以优化的SCADA系统为基础完善自来水公司局域网

桂林市自来水公司
王定华 张莉晖

　　自来水公司要实现全公司及水厂的信息管理MIS系统，首先要强化生产及管网的监控及数据采集SCADA的功能和长期稳定性，这是MIS系统的基础信息源和数据库。根据自动控制设备和计算机技术的发展现状，实现自来水三遥监控SCADA系统的理想硬件模式就是：检测仪表+PLC+数传电台+计算机，现阶段这模式可以实现最好的性价比，特别是管网端站。(在此不对PLC与分布式智能I／O进行对比)这里用PLC代替传统基于单板机扩展的数据采集终端、可以下表列出PLC与单扳机终端的功能比较：

　　根据以上分析，使用PLC是不言而喻的了。但实际很多水厂还没有启用PLC+数传电台+WIN／PC模式的无线三遥SCADA系统。主要是PLC的价格太高，和对PLC的认识。随电子技术的发展，适应数据采集低价的PLC已出现，如A+B公司的SLC500，MODICON公司的ISX—Micro和SIMENS的S7—200系列。我们以下表对这三种PLC进行比较：

　　注：①UTW是法国SCHNEIDER公司开发的主从方式通讯协议，全称UNI—TELWAY 协议
　　以上PLC的价格在民币(含进口税)，而单板机价格在3000—4000元，而两者功能相去甚远。至于选择何种功能的PLC，则要视检测现场的I／O点数和精度，运行速度，通讯和控制要求，投资预算。在无线三遥系统中，电台及调制解调器的参数及性能分析和选择也是重要的。采用数传电台甚高频率220MHZ以上可以达到发射精度和良好的抗干扰。桂林自来水公司以前采用西安电子科技大学远动中心的RTS—100系统；这是个硬件以8位Z—80CPU，74LS单板机芯片为基础，RTU编程是汇编语言，监控软件以DOS3．0为平台，配以高频电台的SCADA系统，因此其硬件I／O和内存难以扩展，编程复杂，只能是ASCII字符通讯方式，数传通讯应用相移调频方式，数传速率为600bps。由于监控软件在DOS平台下，对采集的数据只能简单的显示和报表，谈不上数据分析和共享。经过几年的运行；已不能满足水厂生产和管网的数据采集和监控要求。我们从以下方面论证新SCADA系统需要的结构和功能。
　　(一)系统应具有成熟的硬件和软件支持，良好的稳定性和抗干扰。
　　(二)RTU与中心站的通讯可双工，半双工或单工，通讯协议可选并支持无线网。通讯Bandrate≥1200bps。
　　(三)由于要对水厂工艺参数采集和监控，要求RTU有较强的标准编程功能，应符合IEC1131—3标准，WINDOWS平台支持。内存和I／O可扩展，支持多参数输入和输出。
　　(四)中心台站的SCADA软件应是在现阶段计算机硬件如Pentium和软件技术WIN95、WIN98、WINNT平台下运行的软件，应具有：

　　(五)整个系统应MBTF、平均达20000hr，良好的售后服务和升级，易维护和合理的价位。
　　根据以上对三遥系统功能要求的分析，可知“检测仪表+PLC+数传电台+计算机+WINDOWS平台的PLC和SCADA软件”是较理想结构。桂林自来水公司的SCADA系统是由三个传统工艺水厂监控站，五个管网监测端站和两个泵监控端站组成。分布在桂林市半径为约二十公里的范围内，检测的参数第一期共八种，压力、流量、温度、浊度、余氯、开关量、电度、电流，第二期将增加控制参数。参数的物理特性为4—20mA电流，脉冲信号0—5V，继电触点信号。每个站的参数物理特性都包括，厂级参数数量远大于端站参数。对厂级监控站的要求(1)参数的现场图形实时显示及打印存档。(2)厂区内网络扩展和数据共享。对管网端站要求至少一个控制输出和脉冲量输入。整个系统应考虑足够的I／O冗余。根据系统要求和分布情况，比较PSTN公用数传网和无线数传的投资，决定使用无线数传兼语音呼叫的电台；经比较测试和应用调查选择广州通讯七所改装新西兰TAIT113的数传电台DT113，该电台集成度较高的超高频电台，发射功率达25w，频率稳定度≤5ppm，参考灵敏度≤0.32V，杂散抑制≤70db，互调抑制≤60db，数据经调制后采用EIA高可靠性接口电平，速率达1200bps。而实现现场数据采集的设备选用法国Schnei—der Modicon公司生产的TSX3720系列PLC；它的最大优势是PLC本身带有的多功能显示屏及多通讯口和通讯协议支持。TSX3721；TSX3722。TSX3721应用在厂级监控站，TSX3722应用在管网和泵端站。TSX3722具有集成I/O即可满足现场监测要求，无须扩展I／O，具体配置如下表：

　　程序主要有四个基本部分组成：变量、程序、配置和文献。
　　(1)变量编辑器用于输入、修改、显示变量及其属性，把抽象的变量符号化。
　　(2)程序编辑器可以在窗口下方便的实现IC1131—3定义的编程语言，包括调试诊断；
　　(3)配置编辑器可以灵活的定义所选的硬件I／O功能和通讯、任务处理器。
　　(4)文件编辑器用于在Windows下使用True Type技术的任一图象打印机上打印应用程序记录文件。
　　机柜的安装尽量避免在强电磁场附近，RTU的可靠性在很大程度上决定于应用接地和屏蔽，我们非常重视抗EMI和雷电，采用机壳和天线分头接地，接地电阻要求小于等于国家标准1Ω。信号线均屏蔽线，现场悬空。要求I／O接口的光电隔离。

