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　　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)的結構、通訊方式、監(jiān)控點位置和數(shù)據(jù)庫等進行了設計。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息，重點對系統(tǒng)內水泵與閘閥的控制、供水管網中自控調節(jié)閥的控制及布置原則進行了研究。
　　　　
　　天津港保稅區(qū)(以下簡稱保稅區(qū))開發(fā)建設近10年來，隨著區(qū)內外資企業(yè)的日益增多，現(xiàn)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(qū)發(fā)展的瓶頸。另外現(xiàn)有管網缺乏實時監(jiān)測信息，使傳統(tǒng)的經驗調度缺乏科學依據(jù)。為此，保稅區(qū)政府決定在原有供水系統(tǒng)基礎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、港務局水廠以及區(qū)內深井泵站。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)內深井泵站作為備用水源。加壓泵站內設有MD1000RTU現(xiàn)場控制站，可對水泵的流量、壓力、開停狀態(tài)、電機電流等泵站信息進行實時監(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，故在管網關鍵點、zui不利點處設置測流點、壓力監(jiān)控點，由MD3311RTU采集其流量、壓力、余氯等實時數(shù)據(jù)。另外在管網上還設置了自控調節(jié)閥，通過調節(jié)閥的開啟度使管網上的壓力分布均勻。
　　
　　2、SCADA系統(tǒng)設計
　　
　　為實現(xiàn)“、、低耗、安全”的供水目標并創(chuàng)造zui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(jiān)控調度系統(tǒng)。
　　
　　2.1設計原則
　　
　?、俨捎脴藴驶?、通用化和系列化的計算機硬件產品。
　　
　?、诓捎梅蠘藴驶虍a業(yè)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(lián)接口，便于組成各種規(guī)模的系統(tǒng)及產品和技術的更新?lián)Q代。
　　
　?、鄄捎弥悄芑钥卦O備，保證實時數(shù)據(jù)傳遞的快速、準確、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)給水管網的計算機模擬和優(yōu)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(tài)信息，為優(yōu)化調度模型提供必要的運行狀態(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。為此在管網上設置了12個測壓點、10個測流點、12個自動調節(jié)閥。通過MD3311RTU采集的流量、壓力、自控調節(jié)閥開啟度等信息推求出其余狀態(tài)變量，進而確定管網運行狀態(tài)，為優(yōu)化調度提供數(shù)據(jù)基礎。
　　
　?、俟芫W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(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運行狀態(tài)。
　　
　?、谧詣诱{節(jié)閥的布置
　　
　　由于各水源出站壓力一般在343～372.4kPa，管網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(tǒng)的效率。為解決此問題，考慮在管網上設置自動調節(jié)閥(以下簡稱自控閥)，既可滿足用戶水壓要求，又可通過調節(jié)閥門的開啟度來調節(jié)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(yōu)化調度結果，在考慮自控調節(jié)閥位置時，遵循了以下原則：
　　
　　a.對水量小、利用率低的港務局水廠及區(qū)內深井泵站不設自控閥，而利用泵站內的閥門進行調節(jié)。開發(fā)區(qū)水廠來水進入新建加壓泵站，泵站內有兩臺調速泵，不*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(jié)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(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)揮調節(jié)作用。
　　
　　3、系統(tǒng)結構
　　
　　整個系統(tǒng)由SCADA控制中心和MD1000RTU站控系統(tǒng)及MD3311RTU管網監(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)控主機服務器存儲實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，可同時在線工作并均衡分擔系統(tǒng)計算的負荷，保證系統(tǒng)的高可靠性，這比傳統(tǒng)的主—從備份式結構更有優(yōu)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(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(tǒng)
　　
　　操作系統(tǒng)平臺：WindowsNT；
　　
　　數(shù)據(jù)庫平臺：MOSAICROBMS；
　　
　　應用軟件：監(jiān)控軟件MOSAIC，它是高度模塊化、可組態(tài)的、分布式的應用軟件系統(tǒng)，具有實時的、面向對象的、分布關系式型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，同時采用“容錯”技術來保證系統(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)傳電臺構成通信網，但存在著電臺設備的更新和傳輸協(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。而有線網通訊技術的研究目前有了突破性進展，特別是INTERNET的發(fā)展使有線網的應用走向更深層次，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，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，對調度所需的多種參數(shù)進行實時監(jiān)測，使調度人員能及時、準確地了解系統(tǒng)工況，為優(yōu)化調度軟件在“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)、開關量輸入(DI)、開關量輸出(DO)四種。MD1000RTU主要監(jiān)控泵站內水泵、電機、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)控管網上各監(jiān)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(yōu)化管網壓力和流量。
　　
　　4.2分析、管理實時和歷史數(shù)據(jù)
　　
　　①SCADA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)。
　　
　　②對采集的各類實時數(shù)據(jù)進行數(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)來確定是否參加運算。
　　
　?、劬哂惺鹿史治雠c記錄、越限報警功能。SCADA除對各管網監(jiān)控點、泵站進行實時數(shù)據(jù)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。
　　
　?、芡ㄟ^對操作員設置不同級別的數(shù)據(jù)使用與瀏覽等權限，保證數(shù)據(jù)的安全性。
　　
　?、軸CADA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(shù)據(jù)可作為優(yōu)化調度的基礎數(shù)據(jù)，由優(yōu)化調度程序進行分析，作出決策并向RTU發(fā)出控制指令，RTU根據(jù)指令作出相應動作，從而實現(xiàn)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(yōu)化調度軟件向RTU發(fā)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(tài)且停泵時間＞6min、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(zhí)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*運行狀態(tài)，系統(tǒng)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(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)聯(lián)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(jù)管網的不同用水要求，優(yōu)化調度軟件會在泵組合“規(guī)則集”中進行選擇后，向RTU發(fā)出進一步的優(yōu)化控制指令(如調速泵的轉速等)，RTU根據(jù)指令執(zhí)行相應動作。
　　
　?、陂y的自動控制
　　
　　系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對泵站內開關型閥的遙控，而且實現(xiàn)了對管網上自動調節(jié)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(xiàn)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(yōu)化調度軟件會根據(jù)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(zhí)行指令，通過調節(jié)閥門開啟度實現(xiàn)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(shù)量。若管網中出現(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，迅速定位并作出關閥方案，使能量損失zui小。
　　
　　5、結語
　　
　?、倨髽I(yè)應高起點規(guī)劃設計，與有實力的、專業(yè)的開發(fā)商合作開發(fā)SCADA系統(tǒng)。
　　
　　②系統(tǒng)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(tǒng)擴充的需要。
　　
　　③要選擇可靠性、穩(wěn)定性高的控制設備和監(jiān)測儀表，一方面能平衡管網壓力，保障供水，增強對突發(fā)事故的反應能力；另一方面能從根本上保證數(shù)據(jù)采集、傳送的準確性，使供水管網仿真模型更接近真實管網。
　　
　?、芤哟罂萍肌⑷瞬磐度?，為供水系統(tǒng)的合理化、科學化、現(xiàn)代化管理創(chuàng)造條件。