供水SCADA系統(tǒng)的研究與建立

　　摘要：本文介紹了天津港保稅區(qū)供水SCADA系統(tǒng)的建立過程，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通訊方式、監(jiān)控點(diǎn)位置和數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)水泵與閘閥的控制、供水管網(wǎng)中自控調(diào)節(jié)閥的控制及布置原則進(jìn)行了研究。
　　　　
　　天津港保稅區(qū)(以下簡(jiǎn)稱保稅區(qū))開發(fā)建設(shè)近10年來，隨著區(qū)內(nèi)外資企業(yè)的日益增多，現(xiàn)為1×104m3/d的供水量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求，它已成為保稅區(qū)發(fā)展的瓶頸。另外現(xiàn)有管網(wǎng)缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，使傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)調(diào)度缺乏科學(xué)依據(jù)。為此，保稅區(qū)政府決定在原有供水系統(tǒng)基礎(chǔ)上新辟自來水水源并增建1座3.5×104m3/d的加壓泵站及配套設(shè)施，同時(shí)建立、開發(fā)供水SCADA系統(tǒng)。
　　
　　1、供水系統(tǒng)規(guī)劃
　　
　　保稅區(qū)規(guī)劃的輸配水系統(tǒng)由四個(gè)水源供水，分別來自塘沽自來水四水廠、開發(fā)區(qū)水廠、港務(wù)局水廠以及區(qū)內(nèi)深井泵站。目前保稅區(qū)用水主要由塘沽自來水四水廠提供。加壓泵站建成后，開發(fā)區(qū)水廠將成為另一主要水源。區(qū)內(nèi)深井泵站作為備用水源。加壓泵站內(nèi)設(shè)有MD1000RTU現(xiàn)場(chǎng)控制站，可對(duì)水泵的流量、壓力、開停狀態(tài)、電機(jī)電流等泵站信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，考慮到保稅區(qū)是新開發(fā)的區(qū)域，面積小而易于布點(diǎn)監(jiān)控，故在管網(wǎng)關(guān)鍵點(diǎn)、zui不利點(diǎn)處設(shè)置測(cè)流點(diǎn)、壓力監(jiān)控點(diǎn)，由MD3311RTU采集其流量、壓力、余氯等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。另外在管網(wǎng)上還設(shè)置了自控調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥的開啟度使管網(wǎng)上的壓力分布均勻。
　　
　　2、SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　為實(shí)現(xiàn)“、、低耗、安全”的供水目標(biāo)并創(chuàng)造zui大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)建立開放性好、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)的供水監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。
　　
　　2.1設(shè)計(jì)原則
　　
　　①采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化的計(jì)算機(jī)硬件產(chǎn)品。
　　
　　②采用符合標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成熟可靠的軟件產(chǎn)品。軟件要具有良好的模塊化以及標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)接口，便于組成各種規(guī)模的系統(tǒng)及產(chǎn)品和技術(shù)的更新?lián)Q代。
　　
　　③采用智能化自控設(shè)備，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞的快速、準(zhǔn)確、有效、完整。
　　
　　2.2監(jiān)控點(diǎn)與自控閥布置
　　
　　要實(shí)現(xiàn)對(duì)保稅區(qū)給水管網(wǎng)的計(jì)算機(jī)模擬和優(yōu)化調(diào)度管理，必須了解給水管網(wǎng)的運(yùn)行工況，掌握管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)信息，為優(yōu)化調(diào)度模型提供必要的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。另外，通過觀察監(jiān)控點(diǎn)的異常變化，可推斷事故發(fā)生情況，從而了解非正常的壓力分布情況及由此造成的影響。為此在管網(wǎng)上設(shè)置了12個(gè)測(cè)壓點(diǎn)、10個(gè)測(cè)流點(diǎn)、12個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥。通過MD3311RTU采集的流量、壓力、自控調(diào)節(jié)閥開啟度等信息推求出其余狀態(tài)變量，進(jìn)而確定管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　
