摘要：本文介紹了天津港保稅區(qū)供水SCADA系統(tǒng)的建立過程，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、通訊方式、監(jiān)控點位置和數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行了設(shè)計。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，重點對系統(tǒng)內(nèi)水泵與閘閥的控制、供水管網(wǎng)中自控調(diào)節(jié)閥的控制及布置原則進(jìn)行了研究。
　　　　
　　天津港保稅區(qū)(以下簡稱保稅區(qū))開發(fā)建設(shè)近10年來，隨著區(qū)內(nèi)外資企業(yè)的日益增多，現(xiàn)為1×104m3/d的供水量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求，它已成為保稅區(qū)發(fā)展的瓶頸。另外現(xiàn)有管網(wǎng)缺乏實時監(jiān)測信息，使傳統(tǒng)的經(jīng)驗調(diào)度缺乏科學(xué)依據(jù)。為此，保稅區(qū)政府決定在原有供水系統(tǒng)基礎(chǔ)上新辟自來水水源并增建1座3.5×104m3/d的加壓泵站及配套設(shè)施，同時建立、開發(fā)供水SCADA系統(tǒng)。
　　
　　1、供水系統(tǒng)規(guī)劃
　　
　　保稅區(qū)規(guī)劃的輸配水系統(tǒng)由四個水源供水，分別來自塘沽自來水四水廠、開發(fā)區(qū)水廠、港務(wù)局水廠以及區(qū)內(nèi)深井泵站。目前保稅區(qū)用水主要由塘沽自來水四水廠提供。加壓泵站建成后，開發(fā)區(qū)水廠將成為另一主要水源。區(qū)內(nèi)深井泵站作為備用水源。加壓泵站內(nèi)設(shè)有MD1000RTU現(xiàn)場控制站，可對水泵的流量、壓力、開停狀態(tài)、電機(jī)電流等泵站信息進(jìn)行實時監(jiān)測。同時，考慮到保稅區(qū)是新開發(fā)的區(qū)域，面積小而易于布點監(jiān)控，故在管網(wǎng)關(guān)鍵點、zui不利點處設(shè)置測流點、壓力監(jiān)控點，由MD3311RTU采集其流量、壓力、余氯等實時數(shù)據(jù)。另外在管網(wǎng)上還設(shè)置了自控調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥的開啟度使管網(wǎng)上的壓力分布均勻。
　　
　　2、SCADA系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　為實現(xiàn)“、、低耗、安全”的供水目標(biāo)并創(chuàng)造zui大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，應(yīng)建立開放性好、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)的供水監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。
　　
　　2.1設(shè)計原則
　　
　?、俨捎脴?biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化的計算機(jī)硬件產(chǎn)品。
　　
　　②采用符合標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的成熟可靠的軟件產(chǎn)品。軟件要具有良好的模塊化以及標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)接口，便于組成各種規(guī)模的系統(tǒng)及產(chǎn)品和技術(shù)的更新?lián)Q代。
　　
　?、鄄捎弥悄芑钥卦O(shè)備，保證實時數(shù)據(jù)傳遞的快速、準(zhǔn)確、有效、完整。
　　
　　2.2監(jiān)控點與自控閥布置
　　
　　要實現(xiàn)對保稅區(qū)給水管網(wǎng)的計算機(jī)模擬和優(yōu)化調(diào)度管理，必須了解給水管網(wǎng)的運(yùn)行工況，掌握管網(wǎng)的動態(tài)信息，為優(yōu)化調(diào)度模型提供必要的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。另外，通過觀察監(jiān)控點的異常變化，可推斷事故發(fā)生情況，從而了解非正常的壓力分布情況及由此造成的影響。為此在管網(wǎng)上設(shè)置了12個測壓點、10個測流點、12個自動調(diào)節(jié)閥。通過MD3311RTU采集的流量、壓力、自控調(diào)節(jié)閥開啟度等信息推求出其余狀態(tài)變量，進(jìn)而確定管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化調(diào)度提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　
