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1 引言
西安市自來(lái)水公司現(xiàn)有水廠8座，分布在市區(qū)內(nèi)，供水能力164萬(wàn)立方米/日，供水管網(wǎng)1269公里，供水面積170平方公里，供水人口227萬(wàn)人。它實(shí)行兩級(jí)生產(chǎn)調(diào)度和三級(jí)管理模式，即公司進(jìn)行一級(jí)調(diào)度，各水廠設(shè)立一個(gè)二級(jí)調(diào)度站，各水源地為三級(jí)管理。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
公司SCADA系統(tǒng)選擇兩級(jí)調(diào)度結(jié)構(gòu)，即設(shè)置一個(gè)主調(diào)度中心站和幾個(gè)二級(jí)調(diào)度中心站及遠(yuǎn)程管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)。
主調(diào)度中心站是SCADA系統(tǒng)的管理指揮中心，設(shè)立在公司調(diào)度室，由以下硬件構(gòu)成：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，主/備SCADA服務(wù)器，Web服務(wù)器，通訊處理器，工程師站，大屏幕顯示系統(tǒng)等；兩套互為熱備的SCADA服務(wù)器和兩臺(tái)MOTOROLA公司的通訊處理器MCP-T是主調(diào)度中心骨干；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用來(lái)運(yùn)行通用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和專用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。同時(shí)主調(diào)度中心采用先進(jìn)的瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，配置一臺(tái)Web服務(wù)器，為自來(lái)水公司的Intranet提供Web服務(wù)，使用戶可以通過(guò)瀏覽器的方式輕松的了解系統(tǒng)信息。主調(diào)度中心的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
軟件采用Intellution公司的iFix組態(tài)軟件。主調(diào)度中心還使用美國(guó)Microsoft公司的SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和美國(guó)Intellution公司的iHistorian實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)建立中心數(shù)據(jù)庫(kù)。
二級(jí)調(diào)度中心站分別設(shè)置在各水廠的下屬車間內(nèi)，配置一臺(tái)SCADA服務(wù)器和一套RTU。遠(yuǎn)程終端設(shè)備RTU（Remote Terminal Unit）是一種智能測(cè)控設(shè)備，它配置有數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出模塊，能通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線電臺(tái)、專用線或調(diào)制解調(diào)器與遠(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行通信，用于對(duì)遠(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，是測(cè)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。二級(jí)調(diào)度中心站用RTU 采集本水廠的數(shù)據(jù)和隸屬于本水廠的遠(yuǎn)程檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)本水廠的運(yùn)行參數(shù)，并且把一些數(shù)據(jù)上傳到主調(diào)度中心。
遠(yuǎn)程管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)隸屬于主調(diào)度中心站，配置一套RTU。它采集本地的數(shù)據(jù)，并上傳數(shù)據(jù)到主調(diào)度中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 RTU的選型
本系統(tǒng)選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOSCAD系列產(chǎn)品，它有三種類型MOSCAD，MOSCAD-L和MOSCAD-M。三種類型的最主要區(qū)別在于可最多擴(kuò)展的輸入/輸出模板數(shù)，它們最多可擴(kuò)展模板數(shù)量分別為理論上240，3和1。考慮到工程費(fèi)用和系統(tǒng)的可擴(kuò)充性，本系統(tǒng)根據(jù)各點(diǎn)AI、DI輸入量的多少，確定I/O模板多于3個(gè)的選擇MOSCAD，少于等于3個(gè)的選擇MOSCAD-L。MOSCAD具有適合本系統(tǒng)的很多特點(diǎn)，如MOSCAD采用MDLC通信協(xié)議，該通信協(xié)議是為無(wú)線電設(shè)備來(lái)傳輸大量數(shù)據(jù)而專門設(shè)計(jì)的；MOSCAD可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和下載/上載；MOSCAD可以方便地進(jìn)行存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)。
4 RTU的通訊組網(wǎng)
本系統(tǒng)有60多個(gè)管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)，地理位置十分分散，地域分布廣泛，適合采用無(wú)線通信方式。選用美國(guó)MDS公司生產(chǎn)的MDS 2710A數(shù)傳電臺(tái)，該電臺(tái)有堅(jiān)固耐用，接收靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，并且該電臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，可直接與計(jì)算機(jī)、RTU及PLC等數(shù)據(jù)終端連接，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。系統(tǒng)使用的頻率為233.900MHz，以單頻半雙工的通訊方式工作，功率（0.5~5W）可調(diào)。
