雷景峰，王  強，陶  濤

1  前言

    SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)技術即遠程監控和數據采集技術，是集計算機與網絡技術、通訊技術以及測量技術于一體的先進技術，其組成的SCADA系統可完成遠距離現場設備的無線監控、數據采集、傳輸和分布式管理的任務，特別適用于所監控的設備分布面廣，采用有線方式難以傳送信號數據的場所[1]。目前，SCADA系統在城鎮和企業供水管網的數據采集、監視控制以及過程控制領域正處于深入研究、廣泛應用階段。本文通過對某一工程設計的分析，全面介紹企業供水管網SCADA系統。

2  工程概況

    山西某集團公司是一個大型鋼鐵聯合企業（以下簡稱G企業）。G企業管網系統中，給水管道總長為280多公里，排水管道總長為190多公里，隨著生產規模的擴大，以及當地政府封停地下水水源以涵養地下水的政策的實施，G企業將采用黃河水作水源，深井水源作事故水源備用。同時，G企業根據“增鋼不增水”的原則，對供排水管網進行改造。改造后的管網系統能實現分質供水，分質排水。

由于現行的管理技術與手段落后，多年來沒有進行統一規劃，設計和擴建改造前未進行科學的水力計算和優化，技改的資金投入也不足，致使部分管道長期工作在不經濟的狀態下，管網流量和水壓分布不合理，或用水的水量、水壓和水質要求難以滿足，或造成水量和能量浪費，部分管道甚至年久失修，漏失嚴重或爆管機率高，直接影響供水質量和可靠性。

目前G企業將建設年產200萬噸不銹鋼項目，對管網自動化控制、信息化管理提出更高的要求：
(1)  能在調度室內對各測點的工藝參數集中檢測，并用數字顯示、連續監測和自動記錄，合理進行調度，提高供水可靠性，減少水量損耗，節約能源；
(2)  檢測速度很快，幾秒鐘內即可發出警報，以便迅速采取措施，避免發生事故；
(3)  能代替值班人員抄表和檢查設備，為自動操作創造條件。
為了達到上述目標，筆者采用了供水管網SCADA系統方案。

3  供水SCADA技術方案分析

3.1  方案一：GPRS（通用無線分組業務）技術方案

    基于GPRS技術方案的系統組成如圖1所示，管網監控點的數據通過GSM/GPRS模塊接入GSM網，然后通過電信部門和GPRS服務器將數據傳輸到國際互聯網，再通過項目部內部網絡的互聯網接入進入SCADA數據服務器。

圖1  基于GPRS技術的系統組成方案

    作為備用方式，管網監控點的數據也可通過GSM/GPRS模塊以短信息的方式發出，通過電信部門的SMS服務器發送到與SCADA數據服務器連接和GSM/GPRS模塊，再送到SCADA數據服務器。

    使用專用接入點方案需要申請一個固定的專用IP地址，各設備之間的通訊就可以直接進行，這種方式稱為虛擬專網方式。采用這種方式，各終端設備（如RTU、PLC等）通過工業級GPRS模塊連接到GPRS網絡，并經過GPRS網絡中的SGSN、GGSN以TCP/IP方式通過防火墻連接到數據服務器。該方式適用于終端設備數目眾多、每個終端設備的通訊流量都比較大的場合。

    使用CMNET接入點方式時，GPRS設備無需擁有固定的IP地址，各設備之間的通訊不是直接進行，而是通過GPRS網絡中的SGSN、GGSN連接到互聯網，而且必須使用一個被稱為DASN的設備做地址解析。該方式適合于每個終端設備數據傳輸量不大的情況。筆者選用CMNET接入點方式，能滿足企業管網的需求。

    另外，借助公用網（GSM、Internet）的數據通信能力，不但減少對通信設施的維護管理，且通信方式更標準化，效率更高（通過蜂窩技術降低發射功率和提高帶寬），SCADA系統將來可以方便地擴展到城市其它區域，也可以隨著公用網技術的提高不斷升級，且每個點每年費用只有200元左右（按每個點每分鐘發送4個16bit數據計算）。

3.2  方案二：無線數傳電臺方案

    案與基于GPRS技術的方案之不同在于無線通信的方式，無線數傳電臺工作在一個專用的頻率點，通過點對點或點對多點之間的數據傳輸。各管網監控點數據通過無線數傳電臺及定向天線定向發送，由安裝在調度中心鐵塔上全向天線接收后，通過連接于SCADA數據服務器的無線數傳電臺送入數據服務器中，如圖2所示。

圖2  基于無線數傳電臺的系統組成方案

3.3  方案比較

以上兩個方案的差別在于管網監測點與SCADA數據服務器的通信方式不同，兩種方案的比較如表1。

表1  GPRS與無線數傳電臺通信方案比較

    從表1可以看出，基于GPRS技術的通信方案具有明顯的優勢，目前GPRS/CDMA技術在工業領域的應用正在不斷普及，電信部門也將更加重視和支持該技術的應用，采用GPRS技術方案。

