隨著(zhù)城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高，對自來(lái)水的需求將越來(lái)越大，城市管網(wǎng)規模也將越來(lái)越龐大。為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的城市現代化的發(fā)展，建立一套先進(jìn)的供水井群控制（地下取水）、自來(lái)水管網(wǎng)監控系統幾乎成為每個(gè)自來(lái)水公司面前的一項不可缺少的工程，而基于新一代智能RTU的無(wú)線(xiàn)SCADA系統更是供水技改項目決策層頗為青睞的解決方案。

    為了適應城市現代化、供水信息化發(fā)展，有效地實(shí)現微機“三遙”（遙測、遙控、遙信）功能，實(shí)現供水調度的智能化和生產(chǎn)管理的現代化，吳忠市自來(lái)水公司在第二水廠(chǎng)建設項目中，設計采用基于智能RTU的無(wú)線(xiàn)SCADA供水系統的實(shí)施方案。

1  工程概述

    寧夏吳忠市第二水廠(chǎng)是一新建項目。長(cháng)期以來(lái)，吳忠市市政供水由第一水廠(chǎng)供水。近年來(lái)隨著(zhù)城市規模的不斷擴大，第一水廠(chǎng)系統供水已越來(lái)越不能滿(mǎn)足城市工業(yè)生產(chǎn)、居民生活用水的需要，必須建設新的市政供水系統―第二水廠(chǎng)供水系統。該項目設計采用供水井泵將水輸送至自來(lái)水廠(chǎng)，經(jīng)加壓泵二次加壓的供水運行模式。

    吳忠市第二水廠(chǎng)供水系統設計水源井12組，24眼，擔負著(zhù)市區生產(chǎn)、自來(lái)水的補充和供給任務(wù)。在第一水廠(chǎng)設計的基礎上，要求無(wú)線(xiàn)SCADA系統從系統的實(shí)時(shí)性、先進(jìn)性、可靠性以及可開(kāi)發(fā)性等方面“與時(shí)俱進(jìn)”，全面實(shí)現真正的供水調度自動(dòng)化，并為今后的供水信息化建設奠定堅實(shí)的基礎。設計目標定位在安全、可靠、經(jīng)濟、實(shí)效，實(shí)現信息采集實(shí)時(shí)化，信息處理自動(dòng)化、供水調度自動(dòng)化，變靜態(tài)管理為動(dòng)態(tài)管理，供水調度員可以根據市區管網(wǎng)的變化和各水廠(chǎng)運行參數的綜合分析，合理的調整水泵的運行狀態(tài)和管網(wǎng)壓力，真正達到供水系統的穩定和經(jīng)濟運行。

2  設計中考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

        (1)  數據的實(shí)時(shí)性問(wèn)題

    基于普通RTU的無(wú)線(xiàn)SCADA系統，在國內應用并不少見(jiàn)，但總體效果并不理想。國產(chǎn)RTU的廠(chǎng)家很多，無(wú)論采用單片機＋無(wú)線(xiàn)MODEM一體化，還是PLC＋無(wú)線(xiàn)MODEM一體化，其理論數據傳輸送速率達9600bps，而實(shí)際負載運行時(shí)達到4800bps都有點(diǎn)困難。并且受天氣和地理環(huán)境位置的影響較大，受電磁干擾也大，這遠遠不能滿(mǎn)足工業(yè)供水及系統實(shí)時(shí)性要求。所以系統設備定位在進(jìn)口RTU產(chǎn)品，市場(chǎng)上主要有ELPRO系列RTU，MOTOROLA系列RTU等。

    中國無(wú)線(xiàn)管理委員會(huì )規定了大多的供水系統的工作頻段在220～240MHz，這決定了無(wú)線(xiàn)通信速率不可能很高，現在做得較好的可達19200bps，而且帶寬較窄。這就要求要充分利用有限的帶寬來(lái)實(shí)現數據的實(shí)時(shí)性采集。對無(wú)線(xiàn)調度監測系統而言，一般都是以點(diǎn)測或召喚應答方式進(jìn)行工作，以定時(shí)輪詢(xún)的方式取得各分站的數據，以實(shí)現分時(shí)利用有效的信道。但是這不是解決問(wèn)題的根本辦法。主要因為現在絕大多數RTU子站只能作為從站，而不能作為主站或對等節點(diǎn)進(jìn)行數據交互式傳輸。

