一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，我國各大城市的自來水廠正逐步向“安全供水、科學(xué)管理、優(yōu)質(zhì)服務(wù)”的方向發(fā)展。因此如何提高供水質(zhì)量、達(dá)到節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)高效管理，是當(dāng)前自來水廠所面臨的首要問題。另外，提高自動(dòng)化、信息化水平對自來水廠來說也越來越重要。

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，自來水廠紛紛建立起SCADA系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水廠從取水到制水、配水的全過程監(jiān)控，但在實(shí)際應(yīng)用中，真正能達(dá)到令人滿意效果的并不多。本方案的目的是從設(shè)計(jì)、實(shí)施到后期維護(hù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，為用戶提供一個(gè)具有先進(jìn)技術(shù)的、易于開發(fā)維護(hù)且易于擴(kuò)展及分步實(shí)施的解決方案。

二、系統(tǒng)需求

1.集中監(jiān)控、分散控制

自來水廠的監(jiān)控系統(tǒng)通常分為控制層及管理層兩層結(jié)構(gòu)。控制層完成具體的取水、混凝、沉淀、過濾、送水等環(huán)節(jié)的測控；管理層主要負(fù)責(zé)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警處理等工作。控制層的各工藝環(huán)節(jié)位置分散，位于中控室的控制中心將進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，因此自來水廠具有集中監(jiān)控、分散控制的特點(diǎn)。

基于該特點(diǎn)，自來水廠往往在控制環(huán)節(jié)少配或不配工作人員，僅在中控室配備有經(jīng)驗(yàn)的工作人員，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“無人或少人值守”。這對SCADA系統(tǒng)的性能要求很高的，采集、分析、控制若不夠快速或者數(shù)據(jù)傳輸不夠安全，控制中心的作用便會大打折扣，就會造成工藝流程執(zhí)行的錯(cuò)誤，嚴(yán)重的還會影響供水及水質(zhì)。因此，高效的性能是集中監(jiān)控的關(guān)鍵。

2.高集成性

自來水廠通常在控制中心實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警，為便于控制中心了解所有有價(jià)值的數(shù)據(jù)，它會要求將所有的信息及數(shù)據(jù)集成到控制中心，如，測點(diǎn)數(shù)據(jù)、報(bào)警狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)、視頻信息等。控制中心需通過一整套完整的平臺體系實(shí)現(xiàn)所有信息的觀察及聯(lián)動(dòng)。這對SCADA系統(tǒng)的集成性是一個(gè)很大的考驗(yàn)。

3.管理及調(diào)度

除了完成正常的制水、配水工作外，自來水廠作為一個(gè)企業(yè)，同樣具有成本管理、資源調(diào)配的要求。這要求計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)除了對各工藝環(huán)節(jié)有控制功能外，還需要考慮如何控制最節(jié)約成本，對資源的浪費(fèi)最小。為了實(shí)現(xiàn)這些上層的管理及調(diào)度功能，需要SCADA系統(tǒng)能夠匯總大量的過程數(shù)據(jù)，針對這些數(shù)據(jù)結(jié)合優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)專業(yè)的分析，最終做出指導(dǎo)性的決策。

三、系統(tǒng)解決要點(diǎn)

-與工藝環(huán)節(jié)的PLC、儀表進(jìn)行通訊，快速采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

-保證數(shù)據(jù)完整性，對采集鏈路、通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、

-歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的冗余功能，異常時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的切換，在網(wǎng)絡(luò)中斷、網(wǎng)速過慢時(shí)將數(shù)據(jù)緩存。

-對實(shí)測數(shù)據(jù)及狀態(tài)進(jìn)行直觀逼真的展示（如動(dòng)畫、報(bào)表、趨勢等），進(jìn)行多

-種報(bào)警及預(yù)警檢測，并采用多種方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警通知。對已發(fā)生的故障實(shí)現(xiàn)直觀的事故追憶。

-對大量的高密度的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行高性能的壓縮存儲。

-以存儲的大量歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)的優(yōu)化計(jì)算與分析。

-提供多種開放性接口，便于其它第三方系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分析。

-在Internet網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)中將實(shí)時(shí)、歷史、報(bào)警等數(shù)據(jù)以集成的方式進(jìn)行發(fā)布，使用戶可在IE中實(shí)現(xiàn)瀏覽。

四、解決方案

1.系統(tǒng)配置

圖1 系統(tǒng)配置圖

2.軟件部署

圖2  軟件部署結(jié)構(gòu)

-I/O 數(shù)據(jù)采集軟件（I/O Server3.0）：快速采集現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與SCADA軟件、上層集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并存儲數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中。

-SCADA軟件（KingSCADA 3.0）：以圖形、動(dòng)畫、報(bào)表、趨勢等手段展現(xiàn)泵站的工藝流程、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，完成操作員在上位機(jī)上的的控制。

-工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫（KingHistorian 3.0）：存儲大量的過程數(shù)據(jù)，在采集、存儲、檢索方面具有強(qiáng)大的性能，它是深層分析與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

-客戶端軟件（KingSCADA Client）：基于C/S架構(gòu)，是KingSCADA3.0的客戶端軟件。為操作員提供日常操作所需的操作平臺，也可滿足分布式的要求。

