大型自来水厂SCADA系统解决方案介绍

一、引言

随着科学技术的发展和社会的进步，我国各大城市的自来水厂正逐步向“安全供水、科学管理、优质服务”的方向发展。因此如何提高供水质量、达到节能降耗、实现高效管理，是当前自来水厂所面临的首要问题。另外，提高自动化、信息化水平对自来水厂来说也越来越重要。

随着自动化控制技术的迅猛发展，自来水厂纷纷建立起SCADA系统来实现水厂从取水到制水、配水的全过程监控，但在实际应用中，真正能达到令人满意效果的并不多。本方案的目的是从设计、实施到后期维护进行统一规划，为用户提供一个具有先进技术的、易于开发维护且易于扩展及分步实施的解决方案。

二、系统需求

1.集中监控、分散控制

自来水厂的监控系统通常分为控制层及管理层两层结构。控制层完成具体的取水、混凝、沉淀、过滤、送水等环节的测控；管理层主要负责状态监控、数据采集、故障报警处理等工作。控制层的各工艺环节位置分散，位于中控室的控制中心将进行统一监控，因此自来水厂具有集中监控、分散控制的特点。

基于该特点，自来水厂往往在控制环节少配或不配工作人员，仅在中控室配备有经验的工作人员，目标是实现“无人或少人值守”。这对SCADA系统的性能要求很高的，采集、分析、控制若不够快速或者数据传输不够安全，控制中心的作用便会大打折扣，就会造成工艺流程执行的错误，严重的还会影响供水及水质。因此，高效的性能是集中监控的关键。

2.高集成性

自来水厂通常在控制中心实现统一的状态监控、数据采集、故障报警，为便于控制中心了解所有有价值的数据，它会要求将所有的信息及数据集成到控制中心，如，测点数据、报警状态、历史数据、视频信息等。控制中心需通过一整套完整的平台体系实现所有信息的观察及联动。这对SCADA系统的集成性是一个很大的考验。

3.管理及调度

除了完成正常的制水、配水工作外，自来水厂作为一个企业，同样具有成本管理、资源调配的要求。这要求计算机监控系统除了对各工艺环节有控制功能外，还需要考虑如何控制最节约成本，对资源的浪费最小。为了实现这些上层的管理及调度功能，需要 SCADA系统能够汇总大量的过程数据，针对这些数据结合优化算法实现专业的分析，最终做出指导性的决策。

三、系统解决要点

-  与工艺环节的PLC、仪表进行通讯，快速采集实时数据。

-  保证数据完整性，对采集链路、通讯网络进行诊断，实现基于实时数据、

-  历史数据、报警数据的冗余功能，异常时实现快速的切换，在网络中断、网速过慢时将数据缓存。

-  对实测数据及状态进行直观逼真的展示（如动画、报表、趋势等），进行多

-  种报警及预警检测，并采用多种方式实现报警通知。对已发生的故障实现直观的事故追忆。

-  对大量的高密度的过程数据进行高性能的压缩存储。

-  以存储的大量历史数据为依据，实现专业的优化计算与分析。

-  提供多种开放性接口，便于其它第三方系统调用数据，进行相关分析。

-  在Internet网络或局域网中将实时、历史、报警等数据以集成的方式进行发布，使用户可在IE中实现浏览。

四、解决方案

1.系统配置

 图1 系统配置图

2.软件部署

图2  软件部署结构

-  I/O 数据采集软件（I/O Server3.0）：快速采集现场设备的实时数据，与SCADA软件、上层集控中心进行数据交互，并存储数据到数据库中。

-  SCADA软件（KingSCADA 3.0）：以图形、动画、报表、趋势等手段展现泵站的工艺流程、设备的运行状态，完成操作员在上位机上的的控制。

-  工业历史数据库（KingHistorian 3.0）：存储大量的过程数据，在采集、存储、检索方面具有强大的性能，它是深层分析与统计的数据基础。

-  客户端软件（KingSCADA Client）：基于C/S架构，是KingSCADA3.0的客户端软件。为操作员提供日常操作所需的操作平台，也可满足分布式的要求。