    當然有的RTU也可以對等數據傳輸，采用POLLING方式定時(shí)上送，這也會(huì )造成信道擁堵現象。更為嚴重的是，會(huì )出現信號采集死區。例如，當某一供水區發(fā)生爆管時(shí)，水壓下降，若此時(shí)既無(wú)點(diǎn)測，又沒(méi)到定時(shí)輪詢(xún)時(shí)間，該區管網(wǎng)測壓點(diǎn)不可能將突然下降的壓力值及時(shí)傳送到調度室，造成未能及時(shí)處理管網(wǎng)異常。

    所以在SCADA系統運行中，為了保證數據的可靠性和完整性，一方面要求實(shí)現無(wú)線(xiàn)對等數據傳輸，即雙向通信，實(shí)現變化上送（REPORT）方式和定時(shí)上送（POLLING）方式相結合，變化上送可保證無(wú)線(xiàn)信道的最大利用率，而定時(shí)上送可保證系統數據的更新和完整性；另一方面在I/O組態(tài)中要求配置模擬量測點(diǎn)的限值、梯度參數，一旦越限或越梯度則可實(shí)時(shí)上傳數據，避免造成因為不能實(shí)時(shí)采集到故障信息而造成更大的損失。

        (2)  系統的柔韌性問(wèn)題

    系統柔韌性是當今信息科技不得不考慮的問(wèn)題，作為“數字化”供水時(shí)代的今天，市政供水企業(yè)越來(lái)越注視基于WEB技術(shù)及“Infranet　+　Intranet　+　Internet”一體化供水信息管理系統技術(shù)。在未來(lái)的供水信息網(wǎng)除了生產(chǎn)管理系統外，還包括營(yíng)業(yè)收費系統、表務(wù)管理系統、熱線(xiàn)報修系統等客戶(hù)服務(wù)系統（CSS），辦公自動(dòng)化系統（OA），管理信息系統（MIS）。當實(shí)現數據的集散控制后，要求實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和Internet應用技術(shù)，實(shí)現各種信息網(wǎng)的互聯(lián)，達到數據和資源共享。

    可擴展性是系統柔韌性的另一方面。隨著(zhù)城市化進(jìn)程的加快和居民的增加，供水的地域范圍和規模也在不斷地的擴大，供水調度系統的功能要求不斷升級。在對原有供水調度系統進(jìn)行擴展的時(shí)候，往往由于系統的可擴展性差而導致大量淘汰原有設備，造成原有投資的浪費，增加了擴展成本?；蛘哂捎跊Q策時(shí)無(wú)法接受這種浪費和高成本，放棄高性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品，選擇已經(jīng)相對落后的同類(lèi)產(chǎn)品用于擴展，結果導致投資產(chǎn)出比低下，使系統無(wú)法充分發(fā)揮作用。為了避免這種情況的發(fā)生，在建立城鎮供水調度系統時(shí)必須要充分考慮系統的可擴展性，作為無(wú)線(xiàn)SCADA系統也要求具有良好的柔韌性，即根據供水管網(wǎng)規模實(shí)時(shí)增加無(wú)線(xiàn)RTU子站，在系統上要求有足夠的可擴展性。一般情況下無(wú)線(xiàn)RTU子站數不會(huì )超過(guò)128個(gè)。如果更大的供水管網(wǎng)規模怎么辦，采用什么方式解決，這是供水系統“與時(shí)俱進(jìn)”的問(wèn)題。

        (3)  設備的可靠性問(wèn)題

    可靠性是指設備在指定條件下，在指定時(shí)間周期里，完成其預定功能的能力。是指在一定的運行時(shí)間里出現故障次數的概率?？煽啃缘暮脡挠筛鞑考?/SPAN>(包括設備硬件和軟件)本身的可靠性以及將各部件整合時(shí)的合理性所決定。一般采用平均無(wú)故障間隔時(shí)間（MTBF）衡量。

