趙勝躍1， 趙新華2， 張 麗2， 高德凱1
( 1.天保公用設施有限公司，天津300456；2.天津大學建筑工程學院，天津300072)

　　 摘 要：介紹了天津港保稅區供水SCADA系統的建立過程，對該系統的結構、通訊方式、監控點位置和數據庫等進行了設計。根據數據庫的信息，重點對系統內水泵與閘閥的控制、供水管網中自控調節閥的控制及布置原則進行了研究。
　　關鍵詞： SCADA系統； 自控調節閥； RTU； 監控點
　　中圖分類號：TU991.62
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)01-0050-04

　　天津港保稅區(以下簡稱保稅區)開發建設近10年來，隨著區內外資企業的日益增多，現為1×10⁴m³/d的供水量已遠遠不能滿足用戶需求，它已成為保稅區發展的瓶頸。另外現有管網缺乏實時監測信息，使傳統的經驗調度缺乏科學依據。為此，保稅區政府決定在原有供水系統基礎上新辟自來水水源并增建1座3.5×104 m3/d的加壓泵站及配套設施，同時建立、開發供水SCADA系統。

1 供水系統規劃

　　保稅區規劃的輸配水系統由四個水源供水，分別來自塘沽自來水四水廠、開發區水廠、港務局水廠以及區內深井泵站。目前保稅區用水主要由塘沽自來水四水廠提供。加壓泵站建成后 ，開發區水廠將成為另一主要水源。區內深井泵站作為備用水源。加壓泵站內設有MD1000 RTU現場控制站，可對水泵的流量、壓力、開停狀態、電機電流等泵站信息進行實時監測。同時，考慮到保稅區是新開發的區域，面積小而易于布點監控，故在管網關鍵點、最不利點處設置測流點、壓力監控點，由MD3311 RTU采集其流量、壓力、余氯等實時數據。另外在管網上還設置了自控調節閥，通過調節閥的開啟度使管網上的壓力分布均勻。

2 SCADA系統設計

　　為實現“優質、高效、低耗、安全”的供水目標并創造最大的經濟效益和社會效益，應建立開放性好、可靠性高、適應性強的供水監控調度系統。
2.1 設計原則
　　① 采用標準化、通用化和系列化的計算機硬件產品。
　　② 采用符合國際標準或產業標準的成熟可靠的軟件產品。軟件要具有良好的模塊化以及標準的互聯接口，便于組成各種規模的系統及產品和技術的更新換代。
　　③ 采用智能化自控設備，保證實時數據傳遞的快速、準確、有效、完整。
2.2 監控點與自控閥布置
　　要實現對保稅區給水管網的計算機模擬和優化調度管理，必須了解給水管網的運行工況，掌握管網的動態信息，為優化調度模型提供必要的運行狀態數據。另外，通過觀察監控點的異 常變化，可推斷事故發生情況，從而了解非正常的壓力分布情況及由此造成的影響。為此在管網上設置了12個測壓點、10個測流點、12個自動調節閥。通過MD3311 RTU采集的流量、壓力、自控調節閥開啟度等信息推求出其余狀態變量，進而確定管網運行狀態，為優化調度提供數據基礎。
　　① 管網測壓點、測流點的選擇
　　管網中的測壓點、測流點應具有代表性。測壓點在管網末端布置得要多一些，而測流點則應靠近管網前端，末端小管徑上的流量變化對管網影響不大，故DN200管線上只設壓力表，不設流量計。流量計選用超聲波流量計，分移動和固定兩種安裝方式。固定式數量較少，用于環境條件好、重點監測的管段，移動式則便于按需要監測管段流量掌握管網運行狀態 。
　　② 自動調節閥的布置
　　由于各水源出站壓力一般在343～372.4 kPa，管網末端壓力一般要求在274.4 kPa左右，基本上可滿足用戶壓力要求，但在一些管網末端死角不易達到要求，如果增加出廠壓力，則電耗及管道漏水率增加，降低了供水系統的效率。為解決此問題，考慮在管網上設置自動調節閥(以下簡稱自控閥)，既可滿足用戶水壓要求，又可通過調節閥門的開啟度來調節管網壓力，使整個管網壓力分布均衡。自控閥的位置不同會有不同的優化調度結果，在考慮自控調節閥位置時，遵循了以下原則：
　　a.對水量小、利用率低的港務局水廠及區內深井泵站不設自控閥，而利用泵站內的閥門進行調節。開發區水廠來水進入新建加壓泵站，泵站內有兩臺調速泵，不必用造價高的自控閥，采用價格比較低的開/關閥同樣能起到調節作用。塘沽自來水四水廠來水通過兩條輸水管線直接進入管網，在每條管線上設置DN300、DN400自控閥各一個。
　　b.考慮到大管徑上閥門主要用于檢修，不經常調度，而且管徑大、造價高，故不采用DN600自控閥。DN200管線基本在管網末端，流量較小，故DN200管線上的自控閥不做 調節使用，而主要把閥布置在DN300、DN400的中等管徑上及多水源交匯處，讓自控閥真正發揮調節作用。

