摘  要：本文結(jié)合沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水工程SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)例，詳細(xì)介紹了SCADA系統(tǒng)的配置和功能。該供水項(xiàng)目運(yùn)行已近十年，取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，積累了豐富的操作使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后設(shè)計(jì)新的給水項(xiàng)目具有廣泛的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：SCADA系統(tǒng)；RTU；主機(jī)；GPRS軟件
中圖分類號(hào)：       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：
The Application of SCADA System in Shenyang water Supply System
Gao Weiming[1]  Liu Xiaoqian[2]  Zeng Guangrong[1]  Zuo Hongsheng[1]  Zhao Haidong[1]
 [1]China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute       
[2] KUNMING Survey and Prosecution Company of China Non-ferrous Metal

Abstract: According to the design example of SCADA system design of Shenyang economic and technological development zone water source project, this paper introduced the setting and function characteristic of process control system.. After 15 years running ,this project to be proved is economical and also got a great social benefits, accumulated rich operation and using experience. And it will have great guiding meaning for next step construction projects.
Key words: Supervisory Control And DATA Acquisition system, Remot Terminal Unit, Master Computer General Packet Service Ridiao Software.
1 前言
    從上世紀(jì)六十年代開始，在哈爾濱、沈陽(yáng)、大連、鞍山、四平、佳木斯、錦州等城市的十幾項(xiàng)供水工程中，先后選用了各種型號(hào)的四遙設(shè)備（遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙訊），八十年代中、后期選用了國(guó)內(nèi)、國(guó)外的SCADA系統(tǒng)設(shè)備，zui早使用單線遙控技術(shù)，后來(lái)采用功能組的遙控設(shè)備，近十幾年選用成套的SCADA系統(tǒng)。要求四遙的水平迅速提高，SCADA監(jiān)控設(shè)備也不斷更新?lián)Q代。由于沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水工程中設(shè)計(jì)選用的SCADA系統(tǒng)于2000年投產(chǎn)以來(lái)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行近十年，而且其規(guī)模也較大，故本文重點(diǎn)介紹了SCADA系統(tǒng)在沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水工程系統(tǒng)中的應(yīng)用。
2 供水工程簡(jiǎn)介及對(duì)自動(dòng)化控制的要求
    沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水工程于1998年設(shè)計(jì)，1999 年建設(shè)，2000年投產(chǎn)。供水系統(tǒng)包括10萬(wàn)噸/日生產(chǎn)能力的凈水廠，水源地的水源井群（20口），水源井布置比較分散。
   該供水系統(tǒng)規(guī)模大，供水范圍廣，由于提供城市大部分的生產(chǎn)及生活用水，因此可靠性要求高，按傳統(tǒng)的管理方式設(shè)計(jì)，凈水廠和水源井群均需要安排人員值班，各處的值班人員保持經(jīng)常的，才能了解各處的泵的運(yùn)行狀態(tài)、出水壓力、機(jī)溫、水位、流量等參數(shù)。一旦泵或儀表出現(xiàn)故障，派人馬上維修。這種管理方法不可靠，在通訊不暢或陰雨天經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種事故，造成停止供水；工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，責(zé)任重；技術(shù)落后，嚴(yán)重制約了供水系統(tǒng)的科學(xué)化、現(xiàn)代化。
