基於工業以太網的供水工程SCADA控製係統(轉載)

石泉先生，中國市政工程華北設計研究院高級工程師。　　　　關鍵詞：SCADA係統　工業以太網　分散控製　供水工程　　　　　　　　供水工程自動控製係統采用以計算機為核心的監控和數據采集(SCADA)係統，采用工業以太網作為主要通信平台。操作人員在調度控製中心通過SCADA係統可完成對管道的監控和運行管理。各站場達到有人值守、無人操作的管理水平；自動控製係統連續監測和控製管道運行，保證安全；各工藝站場站控係統(SCS)和管網監控點(RTU)與調度中心間通信采用一主一備的通信通道；調度控製中心和後備控製中心采用光纖網作通信通道；調度控製中心與沿線各站場SCS間采用光纖進行通信。采用的設備、控製係統及材料是在工業應用中的成熟產品。　　　　一 係統網絡結構　　　　　　為確保供水係統安全、平穩、可靠和高效運行，采用SCADA技術對供水管網及配套設施的工藝參數和設備運行情況進行監視和控製；同時SCADA係統與管理信息係統(MIS)和地理信息係統(GIS)相結合，這是整個供水係統中的重要部分。　　　　城市供水係統SCS由RTU進行站場的監視和控製，並將站場、管線的關鍵運行參數以SCADA係統特有的數據規程，通過光纖通信數傳通道送至調度控製中心，並接受調度控製中心的操作指令，完成關鍵設備的遠程控製。要保證係統提供詳盡、可靠的實時信息，及時發現隱患，突發事故維修現場的指揮調度反應迅速，保持整個供水係統業務聯係隨時暢通，就必須保證通信係統的絕對可靠。通信係統的設計原則是：技術先進，經濟實用，係統建設有前瞻性，係統資源有增值性。根據設計要求，選用雙冗餘自愈環主幹網，到各節點可采用“直線”或“小環網”接入方式。這樣，當其中某一段光纖出現通信故障，如因管道檢修維護造成光纜損傷，就不會影響正常語音數據通信。供水係統通信網絡結構如圖1。　　　　　　光纖采用單模，適用於SDH技術，可以2.5Gb/s(STM16)，傳輸1550nm光信號。通過光端機分離出若幹個標準E1(G.703)接口，組成PABX網。配合可提供E1標準接口的路由器接入LAN(TCP/IP 10/100M)網。對於無人值守的站點，無需語音通信，也可選用光纖直接轉換到以太網的設備。　　　　二 控製係統的配置組成　　　　　　如圖2，供水工程SCADA係統設有一個控製調度中心、一個後備調度中心、3個SCS、27個管網監控點控製係統，最遠兩個站間距離超過300km。控製調度中心和後備調度中心互為備份，協同工作，共同完成對各SCS、RTU進行不間斷監控。　　　　各SCS和RTU作為SCADA係統的遠方控製單元，是係統正常運行的基礎，也是係統中重要的監控級。SCS和RTU不但能獨立完成對所在工藝站場的數據采集和控製，而且能將有關信息傳送給調度控製中心並接受其下達的命令。SCS主要由計算機網絡係統、PLC、操作員工作站及進行數據傳輸的通信設備組成。RTU是一種獨立小型智能控製設備，具有編程組態靈活、功能齊全、通信能力強、維護方便、自診斷能力強，可適應惡劣的環境條件、可靠性高等特點。各個站場SCS或RTU將完成對本工藝站場的監控及聯鎖保護等任務，並接受和執行調度控製中心下達的命令。　　　　本係統實現以下操作模式：整個係統的調度控製中心集中監視和控製；站場的SCS自動/手動控製；站場單體設備(如壓縮機組)的自動/手動控製、站場子係統的自動/手動控製；就地手動操作控製。　　　　正常情況下，由調度控製中心對全網進行監視和控製。當調度控製中心發生故障時，由後備控製中心接管其任務。經調度控製中心授權後，才允許操作人員通過SCS或RTU對各站進行授權範圍內的工作。當數據通信係統發生故障或係統檢修時，由SCS或RTU自動完成對本站的監視控製。當進行設備檢修或緊急停車時，可采用就地手動控製。　　　　為保證SCADA係統各站點之間數據交換的實時性，本係統數據更新采用多種方式進行，如周期掃描、例外掃描、查詢、例外報告、報警等。調度控製中心的實時服務器對各SCS采用點對點的通信方式，而對RTU則采用主動上報方式。正常情況，係統采用周期掃描，SCADA係統管網全線掃描一次的數據更新時間不超過15s。係統中有突發事件或特殊請求發生時(如發布操作命令、對某一局部重點監控、發生報警等)，係統將中斷周期掃描，采用其他掃描方式工作，優先保證重要數據/命令的傳輸，確保係統實時性。　　　　(1)主調度控製中心　　　　　　主如圖3，調度控製中心SCADA計算機係統采用雙網冗餘、分布式、客戶/服務器結構。係統由SCADA實時數據服務器、曆史數據服務器、SCADA Web服務器、分析服務器、操作員工作站、工程師工作站、管線模擬工作站、背影係統、投影儀、冗餘磁盤陣列、磁帶機、打印機、交換機、網絡通信設備和G 時鍾設備等組成。為提高係統可靠性，SCADA實時數據服務器、曆史數據服務器和局域網采用熱備冗餘配置。主調度控製中心通過骨幹光纖環網與各個SCS、RTU通信。　　　　(2)備用調度控製中心　　　　當主調度控製中心不能對管網實施監控時，後備調度控製中心將自動接管係統監控權。主調度控製中心與後備調度控製中心通過骨幹光纖環網進行數據實時傳輸，後備調度控製中心隨時監視和跟蹤主調度控製中心的運行狀態，保證數據同步，為係統數據提供異地備份。備用調度控製中心的結構和設備組成與主調度控製中心相同。　　　　使用開放性工業以太網組網，工業以太網符合IEEE802.3，可從網絡中任何點進行設備啟動和故障檢查，具有冗餘網絡拓撲結構。服務器通過配置以太網卡即可實現與PLC的通信連接，係統遵循TCP/IP通信協議。　　　　(3)站控係統　　　　SCS是抽水泵站的控製係統，包括 1、 2、 3；該係統主要由RTU/PLC、站控計算機、通信設施及相應的外部設備組成。SCS具有獨立運行的能力，當SCADA係統某一環節出現故障或SCS與調度控製中心的通信中斷時，不影響其數據采集和控製功能。利用工業以太網組網，係統結構如圖4。　　　　　　(4)管網監控點　　　　　　如圖5，本工程管網監控點包括：壓力穩定裝置——PI站、提升池站、27個管網沿線城市分輸站、3個斷壓池。這些管網監控點的PLC和工作站計算機之間的通信用局域網實現，使用標準TCP/IP協議使PLC和計算機通過網絡共享資源。　　　　以上監控站通常分布在城網管線上，如果有必要還可采用適用於惡劣環境的戶外型PLC。PLC係統設計采用集中式原則，通過I/O口采集或控製相應的信號量。通過以太網通信模塊，由以太網轉光纖接口設備連接到主幹光纖網，為方便操作，也可通過適配器完成便攜式PC對PLC的操作。　　　　隨著工業控製技術和IT技術的不斷發展，國際上先進自動化控製理念和技術在水行業越來越受到廣泛的推崇，以工業以太網構成的集散監控係統已成為水行業自動化的主流。通過標準開放的TCP/IP協議、100Mb/s快速以太網，將各種控製設備無縫連接起來，實現數據的高速傳輸和實時控製，對水行業來說是安全、可靠和經濟適用的。