3 系統結構

　　整個系統由SCADA控制中心和MD1000 RTU站控系統及MD3311 RTU管網監控點等站點組成，并通過各自的通信裝置傳送數據或指令。系統對各測控對象的監控由測控單元實現。
　　系統結構示意如圖1所示。

3.1 硬件系統
　　兩臺互為熱備份的SCADA監控主機服務器存儲實時數據和歷史數據，可同時在線工作并均衡分擔系統計算的負荷，保證系統的高可靠性，這比傳統的主—從備份式結構更有優勢。兩臺終端服務器作為網絡遠程通訊用機，通過集線器完成與服務器的數據傳輸。監 視器可通過 圖形用戶界面GUI訪問SCADA數據庫中所有的數據庫，并可通過報表方式顯示時間信息和報警信息，使用歷史數據庫來顯示歷史和趨勢數據。大屏幕投影儀用于系統應用圖形的高清晰度實時顯示與監視。所有發生的報警事件均能通過A3網絡激光打印機在線自動打印，并帶有時間標簽和報警原因。
3.2 軟件系統
　　操作系統平臺：Windows NT；
　　數據庫平臺：MOSAIC ROBMS；
　　應用軟件：監控軟件MOSAIC，它是高度模塊化、可組態的、分布式的應用軟件系統，具有實時的、面向對象的、分布關系式型數據庫管理系統，同時采用“容錯”技術來保證系統高可靠性；
　　數據庫：主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分構成。SCADA包括所有組態數據和實時數據；Event包括報警和事件；Authority存放安全信息；History存儲歷史數據作為備份；Dispatch用于數據分布，確保數據同步。
3.3 通訊系統
　　目前SCADA系統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傳電臺構成專用通信網，但存在著電臺設備的更新和傳輸協議中數據傳輸檢錯、糾錯能力等問題，其可靠性和有效性有待提高。而有線網通訊技術的研究目前有了突破性進展，特別是INTERNET的發展使有線網的應用走向更深層次，可利用率更高，發展前景較好，所以保稅區的供水SCADA系統采用有線方式進行通訊。其中，SCADA控制中心與MD1000站控系統的通訊采用雙以太局域網，通過DNP3完成；而控制中心與MD3311 RTU的通訊則利用Modem，通過RS232共享器完成，這樣的設計保證了系統的可靠性。