　　①管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)、測(cè)流點(diǎn)的選擇
　　
　　管網(wǎng)中的測(cè)壓點(diǎn)、測(cè)流點(diǎn)應(yīng)具有代表性。測(cè)壓點(diǎn)在管網(wǎng)末端布置得要多一些，而測(cè)流點(diǎn)則應(yīng)靠近管網(wǎng)前端，末端小管徑上的流量變化對(duì)管網(wǎng)影響不大，故DN200管線上只設(shè)壓力表，不設(shè)流量計(jì)。流量計(jì)選用超聲波流量計(jì)，分移動(dòng)和固定兩種安裝方式。固定式數(shù)量較少，用于環(huán)境條件好、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的管段，移動(dòng)式則便于按需要監(jiān)測(cè)管段流量掌握管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。
　　
　　②自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的布置
　　
　　由于各水源出站壓力一般在343～372.4kPa，管網(wǎng)末端壓力一般要求在274.4kPa左右，基本上可滿足用戶壓力要求，但在一些管網(wǎng)末端死角不易達(dá)到要求，如果增加出廠壓力，則電耗及管道漏水率增加，降低了供水系統(tǒng)的效率。為解決此問題，考慮在管網(wǎng)上設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)閥(以下簡(jiǎn)稱自控閥)，既可滿足用戶水壓要求，又可通過調(diào)節(jié)閥門的開啟度來調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，使整個(gè)管網(wǎng)壓力分布均衡。自控閥的位置不同會(huì)有不同的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，在考慮自控調(diào)節(jié)閥位置時(shí)，遵循了以下原則：
　　
　　a.對(duì)水量小、利用率低的港務(wù)局水廠及區(qū)內(nèi)深井泵站不設(shè)自控閥，而利用泵站內(nèi)的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。開發(fā)區(qū)水廠來水進(jìn)入新建加壓泵站，泵站內(nèi)有兩臺(tái)調(diào)速泵，不*造價(jià)高的自控閥，采用價(jià)格比較低的開/關(guān)閥同樣能起到調(diào)節(jié)作用。塘沽自來水四水廠來水通過兩條輸水管線直接進(jìn)入管網(wǎng)，在每條管線上設(shè)置DN300、DN400自控閥各一個(gè)。
　　
　　b.考慮到大管徑上閥門主要用于檢修，不經(jīng)常調(diào)度，而且管徑大、造價(jià)高，故不采用DN600自控閥。DN200管線基本在管網(wǎng)末端，流量較小，故DN200管線上的自控閥不做調(diào)節(jié)使用，而主要把閥布置在DN300、DN400的中等管徑上及多水源交匯處，讓自控閥真正發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。
　　
　　3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　整個(gè)系統(tǒng)由SCADA控制中心和MD1000RTU站控系統(tǒng)及MD3311RTU管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)等站點(diǎn)組成，并通過各自的通信裝置傳送數(shù)據(jù)或指令。系統(tǒng)對(duì)各測(cè)控對(duì)象的監(jiān)控由測(cè)控單元實(shí)現(xiàn)。　　　　
　　3.1硬件系統(tǒng)
　　
　　兩臺(tái)互為熱備份的SCADA監(jiān)控主機(jī)服務(wù)器存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可同時(shí)在線工作并均衡分擔(dān)系統(tǒng)計(jì)算的負(fù)荷，保證系統(tǒng)的高可靠性，這比傳統(tǒng)的主—從備份式結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)。兩臺(tái)終端服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通訊用機(jī)，通過集線器完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)視器可通過圖形用戶界面GUI訪問SCADA數(shù)據(jù)庫中所有的數(shù)據(jù)庫，并可通過報(bào)表方式顯示時(shí)間信息和報(bào)警信息，使用歷史數(shù)據(jù)庫來顯示歷史和趨勢(shì)數(shù)據(jù)。大屏幕投影儀用于系統(tǒng)應(yīng)用圖形的高清晰度實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)視。所有發(fā)生的報(bào)警事件均能通過A3網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)在線自動(dòng)打印，并帶有時(shí)間標(biāo)簽和報(bào)警原因。
