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供水SCADA系统的研究与建立

　　摘要　　介绍了天津港保税区供水SCADA系统的建立过程，对该系统的结构、通讯方式、监控点位置和数据库等进行了设计。根据数据库的信息，重点对系统内水泵与闸阀的控制、供水管网中自控调节阀的控制及布置原则进行了研究。

关键词SCADA系统 自控调节阀 RTU 监控点
　　天津港保税区(以下简称保税区)开发建设近10年来，随着区内外资企业的日益增多，现为1×104m3/d的供水量已远远不能满足用户需求，它已成为保税区发展的瓶颈。另外现有管网缺乏实时监测信息，使传统的经验调度缺乏科学依据。为此，保税区政府决定在原有供水系统基础上新辟自来水水源并增建1座×104 m3/d的加压泵站及配套设施，同时建立、开发供水SCADA系统。
　　1 供水系统规划
　　保税区规划的输配水系统由四个水源供水，分别来自塘沽自来水四水厂、开发区水厂、港务局水厂以及区内深井泵站。目前保税区用水主要由塘沽自来水四水厂提供。加压泵站建成后 ，开发区水厂将成为另一主要水源。区内深井泵站作为备用水源。加压泵站内设有MD1000 RTU现场控制站，可对水泵的流量、压力、开停状态、电机电流等泵站信息进行实时监测。同时，考虑到保税区是新开发的区域，面积小而易于布点监控，故在管网关键点、最不利点处设置测流点、压力监控点，由MD3311 RTU采集其流量、压力、余氯等实时数据。另外在管网上还设置了自控调节阀，通过调节阀的开启度使管网上的压力分布均匀。
　　2 SCADA系统设计
　　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，应建立开放性好、可靠性高、适应性强的供水监控调度系统。
　　设计原则
　　① 采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品。
　　② 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。
　　③ 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。
　　监控点与自控阀布置
　　要实现对保税区给水管网的计算机模拟和优化调度管理，必须了解给水管网的运行工况，掌握管网的动态信息，为优化调度模型提供必要的运行状态数据。另外，通过观察监控点的异 常变化，可推断事故发生情况，从而了解非正常的压力分布情况及由此造成的影响。为此在管网上设置了12个测压点、10个测流点、12个自动调节阀。通过MD3311 RTU采集的流量、压力、自控调节阀开启度等信息推求出其余状态变量，进而确定管网运行状态，为优化调度提供数据基础。
　　① 管网测压点、测流点的选择
　　管网中的测压点、测流点应具有代表性。测压点在管网末端布置得要多一些，而测流点则应靠近管网前端，末端小管径上的流量变化对管网影响不大，故DN200管线上只设压力表，不设流量计。流量计选用超声波流量计，分移动和固定两种安装方式。固定式数量较少，用于环境条件好、重点监测的管段，移动式则便于按需要监测管段流量掌握管网运行状态 。
　　② 自动调节阀的布置
　　由于各水源出站压力一般在343～ kPa，管网末端压力一般要求在 kPa左右，基本上可满足用户压力要求，但在一些管网末端死角不易达到要求，如果增加出厂压力，则电耗及管道漏水率增加，降低了供水系统的效率。为解决此问题，考虑在管网上设置自动调节阀(以下简称自控阀)，既可满足用户水压要求，又可通过调节阀门的开启度来调节管网压力，使整个管网压力分布均衡。自控阀的位置不同会有不同的优化调度结果，在考虑自控调节阀位置时，遵循了以下原则：
　　a.对水量小、利用率低的港务局水厂及区内深井泵站不设自控阀，而利用泵站内的阀门进行调节。开发区水厂来水进入新建加压泵站，泵站内有两台调速泵，不必用造价高的自控阀，采用价格比较低的开/关阀同样能起到调节作用。塘沽自来水四水厂来水通过两条输水管线直接进入管网，在每条管线上设置DN300、DN400自控阀各一个。
　　b.考虑到大管径上阀门主要用于检修，不经常调度，而且管径大、造价高，故不采用DN600自控阀。DN200管线基本在管网末端，流量较小，故DN200管线上的自控阀不做 调节使用，而主要把阀布置在DN300、DN400的中等管径上及多水源交汇处，让自控阀真正发挥调节作用。
　　3 系统结构
　　整个系统由SCADA控制中心和MD1000 RTU站控系统及MD3311 RTU管网监控点等站点组成，并通过各自的通信装置传送数据或指令。系统对各测控对象的监控由测控单元实现。
　　系统结构示意如图1所示。
　　硬件系统
　　两台互为热备份的SCADA监控主机服务器存储实时数据和历史数据，可同时在线工作并均衡分担系统计算的负荷，保证系统的高可靠性，这比传统的主—从备份式结构更有优势。两台终端服务器作为网络远程通讯用机，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访问SCADA数据库中所有的数据库，并可通过报表方式显示时间信息和报警信息，使用历史数据库来显示历史和趋势数据。大屏幕投影仪用于系统应用图形的高清晰度实时显示与监视。所有发生的报警事件均能通过A3网络激光打印机在线自动打印，并带有时间标签和报警原因。
　　软件系统
　　操作系统平台：WindowsNT；