　?、俟芫W(wǎng)測壓點、測流點的選擇
　　
　　管網(wǎng)中的測壓點、測流點應(yīng)具有代表性。測壓點在管網(wǎng)末端布置得要多一些，而測流點則應(yīng)靠近管網(wǎng)前端，末端小管徑上的流量變化對管網(wǎng)影響不大，故DN200管線上只設(shè)壓力表，不設(shè)流量計。流量計選用超聲波流量計，分移動和固定兩種安裝方式。固定式數(shù)量較少，用于環(huán)境條件好、重點監(jiān)測的管段，移動式則便于按需要監(jiān)測管段流量掌握管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。
　　
　?、谧詣诱{(diào)節(jié)閥的布置
　　
　　由于各水源出站壓力一般在343～372.4kPa，管網(wǎng)末端壓力一般要求在274.4kPa左右，基本上可滿足用戶壓力要求，但在一些管網(wǎng)末端死角不易達(dá)到要求，如果增加出廠壓力，則電耗及管道漏水率增加，降低了供水系統(tǒng)的效率。為解決此問題，考慮在管網(wǎng)上設(shè)置自動調(diào)節(jié)閥(以下簡稱自控閥)，既可滿足用戶水壓要求，又可通過調(diào)節(jié)閥門的開啟度來調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力，使整個管網(wǎng)壓力分布均衡。自控閥的位置不同會有不同的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，在考慮自控調(diào)節(jié)閥位置時，遵循了以下原則：
　　
　　a.對水量小、利用率低的港務(wù)局水廠及區(qū)內(nèi)深井泵站不設(shè)自控閥，而利用泵站內(nèi)的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。開發(fā)區(qū)水廠來水進(jìn)入新建加壓泵站，泵站內(nèi)有兩臺調(diào)速泵，不*造價高的自控閥，采用價格比較低的開/關(guān)閥同樣能起到調(diào)節(jié)作用。塘沽自來水四水廠來水通過兩條輸水管線直接進(jìn)入管網(wǎng)，在每條管線上設(shè)置DN300、DN400自控閥各一個。
　　
　　b.考慮到大管徑上閥門主要用于檢修，不經(jīng)常調(diào)度，而且管徑大、造價高，故不采用DN600自控閥。DN200管線基本在管網(wǎng)末端，流量較小，故DN200管線上的自控閥不做調(diào)節(jié)使用，而主要把閥布置在DN300、DN400的中等管徑上及多水源交匯處，讓自控閥真正發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。
　　
　　3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　整個系統(tǒng)由SCADA控制中心和MD1000RTU站控系統(tǒng)及MD3311RTU管網(wǎng)監(jiān)控點等站點組成，并通過各自的通信裝置傳送數(shù)據(jù)或指令。系統(tǒng)對各測控對象的監(jiān)控由測控單元實現(xiàn)。　　　　
　　3.1硬件系統(tǒng)
　　
　　兩臺互為熱備份的SCADA監(jiān)控主機(jī)服務(wù)器存儲實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可同時在線工作并均衡分擔(dān)系統(tǒng)計算的負(fù)荷，保證系統(tǒng)的高可靠性，這比傳統(tǒng)的主—從備份式結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。兩臺終端服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通訊用機(jī)，通過集線器完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)視器可通過圖形用戶界面GUI訪問SCADA數(shù)據(jù)庫中所有的數(shù)據(jù)庫，并可通過報表方式顯示時間信息和報警信息，使用歷史數(shù)據(jù)庫來顯示歷史和趨勢數(shù)據(jù)。大屏幕投影儀用于系統(tǒng)應(yīng)用圖形的高清晰度實時顯示與監(jiān)視。所有發(fā)生的報警事件均能通過A3網(wǎng)絡(luò)激光打印機(jī)在線自動打印，并帶有時間標(biāo)簽和報警原因。
