【文章內(nèi)容簡介】 時為該部門提供供水管網(wǎng)水壓和流量的數(shù)據(jù)信息；中心控制室需要監(jiān)控整個制水過程以確保水質(zhì)和水量， SCADA 系統(tǒng)則應(yīng)為該部門提供整個凈水流程中所需實(shí)時數(shù)據(jù)信息（如水濁度、余氯、水位等） ，并賦予其制水流程系統(tǒng)的控制權(quán)限?？傊鞠到y(tǒng)應(yīng)該包含實(shí)時數(shù)據(jù)采集功能、監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)情況功能、歷史數(shù)據(jù)存儲及處理功能、報警功能、生產(chǎn)調(diào)度功能，以確保供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)、提高生產(chǎn)效率。 管理信息分析根據(jù)該供水公司的系統(tǒng)需求分析，本供水管網(wǎng) SCADA 管理信息系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究8（1）數(shù)據(jù)采集功能 根據(jù)公司生產(chǎn)調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)指揮的需求，要求系統(tǒng)對自來水管網(wǎng)及各水廠能夠數(shù)據(jù)采集以下信息：合理分布在自來水管網(wǎng)上的測壓信號（管網(wǎng)壓力） ，各水廠泵的運(yùn)行參數(shù)、電源供電情況、耗電量、當(dāng)前功率因素、水廠進(jìn)/出水量、原水濁度、出廠水濁度、余氯、PH 值等。（2）數(shù)據(jù)傳輸功能將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，或直接或通過各生產(chǎn)調(diào)度分系統(tǒng)，實(shí)時地傳遞到生產(chǎn)調(diào)度中心主系統(tǒng)。（3）數(shù)據(jù)顯示及分析功能生產(chǎn)調(diào)度中心主系統(tǒng)將獲得的個類信息及數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、加工直觀地、動畫地顯示出來，供生產(chǎn)調(diào)度指揮人員使用。（4）報警功能系統(tǒng)可對各水廠機(jī)泵運(yùn)行異常，如電壓、電流的不足或過載等，管網(wǎng)壓力不足或超限進(jìn)行及時報警。（5）歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能根據(jù)公司生產(chǎn)調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)指揮，和檢索、查詢及分析歷史數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能。（6）報表顯示及打印功能系統(tǒng)可自動生成各種生產(chǎn)情況的日月年報表，并可隨時打印。 （7）遙控功能根據(jù)公司生產(chǎn)調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)指揮的需求，系統(tǒng)操作人員可在生產(chǎn)調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)對有關(guān)水泵實(shí)現(xiàn)開停遙控。（8） 網(wǎng)絡(luò)功能將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，供其他系統(tǒng)使用。 系統(tǒng)性能分析本系統(tǒng)是在 GIS（城市供配水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)）基礎(chǔ)上開發(fā)的，在該系統(tǒng)的設(shè)計及建設(shè)當(dāng)中，應(yīng)滿足以下原則： （1）可靠性原則廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究9可靠性原則指系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的容錯能力以及處理突發(fā)事件的能力，即發(fā)生突發(fā)事件時，不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者系統(tǒng)癱瘓，同時還要保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確可靠，這個原則是本系統(tǒng)最核心的原則。（2）實(shí)用性原則 實(shí)用性原則指系統(tǒng)應(yīng)盡可能地滿足供配水業(yè)務(wù)需求且靈活實(shí)用，該原則體現(xiàn)在能夠便于系統(tǒng)管理、用戶應(yīng)用、數(shù)據(jù)更新以及系統(tǒng)升級等方面，同時還體現(xiàn)在具有完善的數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及靈活簡便的用戶界面上。該原則是系統(tǒng)設(shè)計的基本出發(fā)點(diǎn)和最高要求。 （3）經(jīng)濟(jì)性原則 經(jīng)濟(jì)性原則指在保證各項(xiàng)功能完滿實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，以最好的性價比來配置系統(tǒng)的軟件和硬件，甲乙雙方共同合作，在較短時間內(nèi)完成系統(tǒng)的建立，使系統(tǒng)盡快發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。 （4）科學(xué)性原則 科學(xué)性原則指系統(tǒng)應(yīng)采用“供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”仿真和優(yōu)化供水管網(wǎng)，因此在設(shè)計與開發(fā)系統(tǒng)時，應(yīng)以“軟件工程”的思想及方法來構(gòu)建該系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有科學(xué)性和合理性。 （5）開放性原則開放性原則指系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的兼容性及拓展性，若開發(fā)系統(tǒng)軟件時采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和控件技術(shù)，今后能方便地重構(gòu)和搭建系統(tǒng)，同時也便于系統(tǒng)不斷地擴(kuò)充和完善。