控制网

雷景峰，王  强，陶  涛

1  前言

    SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)技术即远程监控和数据采集技术，是集计算机与网络技术、通讯技术以及测量技术于一体的先进技术，其组成的SCADA系统可完成远距离现场设备的无线监控、数据采集、传输和分布式管理的任务，特别适用于所监控的设备分布面广，采用有线方式难以传送信号数据的场所[1]。目前，SCADA系统在城镇和企业供水管网的数据采集、监视控制以及过程控制领域正处于深入研究、广泛应用阶段。本文通过对某一工程设计的分析，全面介绍企业供水管网SCADA系统。

2  工程概况

    山西某集团公司是一个大型钢铁联合企业（以下简称G企业）。G企业管网系统中，给水管道总长为280多公里，排水管道总长为190多公里，随着生产规模的扩大，以及当地政府封停地下水水源以涵养地下水的政策的实施，G企业将采用黄河水作水源，深井水源作事故水源备用。同时，G企业根据“增钢不增水”的原则，对供排水管网进行改造。改造后的管网系统能实现分质供水，分质排水。

由于现行的管理技术与手段落后，多年来没有进行统一规划，设计和扩建改造前未进行科学的水力计算和优化，技改的资金投入也不足，致使部分管道长期工作在不经济的状态下，管网流量和水压分布不合理，或用水的水量、水压和水质要求难以满足，或造成水量和能量浪费，部分管道甚至年久失修，漏失严重或爆管机率高，直接影响供水质量和可靠性。

目前G企业将建设年产200万吨不锈钢项目，对管网自动化控制、信息化管理提出更高的要求：
(1)  能在调度室内对各测点的工艺参数集中检测，并用数字显示、连续监测和自动记录，合理进行调度，提高供水可靠性，减少水量损耗，节约能源；
(2)  检测速度很快，几秒钟内即可发出警报，以便迅速采取措施，避免发生事故；
(3)  能代替值班人员抄表和检查设备，为自动操作创造条件。
为了达到上述目标，笔者采用了供水管网SCADA系统方案。

3  供水SCADA技术方案分析

3.1  方案一：GPRS（通用无线分组业务）技术方案

    基于GPRS技术方案的系统组成如图1所示，管网监控点的数据通过GSM/GPRS模块接入GSM网，然后通过电信部门和GPRS服务器将数据传输到国际互联网，再通过项目部内部网络的互联网接入进入SCADA数据服务器。

图1  基于GPRS技术的系统组成方案

    作为备用方式，管网监控点的数据也可通过GSM/GPRS模块以短信息的方式发出，通过电信部门的SMS服务器发送到与SCADA数据服务器连接和GSM/GPRS模块，再送到SCADA数据服务器。

    使用专用接入点方案需要申请一个固定的专用IP地址，各设备之间的通讯就可以直接进行，这种方式称为虚拟专网方式。采用这种方式，各终端设备（如RTU、PLC等）通过工业级GPRS模块连接到GPRS网络，并经过GPRS网络中的SGSN、GGSN以TCP/IP方式通过防火墙连接到数据服务器。该方式适用于终端设备数目众多、每个终端设备的通讯流量都比较大的场合。

    使用CMNET接入点方式时，GPRS设备无需拥有固定的IP地址，各设备之间的通讯不是直接进行，而是通过GPRS网络中的SGSN、GGSN连接到互联网，而且必须使用一个被称为DASN的设备做地址解析。该方式适合于每个终端设备数据传输量不大的情况。笔者选用CMNET接入点方式，能满足企业管网的需求。

    另外，借助公用网（GSM、Internet）的数据通信能力，不但减少对通信设施的维护管理，且通信方式更标准化，效率更高（通过蜂窝技术降低发射功率和提高带宽），SCADA系统将来可以方便地扩展到城市其它区域，也可以随着公用网技术的提高不断升级，且每个点每年费用只有200元左右（按每个点每分钟发送4个16bit数据计算）。

3.2  方案二：无线数传电台方案

    案与基于GPRS技术的方案之不同在于无线通信的方式，无线数传电台工作在一个专用的频率点，通过点对点或点对多点之间的数据传输。各管网监控点数据通过无线数传电台及定向天线定向发送，由安装在调度中心铁塔上全向天线接收后，通过连接于SCADA数据服务器的无线数传电台送入数据服务器中，如图2所示。

图2  基于无线数传电台的系统组成方案

3.3  方案比较

以上两个方案的差别在于管网监测点与SCADA数据服务器的通信方式不同，两种方案的比较如表1。

表1  GPRS与无线数传电台通信方案比较

    从表1可以看出，基于GPRS技术的通信方案具有明显的优势，目前GPRS/CDMA技术在工业领域的应用正在不断普及，电信部门也将更加重视和支持该技术的应用，采用GPRS技术方案。