　　
　　3.2軟件系統(tǒng)
　　
　　操作系統(tǒng)平臺：WindowsNT；
　　
　　數(shù)據(jù)庫平臺：MOSAICROBMS；
　　
　　應(yīng)用軟件：監(jiān)控軟件MOSAIC，它是高度模塊化、可組態(tài)的、分布式的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，具有實時的、面向?qū)ο蟮摹⒎植缄P(guān)系式型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，同時采用“容錯”技術(shù)來保證系統(tǒng)高可靠性；
　　
　　數(shù)據(jù)庫：主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分構(gòu)成。SCADA包括所有組態(tài)數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)；Event包括報警和事件；Authority存放安全信息；History存儲歷史數(shù)據(jù)作為備份；Dispatch用于數(shù)據(jù)分布，確保數(shù)據(jù)同步。
　　
　　3.3通訊系統(tǒng)
　　
　　目前SCADA系統(tǒng)的通訊方式主要有兩種：有線和無線。無線方式主要通過無線數(shù)傳電臺構(gòu)成通信網(wǎng)，但存在著電臺設(shè)備的更新和傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸檢錯、糾錯能力等問題，其可靠性和有效性有待提高。而有線網(wǎng)通訊技術(shù)的研究目前有了突破性進(jìn)展，特別是INTERNET的發(fā)展使有線網(wǎng)的應(yīng)用走向更深層次，可利用率更高，發(fā)展前景較好，所以保稅區(qū)的供水SCADA系統(tǒng)采用有線方式進(jìn)行通訊。其中，SCADA控制中心與MD1000站控系統(tǒng)的通訊采用雙以太局域網(wǎng)，通過DNP3完成；而控制中心與MD3311RTU的通訊則利用Modem，通過RS232共享器完成，這樣的設(shè)計保證了系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　4、系統(tǒng)功能
　　
　　4.1實時遙測、遙信
　　
　　SCADA系統(tǒng)能夠掃描RTU，對調(diào)度所需的多種參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，使調(diào)度人員能及時、準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)工況，為優(yōu)化調(diào)度軟件在“規(guī)則集”中作出選擇，提供數(shù)據(jù)依據(jù)。數(shù)據(jù)種類分為模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、開關(guān)量輸入(DI)、開關(guān)量輸出(DO)四種。MD1000RTU主要監(jiān)控泵站內(nèi)水泵、電機(jī)、閘閥等的工作狀態(tài)以及壓力、流量和余氯等實時數(shù)據(jù)。MD3311RTU主要監(jiān)控管網(wǎng)上各監(jiān)控點壓力、流量及閥門的開啟度等，通過遙控管網(wǎng)上主要閥門的開啟度來優(yōu)化管網(wǎng)壓力和流量。
　　
　　4.2分析、管理實時和歷史數(shù)據(jù)
　　
　?、賁CADA系統(tǒng)可將采集到的實時數(shù)據(jù)在歷史數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲，同時還能監(jiān)視從RTU返回的信息，并更新鏈路狀態(tài)，使得操作員能夠監(jiān)視和識別通信故障，以便確定RTU的工作狀態(tài)。
　　
　?、趯Σ杉母黝悓崟r數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中有3種數(shù)據(jù)，分別是數(shù)字量、模擬量和控制量，通過MD1000RTU和MD3311RTU的現(xiàn)場接口卡模塊完成各類數(shù)據(jù)的輸入和輸出。對歷史數(shù)據(jù)不但記錄其數(shù)值，還記錄其狀態(tài)，表明該數(shù)據(jù)是否有效，根據(jù)其狀態(tài)來確定是否參加運(yùn)算。
　　
　?、劬哂惺鹿史治雠c記錄、越限報警功能。SCADA除對各管網(wǎng)監(jiān)控點、泵站進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集外，還要檢驗它們是否超過各自的運(yùn)行極限、安全極限或設(shè)備極限，如有越限則報警并作出相應(yīng)處理。