4 系統功能

4.1 實時遙測、遙信
　　SCADA系統能夠掃描RTU，對調度所需的多種參數進行實時監測，使調度人員能及時、準確地了解系統工況，為優化調度軟件在“規則集”中作出選擇，提供數據依據。數據種類分為模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、開關量輸入(DI)、開關量輸出(DO)四種。MD1000 RTU主要 監控泵站內水泵、電機、閘閥等的工作狀態以及壓力、流量和余氯等實時數據。MD3311 RTU主要監控管網上各監控點壓力、流量及閥門的開啟度等，通過遙控管網上主要閥門的開啟度來優化管網壓力和流量。
4.2 分析、管理實時和歷史數據
　　① SCADA系統可將采集到的實時數據在歷史數據庫中進行存儲，同時還能監視從RTU返回的信息，并更新鏈路狀態，使得操作員能夠監視和識別通信故障，以便確定RTU的工作狀態。
　　② 對采集的各類實時數據進行數據處理。系統中有3種數據，分別是數字量、模擬量和控制量，通過MD1000 RTU和MD3311 RTU的現場接口卡模塊完成各類數據的輸入和輸出。對歷史 數據不但記錄其數值，還記錄其狀態，表明該數據是否有效，根據其狀態來確定是否參加運算。
　　③ 具有事故分析與記錄、越限報警功能。SCADA除對各管網監控點、泵站進行實時數據采集外，還要檢驗它們是否超過各自的運行極限、安全極限或設備極限，如有越限則報警并作出相應處理。
　　④ 通過對操作員設置不同級別的數據使用與瀏覽等權限，保證數據的安全性。
　　⑤ SCADA系統還可實現多種曲線繪制、圖表顯示、報表的統計和打印等功能，方便調度人員查詢了解。
4.3 決策與控制
　　RTU采集的管網、泵站等的實時數據可作為優化調度的基礎數據，由優化調度程序進行分析，作出決策并向RTU發出控制指令，RTU根據指令作出相應動作，從而實現泵和閥的自動化控制。
　　① 水泵的自動控制
　　a.單泵開、停自動控制 優化調度軟件向RTU發出開泵命令后，RTU對開泵條件進行一一檢測，如水泵是否處于停泵狀 態且停泵時間＞6 min、清水池液位是否在預警水位以下、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。如果開的是調速泵，RTU則會要求給定轉速，然后執行調速泵的自動控制。停泵的控制過程與開泵類似。另外，為使泵處于最佳運行狀態，系統還設計了定速泵和調速泵運行時的保護程序，以延長水泵的使用壽命，使其能發揮最大的工作效率。
　　b.泵組合優化控制
　　新建加壓泵站采用5臺水泵(3定2調)聯合工作，在各水泵運行工況滿足管網的水量、揚程要求時，通過兩根輸水管直接向管網供水。根據管網的不同用水要求，優化調度軟件會 在泵組合“規則集”中進行選擇后，向RTU發出進一步的優化控制指令(如調速泵的轉速等) ，RTU根據指令執行相應動作。
　　② 閥的自動控制
　　系統不僅實現了對泵站內開關型閥的遙控，而且實現了對管網上自動調節閥的遙控、遙調。對前者的遙控主要是配合水泵的開、停進行自動控制，而對后者的遙控、遙調可實現管網壓 力平衡和對爆管時的自動關閥處理。當管網局部壓力達不到要求時，優化調度軟件會根據管網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執行指令，通過調節閥門 開啟度實現管網壓力平衡，從而避免因局部壓力不滿足要求而增加水泵數量。若管網中出現爆管事故，RTU會監測到并反饋某一測壓點壓力突然下降的信息，根據該監測點 的編號在數據庫中搜尋其附近自控閥，迅速定位并作出關閥方案，使能量損失最小。

5 結語

　　① 企業應高起點規劃設計，與有實力的、專業的開發商合作開發SCADA系統。
　　② 系統選用的軟、硬件，要求可靠性高、開放性好、適應性強，既能保持向下兼容，又能適應未來系統擴充的需要。
　　③ 要選擇可靠性、穩定性高的控制設備和監測儀表，一方面能平衡管網壓力，保障供水，增強對突發事故的反應能力；另一方面能從根本上保證數據采集、傳送的準確性，使供水管 網仿真模型更接近真實管網。
　　④ 要加大科技、人才投入，為供水系統的合理化、科學化、現代化管理創造條件。

　　電　　話：(022)65750189
　　收稿日期：2001-10-11