　　
　　3.2軟件系統(tǒng)
　　
　　操作系統(tǒng)平臺(tái)：WindowsNT；
　　
　　數(shù)據(jù)庫平臺(tái)：MOSAICROBMS；
　　
　　應(yīng)用軟件：監(jiān)控軟件MOSAIC，它是高度模塊化、可組態(tài)的、分布式的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)的、面向?qū)ο蟮摹⒎植缄P(guān)系式型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，同時(shí)采用“容錯(cuò)”技術(shù)來保證系統(tǒng)高可靠性；
　　
　　數(shù)據(jù)庫：主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分構(gòu)成。SCADA包括所有組態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；Event包括報(bào)警和事件；Authority存放安全信息；History存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)作為備份；Dispatch用于數(shù)據(jù)分布，確保數(shù)據(jù)同步。
　　
　　3.3通訊系統(tǒng)
　　
　　目前SCADA系統(tǒng)的通訊方式主要有兩種：有線和無線。無線方式主要通過無線數(shù)傳電臺(tái)構(gòu)成通信網(wǎng)，但存在著電臺(tái)設(shè)備的更新和傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力等問題，其可靠性和有效性有待提高。而有線網(wǎng)通訊技術(shù)的研究目前有了突破性進(jìn)展，特別是INTERNET的發(fā)展使有線網(wǎng)的應(yīng)用走向更深層次，可利用率更高，發(fā)展前景較好，所以保稅區(qū)的供水SCADA系統(tǒng)采用有線方式進(jìn)行通訊。其中，SCADA控制中心與MD1000站控系統(tǒng)的通訊采用雙以太局域網(wǎng)，通過DNP3完成；而控制中心與MD3311RTU的通訊則利用Modem，通過RS232共享器完成，這樣的設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　4、系統(tǒng)功能
　　
　　4.1實(shí)時(shí)遙測(cè)、遙信
　　
　　SCADA系統(tǒng)能夠掃描RTU，對(duì)調(diào)度所需的多種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使調(diào)度人員能及時(shí)、準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)工況，為優(yōu)化調(diào)度軟件在“規(guī)則集”中作出選擇，提供數(shù)據(jù)依據(jù)。數(shù)據(jù)種類分為模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、開關(guān)量輸入(DI)、開關(guān)量輸出(DO)四種。MD1000RTU主要監(jiān)控泵站內(nèi)水泵、電機(jī)、閘閥等的工作狀態(tài)以及壓力、流量和余氯等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。MD3311RTU主要監(jiān)控管網(wǎng)上各監(jiān)控點(diǎn)壓力、流量及閥門的開啟度等，通過遙控管網(wǎng)上主要閥門的開啟度來優(yōu)化管網(wǎng)壓力和流量。
　　
　　4.2分析、管理實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)
　　
　　①SCADA系統(tǒng)可將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在歷史數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)還能監(jiān)視從RTU返回的信息，并更新鏈路狀態(tài)，使得操作員能夠監(jiān)視和識(shí)別通信故障，以便確定RTU的工作狀態(tài)。
　　
　　②對(duì)采集的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中有3種數(shù)據(jù)，分別是數(shù)字量、模擬量和控制量，通過MD1000RTU和MD3311RTU的現(xiàn)場(chǎng)接口卡模塊完成各類數(shù)據(jù)的輸入和輸出。對(duì)歷史數(shù)據(jù)不但記錄其數(shù)值，還記錄其狀態(tài)，表明該數(shù)據(jù)是否有效，根據(jù)其狀態(tài)來確定是否參加運(yùn)算。
　　
　　③具有事故分析與記錄、越限報(bào)警功能。SCADA除對(duì)各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)、泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集外，還要檢驗(yàn)它們是否超過各自的運(yùn)行極限、安全極限或設(shè)備極限，如有越限則報(bào)警并作出相應(yīng)處理。
　　
　　④通過對(duì)操作員設(shè)置不同級(jí)別的數(shù)據(jù)使用與瀏覽等權(quán)限，保證數(shù)據(jù)的安全性。