（6）完備性原則完備性原則指系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)應(yīng)是全面的、完整的，且能夠最大限度地滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能的需要。（7）規(guī)范性原則規(guī)范性原則指系統(tǒng)各項(xiàng)功能應(yīng)符合供水公司供配水管網(wǎng)的管理要求，信息編碼應(yīng)遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方或國家頒布實(shí)施的規(guī)范。 （8）可操作性原則可操作性原則指系統(tǒng)應(yīng)有良好的用戶界面，用戶操作簡便、易學(xué)易懂、靈活且符合供水行業(yè)的實(shí)際工作模式。（9）先進(jìn)性原則廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究10先進(jìn)性原則體現(xiàn)在設(shè)計系統(tǒng)和硬件配置時，應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)今后的發(fā)展和升級，讓系統(tǒng)具備一定的擴(kuò)展能力，盡量采用先進(jìn)的應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)。 系統(tǒng)的開發(fā)步驟本供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的開發(fā)將分可行性研究分析階段、初步設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段、系統(tǒng)實(shí)施階段、系統(tǒng)測試階段、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)階段六個步驟進(jìn)行，開發(fā)系統(tǒng)時不是完全按照這六個階段的先后順序直線進(jìn)行的，而是發(fā)現(xiàn)一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者不足之處時，都要回到相應(yīng)的階段進(jìn)行修改和完善。SCADA 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟流程如圖 所示。圖 SCADA 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)步驟流程圖廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究11 供 水 管 網(wǎng) SCADA系 統(tǒng) 的 架 構(gòu) 設(shè) 計 SCADA 系統(tǒng)的構(gòu)成在供水管網(wǎng)中引入 SCADA 系統(tǒng)可以實(shí)時有效地對供水過程進(jìn)行監(jiān)控與管理，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 SCADA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖從上圖中可知，SCADA 系統(tǒng)主要包含三部分：第一部分是主站系統(tǒng)（上位機(jī)） ，包括管理層、數(shù)據(jù)存儲分析層及 SCADA 監(jiān)控層，負(fù)責(zé)監(jiān)控現(xiàn)場控制系統(tǒng)；第二部分是現(xiàn)場控制系統(tǒng)（下位機(jī)） ，負(fù)責(zé)采集相關(guān)數(shù)據(jù)（如管網(wǎng)水壓情況等） ，以及對現(xiàn)場設(shè)備（如水泵）的控制；第三個部分?jǐn)?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)主站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部的通信，現(xiàn)場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信，以及主站系統(tǒng)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)之間的通信。雖然 SCADA 系統(tǒng)的這三個組成部分功能不同，但是在 SCADA 系統(tǒng)中采用的“集中管理、分散控制”的構(gòu)思，保證了各系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，并具有較強(qiáng)的安全性。因此，這三者有效的集成構(gòu)成了具有強(qiáng)大功能的 SCADA 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對整個供水過程的有效監(jiān)控。廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究12 SCADA 系統(tǒng)的主站系統(tǒng)設(shè)計SCADA 系統(tǒng)的主站系統(tǒng)一般包括硬件系統(tǒng)部分及軟件系統(tǒng)部分。硬件系統(tǒng)包括由計算機(jī)組成的工程師工作站、管理者工作站、操作員工作站、WEB 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、通訊前置系統(tǒng)等。各部分的功能如下：（1） 工程師工作站：負(fù)責(zé)組態(tài)制作及系統(tǒng)的維護(hù)工作；（2） 生產(chǎn)調(diào)度工作站：負(fù)責(zé)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管理，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行；（3） 監(jiān)控工作站：負(fù)責(zé)監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，為生產(chǎn)調(diào)度中心提供現(xiàn)場信息，并根據(jù)調(diào)度指令控制現(xiàn)場設(shè)備；（4） WEB 服務(wù)器：提供網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù)；（5） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：保存歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)的服務(wù)器；（6） 通訊前置系統(tǒng)：主要用于解析各種不同的通訊協(xié)議，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理，包括計算機(jī)、MONDEN、串口、網(wǎng)絡(luò)接口、防雷設(shè)備、機(jī)架等。