。集散式结构终端主要功能技术指标如下：a全图形化WINDOWS人机界面，带有实时多任务内核；b具有数据定义、数据显示、背景图形、数据处理、报表、通信方式、用户授权等各个功能的组态：系统运行参数可以动态交换；c以30min为间隔定点记录数据

55、，从00：00开始至23：30结束。可保留一年内数据；d。RS232通信接口，通信速率1200bps通信协议支持CAN或LON等现场总线协议标准，带光电隔离、雷击防护：支持NOVELL、NT网络。2控制远程终端(RTU)控制远程终端(RTU)是指操作远距离设备运行的执行设备。这个过程包括：被控设备的选择以及执行操作指令。正确的选择和操作是供水系统的优化调度和供水安全的关键。因此需采用选择一确认选择一操作前校核的操作步骤。控制远程终端(RTU)主要包括：自动阀门、水质控制设备、水泵站（一泵站、二泵站及加压泵站）等。(1)泵站计算机远程监控系统设计由于城市用水量是随时间变化的，为了保证城市供水安全

56、可靠，对整个城市供水系统进行优化调度，同时达到节能和降低管网漏损的目的，实现满足城市供水的要求，使供水量和供水压力始终随用水量的变化而变化，即实现分时段恒压供水。拟在各水厂泵站采用PLC控制的变频调速供水系统。PLC控制的变频调速供水系统原理根据所需要的系统功能控制逻辑，主要考虑如何实现水泵恒压自动供水，使流量得以平滑调节和如何实现循环检测功能。采用“平移调节”的方法，即当某台水泵的供水量不满足用水量时用变频器调整其转速，直至满足用水量；当仍不满足用水量时PLC将该泵切换至工频运行，然后变频器启动其它水泵，调整供水量到满足用水量，依次类推，实现“分段调整，平移调节”，从而实现零至全流量的平滑调

57、节，而且可利用变频器实现电机的软启动，节省能源，提高系统的运行稳定。PLC泵站RTU终端结构泵站RTU采用可编程控制器PLC，由其构成的泵站RTU控制系统如图2.7所示。每座泵站RTU控制每台水泵及其相应的电动阀门和变频器，遥测各运行参数，遥信泵和电动阀门的开停信号和状态信号等。泵站有就地（手动）自动远方控制功能，控制泵的开停、水泵的组合、变频器频率、阀门的开启和关闭，并与无线接口进行通讯、解释执行调度中心发来的指令图2.7 PCL程序流程图(2)系统控制过程 泵站RTU自控子程序当系统开始工作时，水压传感器把实测水压值变成控制标准电流（4mA-20mA）输入模拟块，经A/D模数转换后，进入P

58、LC与设定压力值比较，对比较得出的电压差进行PID (Programmable Logic Device)（比例、积分、微分）运算，并以结果控制变频器的输H频率，以调整变频泵机的转速，使一泵或多泵变频运行，确保不同流量变化下，水厂出口压力保持恒定。当流量继续增加，变频器输出频率继续增大，输出频率增至工频50Hz时，延时确认，PLC发出指令，该泵由变频运行转为工频运行，同时另一泵接八变频器启动运行，由此类推。如果用水量下降，水压则升高，通过自动调节变频器输出频率减少，水压即可回落。当变频器输出频率减少到启动频率量时，PLC发出指令，切断运行泵，由此类推。水泵启停顺序为：同型水泵，先开先停；不同型

59、水泵，流量增加先开小泵，后开大泵，流量减少，先停小泵，后停大泵，这样有助于延长水泵寿命。PJD控制系统由压力传感器测定的管网检测值与设定的目标值比较得出的电压差以此来控制变频器的输出频率调整水泵的转速。由于多台水泵的自动循环切换，在水泵启动、停止过程中，必然造成管网压力波动，不仅延长了建立新的稳态的时间，也易引起供水压力的振荡，降低供水系统的稳定性，采用PID运算控制，缩短了系统响应时间，提高稳压精度。PID控制系统方框图如2.8所示。单泵开、停自动控制调度中心向泵站RTU发出开泵命令后，泵站RTU对开泵条件进行一一检测，如水泵是否处于停泵状态，且停泵时间)6min，清水池水位是否处于预警水位

60、心以上，管路上阀门是否具备开泵条件等，当检查满足启泵条件后，执行开泵命令；反之亦然图2.8 PID控制系统方框图泵站RTU主程序流程 泵站RTU的主程序流程如图2.9所示。 泵站内各水泵均编组运行，可以选定其中一台水泵进行变频调速运行，另外一台水泵留作备用泵，按一定的时间自动启动备用泵。PLC根据出口压力与设定压力的差值，控制泵的编组运行及调速水泵的转速。当一台水泵发生故障时，办能将备用水泵自动投入运行，把故障水泵退出检修。 (3)泵站RTU可编程控制器应用软件 泵站RTU可编程序控制器应用软件集数据采集、遥信、遥控、自控于一体，其具体功能如下： 泵站运行参数的采集（包括模拟量、开关量和累计量