    為此，選用了可靠*的SCADA系統(tǒng)（即監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)），其數(shù)據(jù)通訊采用有線與無(wú)線相結(jié)合。在此以前，在別的供水工程中曾經(jīng)設(shè)計(jì)選用過(guò)單線遙控，功能組件的四遙系統(tǒng)，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的四遙系統(tǒng)，但均不理想、可靠。雖然這些技術(shù)、產(chǎn)品當(dāng)時(shí)還有。但由于其設(shè)備，技術(shù)落后，元器件不可靠，不兼容，不開放，不兼容上的通訊協(xié)議TCP/IP FTP，尤其IEEE802.3，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不能采用。
    該供水工程的SCADA系統(tǒng)是一個(gè)三級(jí)調(diào)度系統(tǒng)。水源井群為zui下級(jí)調(diào)度；凈水廠為中間級(jí)調(diào)度；公司對(duì)這些泵站水廠為zui別調(diào)度。
監(jiān)控內(nèi)容如下：
2.1凈水廠
 包括4臺(tái)主水泵及配套0.4KV電機(jī)運(yùn)行、停止操作及運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)量檢測(cè)，出口電動(dòng)蝶閥開、關(guān)、停操作及閥開、閥關(guān)、故障狀態(tài)量檢測(cè)，每臺(tái)10KV高壓電機(jī)機(jī)溫、電流、有功，主水泵出口壓力、流量，全廠總進(jìn)水鐵離子、錳離子，清水池水位，全廠總出水流量（三個(gè)）壓力、濁度、余氯，加氯系統(tǒng)氣體流量、漏氯。10KV高壓柜的高壓開關(guān)的斷/合狀態(tài)、事故報(bào)警、電壓、電流及進(jìn)線的有功/有功電度、無(wú)功/無(wú)功電度、功率因數(shù)、頻率等模擬量參數(shù)。
2.2水源井群
 包括16臺(tái)潛水泵及配套380V低壓電機(jī)的運(yùn)行/停止操作及運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)檢測(cè)，低壓主回路合/斷操作狀態(tài)檢測(cè)。每臺(tái)380V電機(jī)機(jī)溫、電流、電壓、有功、無(wú)功，每臺(tái)水泵的出口壓力、流量，每口井的水位等模擬量參數(shù)。
 按工藝流程的要求設(shè)置了相應(yīng)的檢測(cè)儀表。
 如上所述，所選用的儀表包括流量（電磁）、壓力、余氯、濁度、液位（超聲波）、鐵離子、錳離子等儀表。
 另外，自動(dòng)加氯系統(tǒng)提供了漏氯、氯氣氣體流量，自動(dòng)加氯機(jī)閥位等。
 不容忽視的事實(shí)是，電氣設(shè)備提供的開關(guān)量是可靠的，因此檢測(cè)儀表的質(zhì)量也要求的高，為了SCADA系統(tǒng)的成功，所以設(shè)計(jì)及設(shè)備招標(biāo)選用的儀表均是來(lái)自美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)的*可靠的智能型的檢測(cè)儀表。
 該系統(tǒng)可支持單層網(wǎng)到復(fù)雜的遞階多級(jí)網(wǎng)。每級(jí)zui多可支持240個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控站或1000個(gè)站。監(jiān)控范圍可從幾公里到幾百公里（加中繼站）。監(jiān)控點(diǎn)數(shù)從幾百點(diǎn)到幾千點(diǎn)。而且該系統(tǒng)遵循通訊協(xié)議。
3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控站
    采用美國(guó)摩托羅拉SCADA系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端單元——RTU。該單元組態(tài)很靈活，既可組態(tài)成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站，也可組態(tài)成主/次通信控制器。單元采用組件結(jié)構(gòu)，全天候機(jī)箱，無(wú)人值守。其配置為：每站一個(gè)或幾個(gè)機(jī)箱，每箱除*的公共組件——電源組件，*處理組件，通信組件（有線或無(wú)線通信組件）外，還可安裝通信控制組件及所需的輸入/輸出（I/O）組件（模擬量輸入組件，模擬量輸出組件，數(shù)字量輸入組件和數(shù)字量輸出組件等等）。對(duì)于系列I，每個(gè)RTU可安裝13個(gè)I/O組件，用于井群。而系列II，則一個(gè)RTUzui多可安裝36個(gè)I/O組件，用于配水廠。
3.2 通信系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
    由美國(guó)摩托羅拉公司的RTU組態(tài)而成通信控制器，再配上無(wú)線通信組件（外連式無(wú)線電臺(tái)，頻率可根據(jù)用戶要求設(shè)定）與一體化的調(diào)制解調(diào)器（Modem）相連（井群），或者是選用有線通信組件與調(diào)制解調(diào)器相連，或者直接用串行通信口（RS485）進(jìn)行通信。公司對(duì)于泵站及配水廠其構(gòu)成形式為1：N。