開發(fā) SCADA 軟件系統(tǒng)常用的系統(tǒng)平臺及工具有：Windows、UNIX、Linux 操作系統(tǒng)平臺，Oracle、Sybase、SQL Server 數(shù)據(jù)庫平臺，VB、VC++開發(fā)語言。本 SCADA 軟件系統(tǒng)的開發(fā)基于 Windows 操作系統(tǒng)平臺，采用 進(jìn)行前臺開發(fā)，SOL Server 進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測及優(yōu)化算法，并具有人機(jī)對話環(huán)境、精致的動態(tài)圖形界面。 SCADA 主站軟件管理系統(tǒng)包括 8 個管理子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖 所示。圖 SCADA 主站軟件管理系統(tǒng)框圖（1） 地形圖庫管理子系統(tǒng)地形圖庫管理子系統(tǒng)管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)管網(wǎng)報警管理子系統(tǒng)管網(wǎng)事故處理子系統(tǒng)管網(wǎng)維護(hù)管理子系統(tǒng)管網(wǎng)通訊管理子系統(tǒng)管網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度子系統(tǒng)SCADA 主站軟件管理系統(tǒng)廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究13地形圖庫管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)開發(fā) SCADA 系統(tǒng)的監(jiān)控界面，開發(fā)人員可以利用該系統(tǒng)建立地形圖庫，亦可將所需數(shù)據(jù)信息以圖形、報表等直觀方式呈現(xiàn)給管理人員，以實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前系統(tǒng)的工作情況、生產(chǎn)調(diào)度情況的實(shí)時監(jiān)控。在該系統(tǒng)中，管理人員有權(quán)輸入并編輯圖形和數(shù)據(jù)信息，并可以檢索、查詢和比較相關(guān)數(shù)據(jù)信息，最終達(dá)到全面了解和詳細(xì)分析管網(wǎng)信息的目的。（2） 管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)包含實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)存儲實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)信息，以方便管理人員隨時可以掌握實(shí)時數(shù)據(jù)信息；歷史數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析工作，以幫助管理人員了解及分析過去的工作情況；關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)建立相關(guān)數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。 （3） 管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng) 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、顯示、分析、打印等功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集控制中心所需的數(shù)據(jù)信息，例如管網(wǎng)水壓信息、水泵的運(yùn)行參數(shù)、能耗、進(jìn)出水量、PH 值、余氯、濁度等；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時傳送給控制中心，可采用有線或無線方式；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將獲取到的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析以及加工，以形象、生動、直觀的方式呈現(xiàn)給控制中心，以幫助管理人員監(jiān)控遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備，管理人員也可根據(jù)需要可以將數(shù)據(jù)信息以圖形或報表的方式打印存檔。（4） 管網(wǎng)報警子系統(tǒng) 報警子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控水泵運(yùn)行情況及水壓是否正常，若水泵電壓、電流出現(xiàn)不足或過載、水壓不足或超限的情況，系統(tǒng)則會自動報警。（5） 管網(wǎng)事故處理子系統(tǒng)事故處理子系統(tǒng)包括火災(zāi)事故處理及爆管事故處理兩個模塊。在城市突發(fā)火災(zāi)情況下，火災(zāi)事故處理模塊幫助消防部門尋找到距離失火點(diǎn)最近且可用的消防栓。若供水管網(wǎng)出現(xiàn)突發(fā)爆管漏水事故時，爆管事故處理模塊能夠根據(jù)爆管點(diǎn)制定出有效的處理方案，排除故障。（6） 管網(wǎng)維護(hù)子系統(tǒng)管網(wǎng)維護(hù)子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)軟硬件的正常運(yùn)行，以保證系統(tǒng)的正常工作。廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究14（7） 管網(wǎng)通訊子系統(tǒng)管網(wǎng)通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給控制中心服務(wù)器，供其他系統(tǒng)使用。