基于SCADA的智能化水厂自动供水系统研究设计

南　楠

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000）



基于SCADA的智能化水厂自动供水系统研究设计

南楠

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000）

摘要：针对日益落后的供水设施与人们对供水可靠性需求不断增加的矛盾，提出一种基于SCADA原理建立的水厂自动供水系统。该系统解决了传统供水方式中效率低下、可靠性差、自动化程度低等缺点，实现高效、可靠、易维护的恒压供水系统。

关键词：SCADA；实时监测；代理技术；自动供水系统

供水系统的建设与运行是基础生活的重要组成部分，与国家经济的发展和人民的生活密切相关。建立有保障的供水系统是人民正常生活的必需条件，同时也是改善环境、完善城市功能的重要指标。传统的供水系统往往存在以下问题，比如监测点的选择很多情况下是根据以往经验选定，缺少理论依据，有些数据采集后不是无用就是不准确，无法对供水系统提供支持；现有多数SCADA系统是由不同厂商生产，接口、协议没有统一规范，后期更新、扩展难于实现；组态软件编写程序单一，侧重实时监控功能，数据采集分析处理能力较弱。针对上述问题，本文研究设计一智能化SCADA系统来提高水厂的控制管理能力。

1　SCADA系统概述

SCADA系统是对现场数据完成自动采集和处理的系统，在人为不能到达或无法操作情况下起决策作用，通常以计算机技术为基础，集传感技术、通信技术和自动化控制为一体。SCADA系统一般由硬件和软件结合工作，完成对现场设备参数的监控和检测，实现数据采集、数据分析、调节参数和实时异常警报等功能。在企业的运行中使用越来越多，在电力、燃气、石油、制造业等领域已广泛使用，具有准确性高、节省人力资源、实时响应等优点［1］。

发展至今，SCADA系统经历了四个时代，第一代是专用计算机和操作系统时代，庞大且不具有通用性；第二代是具有通用操作系统，但不具有开放性，系统难以维护；第三代是以分布式和关系型数据库为基础的SCADA系统，发展最为迅速，应用最为广泛的一代；第四代随着各种先进技术和各种平台的诞生，融合了计算机、移动通信、神经网络等技术，使其与其它系统融合度提高，适应企业更深层需求［2］。

2　水厂供水系统控制需求

水厂供水系统的自动化实现可以提高管理水平，实现更可靠的供水机制。同时对各种参数的实时监测使生产过程简单化、透明化，出现问题可及时采取措施应对。

本文以某一水厂为例，该水厂共有三个分厂（一、二、三水厂），日供水能力12.5万吨，拥有加压泵站四座，供水面覆盖全市范围。供水流程一般是由水源地取水，到厂后经过沉淀、消毒、过滤等工艺流程送入城市管网中，供给居民和企业使用，供水系统由水源地、水厂、加压泵站、供水管网、高位调节水池构成。水源分为地下水和水库水两种，并在中途设有加压站和多个测压点。取水供水总流程如图1所示：

图1　取水供水总流程图

水厂建立自动供水系统的主要目的是促进水厂的技术进步，提高管理水平，实现供水控制系统、企业管理系统一体化，在保证水压、水质、水量的前提下，将单位耗水量降至最低。SCADA系统可以通过计算机控制整个生产过程与自动化调度，对现场设备运行数据远程遥控实时采集、参数及时调整同时对突发情况发出报警信号［3］。该水厂分厂间距离远，供水分散，检测站点多，根据其供水流程图显示结构，以及自来水公司主要完成的工作内容，建立的水厂SCADA系统应具有以下功能［4］：数据实时监控与采集、数据控制运算、数据分析与消息提交、报表自动生成与打印、历史数据与实时数据存储、人机交互界面、组态与安全管理。

3　SCADA系统设计

自来水公司SCADA系统主要完成的功能是实时监控检测水流情况，完成供水过程水流数据采集分析，并将结果反馈给供水调度中心为决策提供支持。从图1供水取水总流程可以看出，系统应包括一、二、三分厂及加压泵站和总供水管网几部分。系统设计是以计算机为基础，结合通信设备和可编程控制器来实现完成。记录供水过程中各个参数的即时信息，保存处理，并可实现打印输出功能。借助该供水系统可远程监测生产数据和设备运行参数，查看生产现场情况，远程操控水泵、阀门等设备工作。总调度中心设在自来水公司，根据系统显示运行情况，对各个分厂、水源井、加压泵站和供水管网进行统一调度，形成二级调度模式如图2所示。

图2　系统二级调度模式

图2的二级调度模式中在三个分厂和总调度中心之间设置了两个OPC代理，提高系统的灵活性与后期的可扩展性。采用OPC代理服务器可有效隔离内外网数据交换，提高系统可靠性，减轻网络负荷；同时在系统遭到破坏时，代理间的同步性仍可保证供水系统正常工作。