-  展示平台（KingGraphic）：是大量历史数据、计算数据、报警数据的分析展示平台，管理人员可通过趋势、报表、历史回放等手段了解水厂过去的状况、分析未来的趋势。

-  计算平台(KingCalculation)：针对自来水厂运行特点，采用多种专业算法，在大量过程数据的基础上进行复杂计算。

-  报警与事件检测平台(KingA&E)：将数据转换为状态，采用多种检测方法实现复杂的报警事件检测，在事故发生前及时预警，确保系统安全稳定。

-  门户软件(KingProtal)：将多种数据集成后以门户的形式向广域网或局域网进行发布，用户可从网页实现浏览。

3.方案功能

-  硬件设备的支持能力

自来水厂的计算机监控系统，会与各种硬件设备进行通讯（如PLC、水质检测仪表、水泵机组、机组电气柜等），采集现场的实时数据，反映给SCADA软件同时保存到工业历史数据库中。这就要求系统能具有与各种厂家硬件设备的通讯能力，并支持各种通讯协议。方案中的I/O Server 3.0支持与1500多家3000多种硬件通讯，并支持多种标准通讯协议，如MODBUS、Profibus、CAN、OPC等。使得软件产品可轻松得与各硬件设备进行组合。

图3 支持的硬件设备

-  有效的安全措施

基于“集中监控、分散控制”的特点，SCADA系统“采集、分析、控制”的安全性与稳定性，无疑是用户最为关心的，这就需要SCADA系统在安全稳定方面具有强大的性能。

KingSCADA3.0系统支持双机冗余、双网络冗余、双设备冗余，可以分别针对服务器、网络、设备的故障实现切换，并且支持独立的冗余通道，可确保1秒的切换，可保证实时数据、历史数据、报警数据的连续完整。系统提供专门的性能监视工具，便于用户及时了解跟采集与传输有关的各项信息。当网络发生中断时，可讲数据本地缓存，当网络恢复时实现断点续传，如此一来，即使发生网络中断，也不会丢失数据。

图4 独立的冗余探测通道

图5 性能监视工具

-  一体化的平台体系

自动化技术快速发展的今天，SCADA系统已经不再是过去简单的与设备通讯、显示数据、下发控制指令这么简单了。随着自来水厂对管理功能要求的不断加深，自来水厂迫切需要的是集采集、监视、控制、调度于一身的一体化平台。这就需要将自动化与信息化相结合，在系统中除了具有监控作用的组态软件，还需要有具有分析、调度功能的决策系统。

方案中的KingCalculation就是针对大量过程数据，结合自来水行业的复杂算法进行计算分析的软件平台；KingA&E是将“数据”转化为“状态”，进行预警的判断与触发的软件平台，可进行超前的趋势分析。他们的数据基础是工业历史数据库KingHistorian。最终的分析信息、预警信息、决策类提示信息均在展示平台KingGraphic上进行集中显示。

图6 平台体系

-  丰富的系统接口

为满足城市的统一供水调度的需要，各区县的自来水厂往往需要将数据上传至自来水公司，由自来水公司的供水调度系统实现集中监管与协调。为了便于自来水公司供水调度系统获取数据，水厂的SCADA系统需具有丰富的开放性接口，本系统由数据采集软件、 SCADA软件、工业数据库软件、上层分析展示软件等多种不同类型的软件组成，具有多种数据接口，如API for VC ++/VB/.NET、OLEDB、ODBC、COM等，支持SQL语句查询。利用这些接口，可以方便的与其它第三方软件系统实现数据交互。

图7 丰富的接口

-  web功能

Web功能采用B/S结构，可对局域网和广域网进行发布，客户可以随时随地通过 Internet/Intranet实现远程监控。如厂长办公室的电脑可通过IE浏览器实时浏览画面，监控各种工业数据。若对广域网发布，那么无论用户身处何地，均可异地进行监控，这样做的好处是，便于企业领导无论在何地，即便是出差也可及时了解有价值的数据。

图8  WEB浏览界面

五、案例介绍

-  桂林东江水厂SCADA系统