　　数据库平台：MOSAICROBMS；
　　应用软件：监控软件MOSAIC，它是高度模块化、可组态的、分布式的应用软件系统，具有实时的、面向对象的、分布关系式型数据库管理系统，同时采用“容错”技术来保证系统高可靠性；
　　数据库：主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分构成。SCADA包括所有组态数据和实时数据；Event包括报警和事件；Authority存放安全信息；History存储历史数据作为备份；Dispatch用于数据分布，确保数据同步。
　　通讯系统
　　目前SCADA系统的通讯方式主要有两种：有线和无线。无线方式主要通过无线数传电台构成专用通信网，但存在着电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、能力等问题，其可靠性和有效性有待提高。而有线网通讯技术的研究目前有了突破性进展，特别是INTERNET的发展使有线网的应用走向更深层次，可利用率更高，发展前景较好，所以保税区的供水SCADA系统采用有线方式进行通讯。其中，SCADA控制中心与MD1000站控系统的通讯采用双以太局域网，通过DNP3完成；而控制中心与MD3311RTU的通讯则利用Modem，通过RS232共享器完成，这样的设计保证了系统的可靠性。
　　4系统功能
　　实时遥测、遥信
　　SCADA系统能够扫描RTU，对调度所需的多种参数进行实时监测，使调度人员能及时、准确地了解系统工况，为优化调度软件在“规则集”中作出选择，提供数据依据。数据种类分为模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)、开关量输入(DI)、开关量输出(DO)四种。MD1000RTU主要监控泵站内水泵、电机、闸阀等的工作状态以及压力、流量和余氯等实时数据。MD3311RTU主要监控管网上各监控点压力、流量及阀门的开启度等，通过遥控管网上主要阀门的开启度来优化管网压力和流量。
　　分析、管理实时和历史数据
　　①SCADA系统可将采集到的实时数据在历史数据库中进行存储，同时还能监视从RTU返回的信息，并更新链路状态，使得操作员能够监视和识别通信故障，以便确定RTU的工作状态。
　　②对采集的各类实时数据进行数据处理。系统中有3种数据，分别是数字量、模拟量和控制量，通过MD1000RTU和MD3311RTU的现场接口卡模块完成各类数据的输入和输出。对历史数据不但记录其数值，还记录其状态，表明该数据是否有效，根据其状态来确定是否参加运算。
　　③具有事故分析与记录、越限报警功能。SCADA除对各管网监控点、泵站进行实时数据采集外，还要检验它们是否超过各自的运行极限、安全极限或设备极限，如有越限则报警并作出相应处理。
　　④通过对操作员设置不同级别的数据使用与浏览等权限，保证数据的安全性。
　　⑤SCADA系统还可实现多种曲线绘制、图表显示、报表的统计和打印等功能，方便调度人员查询了解。
　　决策与控制
　　RTU采集的管网、泵站等的实时数据可作为优化调度的基础数据，由优化调度程序进行分析，作出决策并向RTU发出控制指令，RTU根据指令作出相应动作，从而实现泵和阀的自动化控制。
　　①水泵的自动控制
　　a.单泵开、停自动控制优化调度软件向RTU发出开泵命令后，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、清水池液位是否在预警水位以下、管路上各阀门是否具备开泵条件等，如条件不满足，RTU会报警并向MOSICA返回“错误”信息。如果开的是调速泵，RTU则会要求给定转速，然后执行调速泵的自动控制。停泵的控制过程与开泵类似。另外，为使泵处于最佳运行状态，系统还设计了定速泵和调速泵运行时的保护程序，以延长水泵的使用寿命，使其能发挥最大的工作效率。
　　b.泵组合优化控制
　　新建加压泵站采用5台水泵(3定2调)联合工作，在各水泵运行工况满足管网的水量、扬程要求时，通过两根输水管直接向管网供水。根据管网的不同用水要求，优化调度软件会在泵组合“规则集”中进行选择后，向RTU发出进一步的优化控制指令(如调速泵的转速等)，RTU根据指令执行相应动作。
　　②阀的自动控制
　　系统不仅实现了对泵站内开关型阀的遥控，而且实现了对管网上自动调节阀的遥控、遥调。对前者的遥控主要是配合水泵的开、停进行自动控制，而对后者的遥控、遥调可实现管网压力平衡和对爆管时的自动关阀处理。当管网局部压力达不到要求时，优化调度软件会根据管网仿真模型计算得出的各测压点压力，给出阀门开启度控制指令，RTU执行指令，通过调节阀门开启度实现管网压力平衡，从而避免因局部压力不满足要求而增加水泵数量。若管网中出现爆管事故，RTU会监测到并反馈某一测压点压力突然下降的信息，根据该监测点的编号在数据库中搜寻其附近自控阀，迅速定位并作出关阀方案，使能量损失最小。
　　5结语
　　①企业应高起点规划设计，与有实力的、专业的开发商合作开发SCADA系统。
　　②系统选用的软、硬件，要求可靠性高、开放性好、适应性强，既能保持向下兼容，又能适应未来系统扩充的需要。
　　③要选择可靠性、稳定性高的控制设备和监测仪表，一方面能平衡管网压力，保障供水，增强对突发事故的反应能力；另一方面能从根本上保证数据采集、传送的准确性，使供水管网仿真模型更接近真实管网。
　　④要加大科技、人才投入，为供水系统的合理化、科学化、现代化管理创造条件。