1）系统硬件架构。

系统的硬件设备主要实现输水系统、净水系统、取水系统数据的实时采集。主要的硬件设备包括［5］：可编程控制器PLC，主要控制供水系统的生产过程，该自来水公司供水系统属于中小型系统，每个工作站配备自己独立的控制器，在此选择西门子PLC S7-300控制器，体积小、性价比高、适应性强；工控机IPC，系统要求一年365天机器都要正常运转，一旦出现问题将严重影响居民正常生活，采用的计算机要可连续作业，具有较高的防尘、防冲击、抗干扰能力，本系统设计选用研华IPC-610工控机；远程测控终端RTU，是SCADA系统最基本组成部分，测压、流量监控、水浊度数据的反馈都是由RTU完成，适用于恶劣温度和潮湿环境，且具有良好的通信能力，本系统选择JY-RTU4100-L作为对分厂、管网、加压泵站远程测控器；超声波流量计，测每口水源井的流量流速，与参考值进行对比，一旦发生异常及时报警，系统选用唐山海峰TDS-100系列。

2）系统软件架构。

SCADA软件系统设计采用B/S结构，系统软件在中控调度室服务器上运行，操作人员通过公司局域网浏览器端进行相应操作，主要实现如下功能：

①系统管理：不同管理人员的权限分配、测控点管理、当地地图和供水管网图展示。

②生产调度管理：生产数据检测、视频监控、远程告警、自动控制。

③供水调度管理：管网数据检测、数据采集分析、决策发布。

软件系统具体实现包括三部分：最底层为监控软件和数据库，实时监控生产现场和提取数据保存，数据库分为实时数据库和历史数据库两部分，一旦数据遭到破坏只有一定阶段的数据丢失，可立即启动历史数据库；中间层为数据分析和管理平台，通过对提交数据分析计算后，对生产管理、绩效、调度、质量、指标等多方面发布结果；最上层为用户图形界面，管理人员可以通过浏览器端直观的了解各个监测参数的变化，接收报警信息，打印生成的分析图表、趋势图、生产报告等［6］。SCADA系统总体软件结构如图3所示：

图3　SCADA系统软件结构图

3）系统通信方式。

通信技术的快速发展使通信方式也越来越多，一般分为无线和有线两类。无线通信方式主要有数字电台、GSM电话网、GPRS和卫星通信等方式；有线通信方式常见的有电缆、光缆、总线、公用电话网、波导等形式。

根据自来水公司现有状况和后期即将建立的第四分厂的扩展情况。本系统选择的通信媒介为GPRS无线通讯技术。虽然也有用GSM电话网、数传电台和光纤通信的，但站点建立后会不断进行改造升级，同时新厂的建立，周围环境的改变与各种无线电信号的干扰，使系统传输信息的稳定性遭受影响，GSM电话网和数传电台就不再是合适之选，光纤传输速度快但易损坏和造价太高。GPRS无线通讯技术是按照用户使用流量收费，具有实时数据传输、永远在线、高速传输、环境影响小等优点，非常适合在工业生产流程中使用。本系统选择的是唐山平升DATA86的GPRS DTU数据通讯模块，该产品支持GPRS和短消息双通道传输数据；支持与多中心进行数据通信；采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、PLC等；支持远程管理参数设置、程序升级。

4　结束语

本文针对传统SCADA系统存在的缺点，提出了一套集通信技术、代理技术和计算机技术相结合的新型SCADA水厂供水系统，提高了整个供水系统的自动化、智能化、准确化，确保采集数据及时性、可靠性，为水厂供水调度提供丰富的参考数据，保障供水系统的正常运行和日趋复杂的系统结构。

参考文献：

［1］戚明杰，赖华.城市智能化供水调度系统的研究与应用［J］.自动化仪表，2014（5）：34-37.

［2］严旺炳.基于SCADA系统的城市供水自动化研究［J］.通讯世界，2015（6）：206.

［3］崔嵩. OPC技术与分布式实时数据库在SCADA系统中的开发与应用［D］.济南：山东大学，2014.

［4］闫宇翔.面向山西大水网供水系统计算机监控系统开发研究［D］.太原：太原理工大学，2014.

［5］林龙德.SCADA系统在城市供水调度系统中的组成与应用［J］.中国高新技术企业，2010（10）：25-29.

［6］董兵，谭炳勋.变频变压供水系统设计与研究［J］.广东轻工职业技术学院学报，2011（9）：10-12.

［责任编辑：吴卓］

SCADA-based Research and Design of Automatic Water Supply System for Intelligent Water Plant

NAN Nan
（Sanmenxia Polytechnic，College of Information and Communications，Sanmenxia Henan 472000，China）

Abstract:An automatic water supply system for intelligent water plant is proposed based on SCADA，aiming to resolve the contradiction between the lagging water supply facilities and people's increasing demand for the reliability of water supply. This system has overcome the shortcomings of low efficiency，poor reliability，low automation of traditional water supply mode，and achieved a new constant pressure water supply system with high efficiency，sound reliability and easy maintenance.

Key words:SCADA；real-time monitoring；agent；automatic water system

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1672-6138（2016）02-0017-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.02.005

收稿日期：2016-03-17

作者简介：南楠（1981—），女，河南洛阳人，讲师，硕士，研究方向：计算机应用、自动化控制。