（8） 管網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度子系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度子系統(tǒng)利用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化管網(wǎng)控制系統(tǒng)，合理調(diào)度各個水泵站的水泵組，以達(dá)到科學(xué)有效調(diào)度水資源的目的，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立一般基于歷史數(shù)據(jù)。 SCADA 系統(tǒng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計SCADA 系統(tǒng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)一般由現(xiàn)場監(jiān)控站、PLC 控制分站及通訊網(wǎng)絡(luò)三部分所組成，該系統(tǒng)部分的設(shè)計包括以上三部分，PLC 控制分站在整個現(xiàn)場控制系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，其性能將直接影響整個控制系統(tǒng)，其設(shè)計流程如圖 所示。圖 現(xiàn)場控制系統(tǒng) PLC 控制分站設(shè)計流程框圖本系統(tǒng)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖 所示。廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究15如圖 現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計框圖在設(shè)計現(xiàn)場控制級時，必須考慮以下三個方面：一，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；二，投入資金有效合理；三，在滿足以上兩個條件的前提下，應(yīng)具有一定的前瞻性，今后若生產(chǎn)工藝發(fā)生改變，PLC 控制分站應(yīng)有一定的拓展空間，因此 PLC 控制分站的設(shè)置以及選型非常重要。 SCADA 系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計通信系統(tǒng)在 SCADA 系統(tǒng)中極為重要，它可以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時可靠傳輸以及控制命令的準(zhǔn)確傳達(dá)。一個大中型的 SCADA 系統(tǒng)一般包含多層次的通信網(wǎng)絡(luò)，且通信形式多種多樣。對于本 SCADA 系統(tǒng)而言，應(yīng)根據(jù)該供水公司的生產(chǎn)工藝流程以及實(shí)際情況選用合適的通信系統(tǒng)。由于該供水公司需要監(jiān)控的管網(wǎng)測壓點(diǎn)地域分散，因此需要采用無線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測管網(wǎng)水壓；現(xiàn)場控制站點(diǎn)需要測試數(shù)據(jù)信息數(shù)量多、控制設(shè)備種類多，則采用現(xiàn)場總線通信方式；控制中心采用以太網(wǎng)；控制中心與現(xiàn)場控制站點(diǎn)之間采用有線通信方式。 SCADA 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端單元系統(tǒng)設(shè)計SCADA 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端單元系統(tǒng)還包括各類檢測儀表和執(zhí)行設(shè)備，如 PAC、智能儀表、可編程邏輯控制器 PLC、遠(yuǎn)程終端設(shè)備 RTU 等，它從屬于現(xiàn)場控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中起著重要作用，一般由各智能節(jié)點(diǎn)所組成，它的功能是采集測控點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)、直接控制現(xiàn)場設(shè)備或生產(chǎn)過程。遠(yuǎn)程終端裝置 RTU（Remote Terminal Unit)，是構(gòu)成企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)（SAS/SCADA）的核心專置；通常 RTU 是由信號輸入/出模塊、微處理器、有線/無線通訊設(shè)備、電源及外殼等組成，RTU 本身是由微處理器控制的，它能夠根據(jù)主計算機(jī)系統(tǒng)廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC 的供水管網(wǎng) SCADA 系統(tǒng)的研究16的請求，通過通訊介質(zhì)向主計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送或接收信號、查詢和控制,RTU 的操作（其中包括數(shù)據(jù)庫修改、調(diào)整參數(shù)、全面的遠(yuǎn)程診斷等）,RTU 支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也可以在正常執(zhí)行其他任務(wù)的情況下，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；它通過自身的軟件（或智能軟件）系統(tǒng)，可較好地實(shí)現(xiàn)企業(yè)中央監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)對生產(chǎn)現(xiàn)場一次儀表的遙測、遙控、遙信和遙調(diào)等功能。隨著科技的進(jìn)步，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的智能儀表和 RTU 在遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，本系統(tǒng)也大量采用了這類遠(yuǎn)程終端設(shè)備。 本 章 小 結(jié)廣西大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 基于 PLC