　　
　?、芡ㄟ^對操作員設(shè)置不同級別的數(shù)據(jù)使用與瀏覽等權(quán)限，保證數(shù)據(jù)的安全性。
　　
　　⑤SCADA系統(tǒng)還可實現(xiàn)多種曲線繪制、圖表顯示、報表的統(tǒng)計和打印等功能，方便調(diào)度人員查詢了解。
　　
　　4.3決策與控制
　　
　　RTU采集的管網(wǎng)、泵站等的實時數(shù)據(jù)可作為優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由優(yōu)化調(diào)度程序進(jìn)行分析，作出決策并向RTU發(fā)出控制指令，RTU根據(jù)指令作出相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)泵和閥的自動化控制。
　　
　?、偎玫淖詣涌刂?br />　　
　　a.單泵開、停自動控制優(yōu)化調(diào)度軟件向RTU發(fā)出開泵命令后，RTU對開泵條件進(jìn)行一一檢測，如水泵是否處于停泵狀態(tài)且停泵時間＞6min、清水池液位是否在預(yù)警水位以下、管路上各閥門是否具備開泵條件等，如條件不滿足，RTU會報警并向MOSICA返回“錯誤”信息。如果開的是調(diào)速泵，RTU則會要求給定轉(zhuǎn)速，然后執(zhí)行調(diào)速泵的自動控制。停泵的控制過程與開泵類似。另外，為使泵處于*運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)還設(shè)計了定速泵和調(diào)速泵運(yùn)行時的保護(hù)程序，以延長水泵的使用壽命，使其能發(fā)揮zui大的工作效率。
　　
　　b.泵組合優(yōu)化控制
　　
　　新建加壓泵站采用5臺水泵(3定2調(diào))聯(lián)合工作，在各水泵運(yùn)行工況滿足管網(wǎng)的水量、揚(yáng)程要求時，通過兩根輸水管直接向管網(wǎng)供水。根據(jù)管網(wǎng)的不同用水要求，優(yōu)化調(diào)度軟件會在泵組合“規(guī)則集”中進(jìn)行選擇后，向RTU發(fā)出進(jìn)一步的優(yōu)化控制指令(如調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速等)，RTU根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)動作。
　　
　?、陂y的自動控制
　　
　　系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對泵站內(nèi)開關(guān)型閥的遙控，而且實現(xiàn)了對管網(wǎng)上自動調(diào)節(jié)閥的遙控、遙調(diào)。對前者的遙控主要是配合水泵的開、停進(jìn)行自動控制，而對后者的遙控、遙調(diào)可實現(xiàn)管網(wǎng)壓力平衡和對爆管時的自動關(guān)閥處理。當(dāng)管網(wǎng)局部壓力達(dá)不到要求時，優(yōu)化調(diào)度軟件會根據(jù)管網(wǎng)仿真模型計算得出的各測壓點壓力，給出閥門開啟度控制指令，RTU執(zhí)行指令，通過調(diào)節(jié)閥門開啟度實現(xiàn)管網(wǎng)壓力平衡，從而避免因局部壓力不滿足要求而增加水泵數(shù)量。若管網(wǎng)中出現(xiàn)爆管事故，RTU會監(jiān)測到并反饋某一測壓點壓力突然下降的信息，根據(jù)該監(jiān)測點的編號在數(shù)據(jù)庫中搜尋其附近自控閥，迅速定位并作出關(guān)閥方案，使能量損失zui小。
　　
　　5、結(jié)語
　　
　?、倨髽I(yè)應(yīng)高起點規(guī)劃設(shè)計，與有實力的、專業(yè)的開發(fā)商合作開發(fā)SCADA系統(tǒng)。
　　
　?、谙到y(tǒng)選用的軟、硬件，要求可靠性高、開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)，既能保持向下兼容，又能適應(yīng)未來系統(tǒng)擴(kuò)充的需要。
　　
　　③要選擇可靠性、穩(wěn)定性高的控制設(shè)備和監(jiān)測儀表，一方面能平衡管網(wǎng)壓力，保障供水，增強(qiáng)對突發(fā)事故的反應(yīng)能力；另一方面能從根本上保證數(shù)據(jù)采集、傳送的準(zhǔn)確性，使供水管網(wǎng)仿真模型更接近真實管網(wǎng)。
　　
　　④要加大科技、人才投入，為供水系統(tǒng)的合理化、科學(xué)化、現(xiàn)代化管理創(chuàng)造條件。