-展示平臺（KingGraphic）：是大量歷史數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的分析展示平臺，管理人員可通過趨勢、報(bào)表、歷史回放等手段了解水廠過去的狀況、分析

未來的趨勢。

-計(jì)算平臺(KingCalculation)：針對自來水廠運(yùn)行特點(diǎn)，采用多種專業(yè)算法，在大量過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算。

-報(bào)警與事件檢測平臺(KingA&E)：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)，采用多種檢測方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的報(bào)警事件檢測，在事故發(fā)生前及時(shí)預(yù)警，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

-門戶軟件(KingProtal)：將多種數(shù)據(jù)集成后以門戶的形式向廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布，用戶可從網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)瀏覽。

3.方案功能

-硬件設(shè)備的支持能力

自來水廠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，會與各種硬件設(shè)備進(jìn)行通訊（如PLC、水質(zhì)檢測儀表、水泵機(jī)組、機(jī)組電氣柜等），采集現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，反映給SCADA軟件同時(shí)保存到工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫中。這就要求系統(tǒng)能具有與各種廠家硬件設(shè)備的通訊能力，并支持各種通訊協(xié)議。方案中的I/O Server 3.0支持與1500多家3000多種硬件通訊，并支持多種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，如MODBUS、Profibus、CAN、OPC等。使得軟件產(chǎn)品可輕松得與各硬件設(shè)備進(jìn)行組合。

圖3 支持的硬件設(shè)備

-有效的安全措施

基于“集中監(jiān)控、分散控制”的特點(diǎn)，SCADA系統(tǒng)“采集、分析、控制”的安全性與穩(wěn)定性，無疑是用戶最為關(guān)心的，這就需要SCADA系統(tǒng)在安全穩(wěn)定方面具有強(qiáng)大的性能。

KingSCADA3.0系統(tǒng)支持雙機(jī)冗余、雙網(wǎng)絡(luò)冗余、雙設(shè)備冗余，可以分別針對服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備的故障實(shí)現(xiàn)切換，并且支持獨(dú)立的冗余通道，可確保1秒的切換，可保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的連續(xù)完整。系統(tǒng)提供專門的性能監(jiān)視工具，便于用戶及時(shí)了解跟采集與傳輸有關(guān)的各項(xiàng)信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時(shí)，可講數(shù)據(jù)本地緩存，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳，如此一來，即使發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷，也不會丟失數(shù)據(jù)。

圖4 獨(dú)立的冗余探測通道

圖5 性能監(jiān)視工具

-一體化的平臺體系

自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展的今天，SCADA系統(tǒng)已經(jīng)不再是過去簡單的與設(shè)備通訊、顯示數(shù)據(jù)、下發(fā)控制指令這么簡單了。隨著自來水廠對管理功能要求的不斷加深，自來水廠迫切需要的是集采集、監(jiān)視、控制、調(diào)度于一身的一體化平臺。這就需要將自動(dòng)化與信息化相結(jié)合，在系統(tǒng)中除了具有監(jiān)控作用的組態(tài)軟件，還需要有具有分析、調(diào)度功能的決策系統(tǒng)。

方案中的KingCalculation就是針對大量過程數(shù)據(jù)，結(jié)合自來水行業(yè)的復(fù)雜算法進(jìn)行計(jì)算分析的軟件平臺；KingA&E是將“數(shù)據(jù)”轉(zhuǎn)化為“狀態(tài)”，進(jìn)行預(yù)警的判斷與觸發(fā)的軟件平臺，可進(jìn)行超前的趨勢分析。他們的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫KingHistorian。最終的分析信息、預(yù)警信息、決策類提示信息均在展示平臺KingGraphic上進(jìn)行集中顯示。

圖6 平臺體系

-豐富的系統(tǒng)接口

為滿足城市的統(tǒng)一供水調(diào)度的需要，各區(qū)縣的自來水廠往往需要將數(shù)據(jù)上傳至自來水公司，由自來水公司的供水調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)管與協(xié)調(diào)。為了便于自來水公司供水調(diào)度系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，水廠的SCADA系統(tǒng)需具有豐富的開放性接口，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集軟件、SCADA軟件、工業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件、上層分析展示軟件等多種不同類型的軟件組成，具有多種數(shù)據(jù)接口，如API for VC ++/VB/.NET、OLEDB、ODBC、COM等，支持SQL語句查詢。利用這些接口，可以方便的與其它第三方軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖7 豐富的接口

-web功能

Web功能采用B/S結(jié)構(gòu)，可對局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布，客戶可以隨時(shí)隨地通過Internet/Intranet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。如廠長辦公室的電腦可通過IE瀏覽器實(shí)時(shí)瀏覽畫面，監(jiān)控各種工業(yè)數(shù)據(jù)。若對廣域網(wǎng)發(fā)布，那么無論用戶身處何地，均可異地進(jìn)行監(jiān)控，這樣做的好處是，便于企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)無論在何地，即便是出差也可及時(shí)了解有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

圖8  WEB瀏覽界面

五、案例介紹

-桂林東江水廠SCADA系統(tǒng)