4  供水SCADA系统硬件组成

如图1，基于GPRS技术的供水SCADA系统主要由调度中心、远程监控站和通讯系统组成。

4.1  调度中心与远程监控站

    调度中心采用以太网结构，使用的协议是TCP/IP协议，保证局域网的安全性。包括的硬件有：SCADA数据及WEB服务器、调度员工作站微机、控制微机、Ethernet交换机、7m×3m定制的大屏幕投影仪、UPS系统及其他一些必需的外用设备。

    调度中心每天24小时收集并保存来自各个管网监控站的信息，通过调度中心的软件，可以做日志、报表、趋势分析等，当紧急情况发生时，系统自动报警，调度员站根据实际情况，发出控制信号传递到远程监控站，达到控制目的。　

    远程监控站设在泵站和关键管网参数的监控点上，采用PLC作为监控核心设备。包括的硬件有：Siemens S7-200系列PLC、4路12位AI 的EM-231模拟量扩展模块、RS232C/RS485转换器、直流电源等。

4.2  无线通讯设备

采用GPRS通信时，各管网监控站配置一套GPRS通讯设备，数据通过GPRS进入互联网，并通过项目部内部网络的互联网接入进入SCADA系统。也就是说，调度中心不是必须要配GPRS通讯设备，但是，为了提高管网数据通信的可靠性，在调度中心仍考虑配置一套GPRS通信设备作为备用通信手段。

    工业级GPRS通信机以GSM/GPRS模块为核心，配上SIM卡及接口软硬件等组成，可以实现互联网接入及短信收发功能。目前常用的GSM/GPRS模块有Siemens MC35、Motorola G18、Sony-Ericsson GM47等，而接口方式为RS232C，它们均只提供串口和扩展AT命令集，拨号及PPP网络协议均需用户自己实现。笔者选用Siemens MC35模块，通过使用单片机（基于x86处理器16位处理器）实现了完整的PPP协议及上层TCP/IP协议。

5  软件配置及其功能

5.1  应用软件配置

    计算机操作系统及数据库等软件包括：IFix 3.0，无限点开发中文版组态软件；iClientTS，用户开发版客户扩展软件；Crystal Reports 8.5专业版报表软件；STEP7-Micro/Win32 PLC编程软件。

5.2  专业软件开发及其功能

    供水管网监测、控制、调度等软件的开发包括：

(1)  SCADA监控应用软件 用于通信、监控组态、趋势图、报警、报表等；
(2)  数据库接口软件 用于数据库管理及与GIS、水力模型等系统接口等；
(3)  模拟屏控制应用软件 用于泵站及管网数据动态显示及报警等；
(4)  WEB监控发布软件 用于通过互联网发布监控画面与报警等；
(5)  简易调度决策软件 通过SCADA数据分析辅助人工调度；
(6)  PLC监控应用软件 用于实现不同管网监控站的数据采集与控制。

6  结语

    为了达到确保给排水设备正常、安全、高效运行和维持管网设备处于最佳运行状态的目的，必须实时了解泵站工作状况、管网流量、压力、管网水质等情况，经调度控制中心对资料进行整理、分析和判断后，下达设备运行的调度指令，进行实时监控。基于SCADA技术其组成的系统能否可靠、稳定的运行，取决于所采用的硬件设备和软件系统，建议设计原则如下：

(1)  系统硬件设备先进可靠，技术成熟，具有连接所需要的不同参数信号的功能，与现场仪表及控制执行设备的接口规范，系统采用的信息格式、接口协议等，都应符合国际标准、国家标准，系统结构简单。
(2)  系统软件技术成熟、可靠，操作系统及开发平台版本较新，功能先进、齐全，组态编程简便，易于维护。
(3)  应用软件功能完善，实用性强，能实时地反映所需的工艺参数，人机界面友好，使用方便，操作简洁。
(4)  整个系统性能可靠，从应用软件层保证系统和数据安全，硬件充分考虑防雷、防盗、防静电。
(5)  开放性扩展性强，充分考虑与其它系统的接口，并且提供二次开发平台，能够实现对供水系统的统一调度和管理，提高供水系统的自动化控制程度[2]。

参考文献：
[1]  严煦世, 刘遂庆. 给水排水管网系统[M]. 中国建筑工业出版社, 2002, 7.
[2]  马福军, 朱洪林. SCADA技术在供水系统中的应用[J]. 齐鲁石油化工, 2003, 31(1): 79-81.