供水SCADA系统的研究与建立.docx

供水SCADA系统的研究与建立摘要介绍了天津港保税区供水SCADA系统的建立过程，对该系统的结构、通讯方式、监控点位置和数据库等进行了设计。根据数据库的信息，重点对系统内水泵与闸阀的控制、供水管网中自控调节阀的控制及布置原则进行了研究。关键词SCADA系统 自控调节阀 RTU 监控点天津港保税区(以下简称保税区)开发建设近10年来，随着区内外资企业的日益增多，现为1104m3/d的供水量已远远不能满足用户需求，它已成为保税区发展的瓶颈。另外现有管网缺乏实时监测信息，使传统的经验调度缺乏科学依据。为此，保税区政府决定在原有供水系统基础上新辟自来水水源并增建1座104 m3/d的加压泵站及配套设施，同时建立、开发供水SCADA系统。1 供水系统规划保税区规划的输配水系统由四个水源供水，分别来自塘沽自来水四水厂、开发区水厂、港务局水厂以及区内深井泵站。目前保税区用水主要由塘沽自来水四水厂提供。加压泵站建成后 ，开发区水厂将成为另一主要水源。区内深井泵站作为备用水源。加压泵站内设有MD1000 RTU现场控制站，可对水泵的流量、压力、开停状态、电机电流等泵站信息进行实时监测。同时，考虑到保税区是新开发的区域，面积小而易于布点监控，故在管网关键点、最不利点处设置测流点、压力监控点，由MD3311 RTU采集其流量、压力、余氯等实时数据。另外在管网上还设置了自控调节阀，通过调节阀的开启度使管网上的压力分布均匀。2 SCADA系统设计为实现“优质、高效、低耗、安全”的供水目标并创造最大的经济效益和社会效益，应建立开放性好、可靠性高、适应性强的供水监控调度系统。设计原则 采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品。 采用符合国际标准或产业标准的成熟可靠的软件产品。软件要具有良好的模块化以及标准的互联接口，便于组成各种规模的系统及产品和技术的更新换代。 采用智能化自控设备，保证实时数据传递的快速、准确、有效、完整。监控点与自控阀布置要实现对保税区给水管网的计算机模拟和优化调度管理，必须了解给水管网的运行工况，掌握管网的动态信息，为优化调度模型提供必要的运行状态数据。另外，通过观察监控点的异 常变化，可推断事故发生情况，从而了解非正常的压力分布情况及由此造成的影响。为此在管网上设置了12个测压点、10个测流点、12个自动调节阀。通过MD3311 RTU采集的流量、压力、自控调节阀开启度等信息推求出其余状态变量，进而确定管网运行状态，为优化调度提供数据基础。 管网测压点、测流点的选择管网中的测压点、测流点应具有代表性。测压点在管网末端布置得要多一些，而测流点则应靠近管网前端，末端小管径上的流量变化对管网影响不大，故DN200管线上只设压力表，不设流量计。流量计选用超声波流量计，分移动和固定两种安装方式。固定式数量较少，用于环境条件好、重点监测的管段，移动式则便于按需要监测管段流量掌握管网运行状态 。 自动调节阀的布置由于各水源出站压力一般在343 kPa，管网末端压力一般要求在 kPa左右，基本上可满足用户压力要求，但在一些管网末端死角不易达到要求，如果增加出厂压力，则电耗及管道漏水率增加，降低了供水系统的效率。为解决此问题，考虑在管网上设置自动调节阀(以下简称自控阀)，既可满足用户水压要求，又可通过调节阀门的开启度来调节管网压力，使整个管网压力分布均衡。自控阀的位置不同会有不同的优化调度结果，在考虑自控调节阀位置时，遵循了以下原则：a.对水量小、利用率低的港务局水厂及区内深井泵站不设自控阀，而利用泵站内的阀门进行调节。开发区水厂来水进入新建加压泵站，泵站内有两台调速泵，不必用造价高的自控阀，采用价格比较低的开/关阀同样能起到调节作用。塘沽自来水四水厂来水通过两条输水管线直接进入管网，在每条管线上设置DN300、DN400自控阀各一个。b.考虑到大管径上阀门主要用于检修，不经常调度，而且管径大、造价高，故不采用DN600自控阀。DN200管线基本在管网末端，流量较小，故DN200管线上的自控阀不做 调节使用，而主要把阀布置在DN300、DN400的中等管径上及多水源交汇处，让自控阀真正发挥调节作用。3 系统结构整个系统由SCADA控制中心和MD1000 RTU站控系统及MD3311 RTU管网监控点等站点组成，并通过各自的通信装置传送数据或指令。系统对各测控对象的监控由测控单元实现。系统结构示意如图1所示。硬件系统两台互为热备份的SCADA监控主机服务器存储实时数据和历史数据，可同时在线工作并均衡分担系统计算的负荷，保证系统的高可靠性，这比传统的主从备份式结构更有优势。两台终端服务器作为网络远程通讯用机，通过集线器完成与服务器的数据传输。监 视器可通过 图形用户界面GUI访问SCADA数据库中所有的数据库，并可通过报表方式显示时间信息和报警信息，使用历史数据库来显示历史和趋势数据。大屏幕投影仪用于系统应用图形的高清晰度实时显示与监视。所有发生的报警事件均能通过A3网络激光打印机在线自动打印，并带有时间标签和报警原因。