　　
　　⑤SCADA系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)多種曲線繪制、圖表顯示、報(bào)表的統(tǒng)計(jì)和打印等功能，方便調(diào)度人員查詢了解。
　　
　　4.3決策與控制
　　
　　RTU采集的管網(wǎng)、泵站等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可作為優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由優(yōu)化調(diào)度程序進(jìn)行分析，作出決策并向RTU發(fā)出控制指令，RTU根據(jù)指令作出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)泵和閥的自動(dòng)化控制。
　　
　　①水泵的自動(dòng)控制
　　
　　a.單泵開、停自動(dòng)控制優(yōu)化調(diào)度軟件向RTU發(fā)出開泵命令后，RTU對(duì)開泵條件進(jìn)行一一檢測(cè)，如水泵是否處于停泵狀態(tài)且停泵時(shí)間＞6min、清水池液位是否在預(yù)警水位以下、管路上各閥門是否具備開泵條件等，如條件不滿足，RTU會(huì)報(bào)警并向MOSICA返回“錯(cuò)誤”信息。如果開的是調(diào)速泵，RTU則會(huì)要求給定轉(zhuǎn)速，然后執(zhí)行調(diào)速泵的自動(dòng)控制。停泵的控制過程與開泵類似。另外，為使泵處于*運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了定速泵和調(diào)速泵運(yùn)行時(shí)的保護(hù)程序，以延長(zhǎng)水泵的使用壽命，使其能發(fā)揮zui大的工作效率。
　　
　　b.泵組合優(yōu)化控制
　　
　　新建加壓泵站采用5臺(tái)水泵(3定2調(diào))聯(lián)合工作，在各水泵運(yùn)行工況滿足管網(wǎng)的水量、揚(yáng)程要求時(shí)，通過兩根輸水管直接向管網(wǎng)供水。根據(jù)管網(wǎng)的不同用水要求，優(yōu)化調(diào)度軟件會(huì)在泵組合“規(guī)則集”中進(jìn)行選擇后，向RTU發(fā)出進(jìn)一步的優(yōu)化控制指令(如調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速等)，RTU根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。
　　
　　②閥的自動(dòng)控制
　　
　　系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站內(nèi)開關(guān)型閥的遙控，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)管網(wǎng)上自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的遙控、遙調(diào)。對(duì)前者的遙控主要是配合水泵的開、停進(jìn)行自動(dòng)控制，而對(duì)后者的遙控、遙調(diào)可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力平衡和對(duì)爆管時(shí)的自動(dòng)關(guān)閥處理。當(dāng)管網(wǎng)局部壓力達(dá)不到要求時(shí)，優(yōu)化調(diào)度軟件會(huì)根據(jù)管網(wǎng)仿真模型計(jì)算得出的各測(cè)壓點(diǎn)壓力，給出閥門開啟度控制指令，RTU執(zhí)行指令，通過調(diào)節(jié)閥門開啟度實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力平衡，從而避免因局部壓力不滿足要求而增加水泵數(shù)量。若管網(wǎng)中出現(xiàn)爆管事故，RTU會(huì)監(jiān)測(cè)到并反饋某一測(cè)壓點(diǎn)壓力突然下降的信息，根據(jù)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)在數(shù)據(jù)庫中搜尋其附近自控閥，迅速定位并作出關(guān)閥方案，使能量損失zui小。
　　
　　5、結(jié)語
　　
　　①企業(yè)應(yīng)高起點(diǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)，與有實(shí)力的、專業(yè)的開發(fā)商合作開發(fā)SCADA系統(tǒng)。
　　
　　②系統(tǒng)選用的軟、硬件，要求可靠性高、開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)，既能保持向下兼容，又能適應(yīng)未來系統(tǒng)擴(kuò)充的需要。
　　
　　③要選擇可靠性、穩(wěn)定性高的控制設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀表，一方面能平衡管網(wǎng)壓力，保障供水，增強(qiáng)對(duì)突發(fā)事故的反應(yīng)能力；另一方面能從根本上保證數(shù)據(jù)采集、傳送的準(zhǔn)確性，使供水管網(wǎng)仿真模型更接近真實(shí)管網(wǎng)。
　　
　　④要加大科技、人才投入，為供水系統(tǒng)的合理化、科學(xué)化、現(xiàn)代化管理創(chuàng)造條件。