系統(tǒng)采用了輪詢與突發(fā)上傳相結(jié)合的通訊方式。主調(diào)度中心站采用MOTOROLA公司的通訊處理器MCP-T，一種用于TCP/IP協(xié)議的MDLC網(wǎng)關(guān)。主調(diào)度中心站每3min輪詢各水廠和遠(yuǎn)程管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)并獲得該檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（每3s一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)），不論該數(shù)據(jù)是不是發(fā)生了變化；二級(jí)調(diào)度中心站采用了現(xiàn)場(chǎng)接口單元（FIU）作為通信處理器和數(shù)據(jù)采集器，FIU一方面通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)主調(diào)度中心MCP-T的召測(cè)，上傳本廠的工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀況事件，另一方面輪詢本廠的遠(yuǎn)程檢測(cè)點(diǎn)，并獲得現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)和設(shè)備的運(yùn)行狀況。如果本廠檢測(cè)到的壓力、流量、液位等超過(guò)報(bào)警限值，則采用突發(fā)上傳的方式，把數(shù)據(jù)及時(shí)送給主調(diào)度中心和二級(jí)調(diào)度中心；管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)響應(yīng)主調(diào)度中心站的召測(cè)，把現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行情況傳送給主調(diào)度中心，如果檢測(cè)到壓力、濁度等發(fā)生了很大的變化，則采用突發(fā)上傳的方式把數(shù)據(jù)及時(shí)傳送給主調(diào)度中心。
準(zhǔn)確、暢通的通信是SCADA系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的保障，特別是在采用無(wú)線通訊方式的西安市自來(lái)水公司SCADA系統(tǒng)中。筆者在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，由于西安市南面、西面高，東面、北面低，而自來(lái)水公司調(diào)度室又在西安的西面這一實(shí)際情況，造成東面、北面較偏僻的水廠和管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)和信噪比很低，通信不能保證，這給整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施帶來(lái)困難。筆者初步確定兩種解決方案：
(1) 在自來(lái)水公司調(diào)度室架高塔，所有點(diǎn)直接和主調(diào)度中心通信；
(2) 在北面和東面選擇現(xiàn)有的信號(hào)比較好的管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)中繼的方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主調(diào)度中心。
MOSCAD系列產(chǎn)品具有存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)功能，即RTU從其他RTU接收數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，當(dāng)通道空閑時(shí)，再把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主調(diào)度中心。任一個(gè)RTU通過(guò)正確的配置都具有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，而且只需把定向天線換成全向天線，該點(diǎn)就可以成為中繼點(diǎn)。由于第二種方案費(fèi)用低，組網(wǎng)靈活，本系統(tǒng)確定采用第二種方案。但對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，輪詢時(shí)間是一個(gè)很重要的參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)際的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一次中繼傳送數(shù)據(jù)的時(shí)間是沒(méi)經(jīng)過(guò)中繼傳送數(shù)據(jù)時(shí)間的1.2~1.4倍，系統(tǒng)輪詢時(shí)間能夠符合要求。
5 RTU的軟件設(shè)計(jì)
MOSCAD系列產(chǎn)品提供了編程工具軟件TOOLBOX，它提供了軟件診斷、通道測(cè)試、硬件測(cè)試、MDLC協(xié)議分析等功能，還提供了C TOOLKIT軟件，可以支持C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。
在本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，主要有以下幾個(gè)功能模塊：
(1) 本系統(tǒng)采用了輪詢和突發(fā)上傳相結(jié)合的通信方式。二級(jí)調(diào)度主站每3min輪詢其所屬子站獲取數(shù)據(jù)。子站在測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)臨界值時(shí)或檢測(cè)到硬件錯(cuò)誤時(shí)將突發(fā)上傳。二級(jí)子站通訊模塊程序的流程圖如圖3所示。
(2) 報(bào)警記錄，事件記錄以及一些帶時(shí)標(biāo)的參數(shù)都需要寫入主調(diào)度中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中。因此，所有的遠(yuǎn)程管網(wǎng)檢測(cè)點(diǎn)及各水廠都必須有精確的時(shí)間，并能與主調(diào)度中心RTU 同步。本系統(tǒng)在每個(gè)整點(diǎn)時(shí)，主調(diào)度中心將對(duì)所有的RTU進(jìn)行一次時(shí)間同步。
(3) 流量累計(jì)和壓力累計(jì)及平均壓力對(duì)供水調(diào)度有重要的意義。本系統(tǒng)用如下方式處理：流量計(jì)每流過(guò)單位體積的水量就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)（脈沖寬度可調(diào)），當(dāng)RTU捕捉到脈沖信號(hào)，就觸發(fā)一個(gè)事件，累加相應(yīng)的變量，再乘以單位流量，就是累計(jì)流量。RTU掃描一次壓力數(shù)據(jù)，就把這個(gè)壓力數(shù)據(jù)累加到一個(gè)變量上，同時(shí)壓力次數(shù)變量加一，當(dāng)整點(diǎn)時(shí)求一次平均壓力，并把兩個(gè)變量清零。
6 RTU的安裝
由于RTU工作環(huán)境惡劣，為了保證RTU的正常工作，本系統(tǒng)對(duì)RTU的安裝采取了以下措施：
(1) 將RTU安裝在堅(jiān)固的機(jī)箱內(nèi)，防塵，防水。機(jī)箱表面做了良好的處理，以防生銹，腐蝕，使表面處理層牢固。
(2) 對(duì)于RTU的交流供電單元，本系統(tǒng)用空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行瞬時(shí)過(guò)載保護(hù)，短路保護(hù)等。機(jī)箱內(nèi)裝接地母線和接地端子。
(3) 在RTU箱內(nèi)設(shè)置避雷設(shè)備，如交流電源輸入避雷保護(hù)器，傳感器信號(hào)線避雷保護(hù)器，傳感器電源避雷保護(hù)器等。
(4) 鐵塔安裝避雷針，并敷設(shè)避雷接地網(wǎng)。避雷接地網(wǎng)接地電阻<4Ω，設(shè)備接地電阻<10Ω。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)