4  供水SCADA系統硬件組成

如圖1，基于GPRS技術的供水SCADA系統主要由調度中心、遠程監控站和通訊系統組成。

4.1  調度中心與遠程監控站

    調度中心采用以太網結構，使用的協議是TCP/IP協議，保證局域網的安全性。包括的硬件有：SCADA數據及WEB服務器、調度員工作站微機、控制微機、Ethernet交換機、7m×3m定制的大屏幕投影儀、UPS系統及其他一些必需的外用設備。

    調度中心每天24小時收集并保存來自各個管網監控站的信息，通過調度中心的軟件，可以做日志、報表、趨勢分析等，當緊急情況發生時，系統自動報警，調度員站根據實際情況，發出控制信號傳遞到遠程監控站，達到控制目的。　

    遠程監控站設在泵站和關鍵管網參數的監控點上，采用PLC作為監控核心設備。包括的硬件有：Siemens S7-200系列PLC、4路12位AI 的EM-231模擬量擴展模塊、RS232C/RS485轉換器、直流電源等。

4.2  無線通訊設備

采用GPRS通信時，各管網監控站配置一套GPRS通訊設備，數據通過GPRS進入互聯網，并通過項目部內部網絡的互聯網接入進入SCADA系統。也就是說，調度中心不是必須要配GPRS通訊設備，但是，為了提高管網數據通信的可靠性，在調度中心仍考慮配置一套GPRS通信設備作為備用通信手段。

    工業級GPRS通信機以GSM/GPRS模塊為核心，配上SIM卡及接口軟硬件等組成，可以實現互聯網接入及短信收發功能。目前常用的GSM/GPRS模塊有Siemens MC35、Motorola G18、Sony-Ericsson GM47等，而接口方式為RS232C，它們均只提供串口和擴展AT命令集，撥號及PPP網絡協議均需用戶自己實現。筆者選用Siemens MC35模塊，通過使用單片機（基于x86處理器16位處理器）實現了完整的PPP協議及上層TCP/IP協議。

5  軟件配置及其功能

5.1  應用軟件配置

    計算機操作系統及數據庫等軟件包括：IFix 3.0，無限點開發中文版組態軟件；iClientTS，用戶開發版客戶擴展軟件；Crystal Reports 8.5專業版報表軟件；STEP7-Micro/Win32 PLC編程軟件。

5.2  專業軟件開發及其功能

    供水管網監測、控制、調度等軟件的開發包括：

(1)  SCADA監控應用軟件 用于通信、監控組態、趨勢圖、報警、報表等；
(2)  數據庫接口軟件 用于數據庫管理及與GIS、水力模型等系統接口等；
(3)  模擬屏控制應用軟件 用于泵站及管網數據動態顯示及報警等；
(4)  WEB監控發布軟件 用于通過互聯網發布監控畫面與報警等；
(5)  簡易調度決策軟件 通過SCADA數據分析輔助人工調度；
(6)  PLC監控應用軟件 用于實現不同管網監控站的數據采集與控制。

6  結語

    為了達到確保給排水設備正常、安全、高效運行和維持管網設備處于最佳運行狀態的目的，必須實時了解泵站工作狀況、管網流量、壓力、管網水質等情況，經調度控制中心對資料進行整理、分析和判斷后，下達設備運行的調度指令，進行實時監控。基于SCADA技術其組成的系統能否可靠、穩定的運行，取決于所采用的硬件設備和軟件系統，建議設計原則如下：

(1)  系統硬件設備先進可靠，技術成熟，具有連接所需要的不同參數信號的功能，與現場儀表及控制執行設備的接口規范，系統采用的信息格式、接口協議等，都應符合國際標準、國家標準，系統結構簡單。
(2)  系統軟件技術成熟、可靠，操作系統及開發平臺版本較新，功能先進、齊全，組態編程簡便，易于維護。
(3)  應用軟件功能完善，實用性強，能實時地反映所需的工藝參數，人機界面友好，使用方便，操作簡潔。
(4)  整個系統性能可靠，從應用軟件層保證系統和數據安全，硬件充分考慮防雷、防盜、防靜電。
(5)  開放性擴展性強，充分考慮與其它系統的接口，并且提供二次開發平臺，能夠實現對供水系統的統一調度和管理，提高供水系統的自動化控制程度[2]。

參考文獻：
[1]  嚴煦世, 劉遂慶. 給水排水管網系統[M]. 中國建筑工業出版社, 2002, 7.
[2]  馬福軍, 朱洪林. SCADA技術在供水系統中的應用[J]. 齊魯石油化工, 2003, 31(1): 79-81.