   選用工業(yè)微機(jī)，配上監(jiān)視控制及數(shù)據(jù)采集與管理軟件。
   該網(wǎng)絡(luò)是在上位管理站用以太網(wǎng)，共享管理站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多級(jí)管理。
3.3 SCADA系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)
SCADA系統(tǒng)中的軟件是基于面向?qū)ο蟮亩嗳蝿?wù)執(zhí)行系統(tǒng)（MTE：Multi Tasking Executive system）設(shè)計(jì)而成的。當(dāng)SCADA的RTU冷啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)支持不同的硬件模塊和用戶設(shè)置的不同的通訊口。這樣所有RTU可以使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件包滿足不同的應(yīng)用需要。SCADA系統(tǒng)中的軟件支持基于OSI模型的通訊協(xié)議MDLC。該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)分成7個(gè)連續(xù)的層次，每層均為其相鄰高層提供一個(gè)基本的服務(wù)和支持。
SCADA系統(tǒng)中的RTU軟件提供下列功能：
——可以將應(yīng)用程序分成zui多可達(dá)5個(gè)優(yōu)先級(jí)別，以提高系統(tǒng)效率；
——提供對(duì)用戶數(shù)據(jù)表和梯形圖的實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)試；
——RTU上電時(shí)執(zhí)行上次RTU掉電時(shí)執(zhí)行的任務(wù)；
——隨時(shí)檢測(cè)軟件和硬件故障；
——所有軟硬件的錯(cuò)誤信息存儲(chǔ)在錯(cuò)誤登錄器中，可在SCADA系統(tǒng)任何通訊口調(diào)出，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和日常維護(hù)。
該工程SCADA系統(tǒng)提供了多種的數(shù)據(jù)傳送方式，可以適應(yīng)用戶的不同要求。這些方式包括：中心-RTU數(shù)據(jù)傳送、中心-RTU廣播方式、RTU事件報(bào)告（Event/Burst）和RTU-RTU通訊。
4 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)
4.1 系統(tǒng)功能
4.1.1 遙測(cè)功能：數(shù)字濾波、報(bào)警比較處理、算術(shù)與邏輯運(yùn)算、流量積算和脈沖累計(jì)等。
4.1.2 數(shù)據(jù)采集和報(bào)警監(jiān)視功能：
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)zui基本也是占用機(jī)時(shí)比重zui大的部分。采集、報(bào)警、監(jiān)視內(nèi)容為凈水廠的4臺(tái)主水泵及配套0.4KV電機(jī)運(yùn)行、停止、故障狀態(tài)量，出口電動(dòng)蝶閥開、關(guān)、故障狀態(tài)量等。
    前置機(jī)顯示器長(zhǎng)期在線顯示各被測(cè)量的實(shí)時(shí)值，每組泵手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置、各水泵的運(yùn)行狀態(tài)等。后臺(tái)機(jī)彩色顯示器可顯示工藝流程圖和配電系統(tǒng)圖等。各圖在相應(yīng)位置顯示被測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)值。中心控制室的工作人員可以通過(guò)顯示器了解整個(gè)給水系統(tǒng)的生產(chǎn)情況和各種工藝、電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
4.1.3 遙控功能：PID控制、順序控制。
    當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)上手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動(dòng)位置時(shí)，該組泵處于常規(guī)操作狀態(tài)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不作任何控制。當(dāng)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動(dòng)位置時(shí)，常規(guī)按扭操作不起作用，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以兩種方式對(duì)其進(jìn)行控制：a）自動(dòng)方式：根據(jù)水池的水位，控制相應(yīng)水泵電機(jī)的啟停。即超過(guò)水位下限開泵，超過(guò)水位上限停泵。水泵出口電動(dòng)蝶閥是調(diào)節(jié)型的，實(shí)現(xiàn)PID控制。b）計(jì)算機(jī)手動(dòng)方式：操作值班人員通過(guò)后臺(tái)機(jī)鍵盤控制水泵機(jī)組的啟停。以上兩種控制方式均有兩個(gè)制約條件：（1）該組水泵所處清水池水位超過(guò)極限值；（2）向該組水泵電機(jī)供電的母線段三相電壓均處于正常范圍。兩個(gè)條件缺一不可，在控制指令發(fā)出后5秒鐘（躲開電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)反饋信號(hào)（電機(jī)電流），對(duì)控制命令的有效性進(jìn)行確認(rèn)。