　　在中心调度室内，我们采用HPLC—3作前台监控机，HPE—60服务器为主数据库服务，48小时1000W的大功率UPS，各客户机分布在各经理办公室，形成小型局域网络。系统结构图见图(二)。监控软件是与广州通讯七所共同开发的SCADA监控软件，它是基于VB语言的程序，DBF数据格式，基本实现了SCADA软件所要求的10项功能。该软件在各功能标准化方面，网络客户服务数据共事有待改进。本文后附图有由该软件实现的报表，实时历史多曲线图，图形显示界面。
　　如果三迢系统保持长期稳定精确的运行，就可获得大量重要的生产和管网参数，(高质量检测仪表+PLC+数传电台+计算机+WINDOW平台的PLC和SCADA软件结构是可以做到长期稳定精确的运行)可对数据按要求自动及时处理，如生产日月年报表，日月年用水量分析，日月年生产工况分析；调度优化分析(见附图表)。大量重要的生产和管网参数奠定了自来水公司局域网的基础，再配合以设备财务经营等数据，就是一个较完善的局域网系统。以下分析自来水行业局域网功能结构。
　　自来水公司的计算机应用现在局限于主要几个方面：文档处理、财务报告、绘图，预算等，再包括营业所的收费。那么可建立什么数据库?譬如，财务的数据通过经济学分析后呈经理参考，任何设备、生产和经营的数据经建立相应数据库后达到分级共享。
　　建立相应数据库的前提是有大量的现实和历史数据，前面已提到SCADA系统就是公司建立局域网的最大必要和最大的资源共享。各部门要与公司计算机技术人员规划研究统一标准的可升级兼容的数据库结构，规划研究现在已使用的软件升级以及将要扩展的功能。
　　网络建成后，应有什么样的网络服务?
　　1.生产调度网络——实时查询生产状况工艺参数
　　2．设计图形工作站——技术人员进行方案和工艺设计
　　3．设备管理数据库——动态管理设备运行和维护
　　4．办公自动化——文档简报资料建立和处理
　　5．档案管理和人事管理——信息管理
　　6．财务管理——财务分析和资本效率
　　7．经理决策——最优化管理和市场决策
　　8．INTERNET——以上功能的广域网实现
　　9．内部邮局及公告板——内部信息通知和提示
　　10．网络打印、扫描、光盘存档
　　网络系统的设计即要适应计算机技术发展的潮流，又要结合实际需求和承受力。因此在系统结构设计时，在充分考虑实用性的前提下，也要考虑系统的先进性、开放性。可靠性、可用性、可扩充性和可维护性。为此，系统结构设计时应注意下述几点原则：
　　1．采用开放式体系结构，以适应计算机软／硬件技术的发展，保证系统的先进性、可扩性、互连性和兼容性；
　　2．采用分布式处理技术，提高系统的可靠性、可扩充性，保护用户投资；
　　3．从实际出发，在投资许可的条件下，购置一个性能比较好的软／硬件系统；采用第四代软件开发环境，开发该系统，缩短开发周期，加快开发速度；
　　4．采用符合国际标准或工业标准的软／硬件及网络技术，以利于系统的开发、扩展和维护；
　　5．随着Internet/Inteanet技术的日益成熟与发展，网络互连不可避免，对整个系统的安全性要求更高，在系统设计时应考虑物理上；网络上、应用上等多方面的安全；
　　根据以上几个方面分析，已初步构造桂林市自来水公司网络系统的组成。
　　1．局域网网络拓朴结构分析
　　常见的介质访问控制协议有CSMA/CD、Token Ring、Token Bus和FDDI等等，对应的局域网有以太网、Token Ring网、Token Bus网和FDDI。目前以太网和FDDI是国内局域网和局域主干网的主流。从网络拓朴的形状上看，对应不同的介质访问控制协议主要有星型、总线、环型三种拓朴结构。决定采用树型拓朴结构。
　　2．服务器分析
　　计算机系统性能的基本因素包括以下几个方面：
　　CPU体系结构
　　编译系统的性能优化能力
　　计算机芯片技术
　　操作系统等
　　决定使用HP服务器，它具有同类产品的可靠性、可伸缩性和处理能力。无论是其处理速度、系统容量、I／O吞吐能力、可靠性还是网络处理能力都能满足要求。
　　3．服务器操作系统分析
　　目前最流行的是Netware、WINDOWS/NT、0S／2。由于Netware缺乏内存保护、缺乏多任务优先权功能、不支持虚拟内存保护、编程工具有限、数据保护性能差、易受病毒侵犯；OS／2推出的历史虽比WINDOWS NT长，但由于国内使用较少，技术支持差，目前不易推广。WINDOWS从93年推出以来，以系统和网络配置简单，技术硬件即插即用，支持WINDOWS应用软件及开发工具，操作与WINDOWS相同的特点，得到了许多熟悉WINDOWS用户的支持，使其在PC服务器的应用越来越广泛。而且，它对TCP／P网络协议的支持非常友好，而TCP／IP是现实所有网络的主通讯协议，使用WINDOWS NT4.0操作系统作为代理服务器操作系统，该版本最为稳定。

　　4．网络设备分析
　　目前市场上的网络设备按应用范围可分为企业级和工作组级；按传输技术可分为共享式交换设备，按带宽可分为10M，100M和155M设备。
　　共享式网络设备的特点是与之相连的站点或网络设备共享该网络设备的内部总线，传输时，碰撞几率较大，故采用碰撞检测的方法实现传输控制，因此，当连接的站点较多时，有效带宽严重下降；但这种设备物美价廉，可靠性好，为工作组级的网络设备倍受人们青睐。对我们中型自来水企业应采用共享式网络设备。

桂林市自来水公司调度记录日报表(一)

温度：24--35℃ 漓江水位： 漓江浊度： 2000年7月25日