软件系统操作系统平台：WindowsNT；数据库平台：MOSAICROBMS；应用软件：监控软件MOSAIC，它是高度模块化、可组态的、分布式的应用软件系统，具有实时的、面向对象的、分布关系式型数据库管理系统，同时采用“容错”技术来保证系统高可靠性；数据库：主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分构成。SCADA包括所有组态数据和实时数据；Event包括报警和事件；Authority存放安全信息；History存储历史数据作为备份；Dispatch用于数据分布，确保数据同步。通讯系统目前SCADA系统的通讯方式主要有两种：有线和无线。无线方式主要通过无线数传电台构成专用通信网，但存在着电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、能力等问题，其可靠性和有效性有待提高。而有线网通讯技术的研究目前有了突破性进展，特别是INTERNET的发展使有线网的应用走向更深层次，可利用率更高，发展前景较好，所以保税区的供水SCADA系统采用有线方式进行通讯。其中，SCADA控制中心与MD1000站控系统的通讯采用双以太局域网，通过DNP3完成；而控制中心与MD3311RTU的通讯则利用Modem，通过RS232共享器完成，这样的设计保证了系统的可靠性。4系统功能实时遥测、遥信SCADA系统能够扫描RTU，对调度所需的多种参数进行实时监测，使调度人员能及时、准确地了解系统工况，为优化调度软件在“规则集”中作出选择，提供数据依据。数据种类分为模拟量输入(AI)、模拟量输出(AO)、开关量输入(DI)、开关量输出(DO)四种。MD1000RTU主要监控泵站内水泵、电机、闸阀等的工作状态以及压力、流量和余氯等实时数据。MD3311RTU主要监控管网上各监控点压力、流量及阀门的开启度等，通过遥控管网上主要阀门的开启度来优化管网压力和流量。分析、管理实时和历史数据SCADA系统可将采集到的实时数据在历史数据库中进行存储，同时还能监视从RTU返回的信息，并更新链路状态，使得操作员能够监视和识别通信故障，以便确定RTU的工作状态。对采集的各类实时数据进行数据处理。系统中有3种数据，分别是数字量、模拟量和控制量，通过MD1000RTU和MD3311RTU的现场接口卡模块完成各类数据的输入和输出。对历史数据不但记录其数值，还记录其状态，表明该数据是否有效，根据其状态来确定是否参加运算。具有事故分析与记录、越限报警功能。SCADA除对各管网监控点、泵站进行实时数据采集外，还要检验它们是否超过各自的运行极限、安全极限或设备极限，如有越限则报警并作出相应处理。通过对操作员设置不同级别的数据使用与浏览等权限，保证数据的安全性。SCADA系统还可实现多种曲线绘制、图表显示、报表的统计和打印等功能，方便调度人员查询了解。决策与控制RTU采集的管网、泵站等的实时数据可作为优化调度的基础数据，由优化调度程序进行分析，作出决策并向RTU发出控制指令，RTU根据指令作出相应动作，从而实现泵和阀的自动化控制。水泵的自动控制a.单泵开、停自动控制优化调度软件向RTU发出开泵命令后，RTU对开泵条件进行一一检测，如水泵是否处于停泵状态且停泵时间6min、清水池液位是否在预警水位以下、管路上各阀门是否具备开泵条件等，如条件不满足，RTU会报警并向MOSICA返回“错误”信息。如果开的是调速泵，RTU则会要求给定转速，然后执行调速泵的自动控制。停泵的控制过程与开泵类似。另外，为使泵处于最佳运行状态，系统还设计了定速泵和调速泵运行时的保护程序，以延长水泵的使用寿命，使其能发挥最大的工作效率。b.泵组合优化控制新建加压泵站采用5台水泵(3定2调)联合工作，在各水泵运行工况满足管网的水量、扬程要求时，通过两根输水管直接向管网供水。根据管网的不同用水要求，优化调度软件会在泵组合“规则集”中进行选择后，向RTU发出进一步的优化控制指令(如调速泵的转速等)，RTU根据指令执行相应动作。阀的自动控制系统不仅实现了对泵站内开关型阀的遥控，而且实现了对管网上自动调节阀的遥控、遥调。对前者的遥控主要是配合水泵的开、停进行自动控制，而对后者的遥控、遥调可实现管网压力平衡和对爆管时的自动关阀处理。当管网局部压力达不到要求时，优化调度软件会根据管网仿真模型计算得出的各测压点压力，给出阀门开启度控制指令，RTU执行指令，通过调节阀门开启度实现管网压力平衡，从而避免因局部压力不满足要求而增加水泵数量。若管网中出现爆管事故，RTU会监测到并反馈某一测压点压力突然下降的信息，根据该监测点的编号在数据库中搜寻其附近自控阀，迅速定位并作出关阀方案，使能量损失最小。5结语企业应高起点规划设计，与有实力的、专业的开发商合作开发SCADA系统。系统选用的软、硬件，要求可靠性高、开放性好、适应性强，既能保持向下兼容，又能适应未来系统扩充的需要。要选择可靠性、稳定性高的控制设备和监测仪表，一方面能平衡管网压力，保障供水，增强对突发事故的反应能力；另一方面能从根本上保证数据采集、传送的准确性，使供水管网仿真模型更接近真实管网。要加大科技、人才投入，为供水系统的合理化、科学化、现代化管理创造条件。