4.1.4 維護(hù)功能：故障診斷、錯(cuò)誤處理。
   維護(hù)功能的故障診斷、錯(cuò)誤處理是靠遙訊功能保障的。所謂遙訊功能是無(wú)線數(shù)傳機(jī)的通話功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于數(shù)傳機(jī)工作在半雙工狀態(tài)，所以通話時(shí)，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。這種功能主要用于系統(tǒng)調(diào)試和檢修。
4.1.5  管理功能：能量計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、畫面顯示、潮流預(yù)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度、趨勢(shì)記錄及報(bào)表打印等。
   管理工作大致可以分為四類即：校時(shí)；數(shù)據(jù)處理；事故處理；圖表生成。
4.2 特點(diǎn)
4.2.1 可靠性高。
   遠(yuǎn)程監(jiān)控站（RTU）可無(wú)人值守、采用全天候機(jī)箱，能在惡劣環(huán)境下連續(xù)可靠工作。
   RTU可由交流/直流/太陽(yáng)能等方式供電。站內(nèi)配有后備電池。當(dāng)主電源斷電后可供電大約20天。對(duì)外提供24VDC隔離輸出。
   RTU采用組件結(jié)構(gòu)，每個(gè)組件有鋁屏蔽外殼，能抗電氣干擾。
4.2.2 通信方式多，距離遠(yuǎn)。
   通信有無(wú)線通信、有線通信（公用線/線——2/4線）和串行口通信（RS-485）。本身帶有調(diào)制解調(diào)器（Modem）。幾種通信方式可在系統(tǒng)中混合使用。
通信距離可從幾公里到幾百公里（加中繼站）。
4.2.3 組態(tài)靈活，構(gòu)成擴(kuò)展系統(tǒng)容易。
    RTU可靈活組態(tài)成現(xiàn)場(chǎng)（外圍）站或通信控制器（MRTU/IRTU），構(gòu)成1：N或1：M：N系統(tǒng)。組態(tài)可在本地（便攜機(jī)）或遠(yuǎn)端（管理機(jī)）進(jìn)行。
5 SCADA系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)
 沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)供水工程中的SCADA系統(tǒng)投產(chǎn)運(yùn)行近十年，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，做到了生產(chǎn)管理科學(xué)化、現(xiàn)代化，減員增效，工人操作維修方便。設(shè)備*，培養(yǎng)了一批懂技術(shù)會(huì)管理的人才。
 當(dāng)然，今日的SCADA系統(tǒng)不論硬件、軟件，隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展均有很大進(jìn)步，硬設(shè)備如CPU,存儲(chǔ)器,硬盤等的技術(shù)指標(biāo)也有很大提高，軟件自診斷功能加強(qiáng)，所以在以后的供排水工程設(shè)計(jì)中要考慮到系統(tǒng)的兼容性與可擴(kuò)展性。
 為了提高系統(tǒng)通訊的可靠性，無(wú)線通訊今后選用被實(shí)踐證明可靠的GPRS技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)早已融入了變電站監(jiān)控的方方面面，國(guó)內(nèi)外已制造出了變電站（所）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
前端機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)通訊接口與監(jiān)控中心或工作站連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中監(jiān)控。前端機(jī)要遵守下行通訊協(xié)議MODBUS、上行通訊協(xié)議ICP/IP MODBUS、DC451等。
綜合保護(hù)器是集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信功能為一體的分布式微機(jī)成套保護(hù)測(cè)控裝置，并有SCADA接口，采用后可省掉電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等檢測(cè)儀表，并可大大減少二次接線，節(jié)省人力，減少故障點(diǎn)，便于檢修。

作者簡(jiǎn)介
高偉明（1982-），男，中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)一所工程師。曾參與東北地區(qū)多項(xiàng)污水處理工程和給水工程的電氣設(shè)計(jì)工作。