    不同供應商的無(wú)線(xiàn)RTU產(chǎn)品所采用的元氣件的性能和整體設計制造、整合能力有很大差異，因此產(chǎn)品的性能存在著(zhù)巨大差異。目前市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)RTU又可以分為集成一體化式和分立式兩種。前者為專(zhuān)業(yè)性的公司生產(chǎn)，提供的是無(wú)線(xiàn)RTU的整體MTBF指標。而分立式由不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品組合而成，方式多樣。由于存在太多的不確定因素，確定無(wú)線(xiàn)RTU的整體MTBF指標會(huì )比較困難。而MTBF指標的高低直接影響著(zhù)設備運行后的管理和維護成本。

    在設備選型過(guò)程中，為了保證設備的利用率，一方面要求各部件MTBF指標大大超過(guò)系統的運行時(shí)間，同時(shí)要求系統整合后MTBF時(shí)間應不低于8000小時(shí)。具體到RTU子站，要求選用低功耗的RTU，并要求采用休眠工作方式工作。

        (4)  系統可維護性問(wèn)題

    可維護性是指系統在給定的使用條件下，當發(fā)生故障后，恢復其全部功能及正常工作狀態(tài)的能力。一般采用平均故障修復時(shí)間（MTTR）進(jìn)行衡量。

    在設計中要求RTU設備具有故障自診斷功能，能在第一時(shí)間確定發(fā)生故障的位置，并在上位計算機中顯示?？梢源蟠罂s短故障確認時(shí)間。

    準備工作包括備件的準備，維修計劃的制訂，維修人員的安排，維修設備的準備等。采用專(zhuān)業(yè)性公司集成一體化的無(wú)線(xiàn)RTU，由于接口少，備件容易準備且售后服務(wù)可以有保證。提高管理水平，加強備件管理，縮短制訂計劃和人員安排的時(shí)間。

    修理時(shí)間由維護人員的專(zhuān)業(yè)技能，設備拆裝和修理的難易程度所決定。設備修理的專(zhuān)業(yè)要求高的對維護人員的要求就高，人員培訓費用和人員流失風(fēng)險也高。修理時(shí)間也會(huì )較高?？蓭щ姛岵灏蔚脑O備，由于拆裝方便，可節省維護時(shí)間。

        (5)  供水信息化建設

    城市供水體系是一個(gè)由城市人群生產(chǎn)生活過(guò)程產(chǎn)生的、物理位置分散、分布參數多、生產(chǎn)過(guò)程及結果透明度高的開(kāi)放型系統。系統設計、軟硬件設備選型都要堅持開(kāi)放性。只有堅持開(kāi)放性原則，充分利用各種社會(huì )資源，才能節省投資。根據以上技術(shù)特點(diǎn)，基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和WEB應用技術(shù)的SCADA結構模型―基于WEB技術(shù)及“Infranet+Intranet+ Internet”一體化供水信息管理系統是比較理想的。在選擇模型上應選用系統穩定性好、維護量小的B/S，不宜采用平面型多層次的網(wǎng)狀C/S結構。未來(lái)的供水信息網(wǎng)除了生產(chǎn)管理系統外，還包括營(yíng)業(yè)收費系統、表務(wù)管理系統、熱線(xiàn)報修系統等客戶(hù)服務(wù)系統，辦公自動(dòng)化系統，信息管理系統。當實(shí)現數據的集散控制后，要求實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和Internet應用技術(shù)，實(shí)現各種信息網(wǎng)的互聯(lián)。本工程中這是第二期工程，但要按照自來(lái)水公司信息化建設規劃綱要總體規劃進(jìn)行實(shí)施。

3  GPRS解決方案的幾點(diǎn)考慮

    勿庸置疑，GPRS大幅提高了頻譜的利用和開(kāi)發(fā)，在移動(dòng)數據服務(wù)和語(yǔ)音數據服務(wù)中有其獨有的優(yōu)勢，但仍存在許多不完善的地方。

    (1)  有限的蜂窩站容量。GPRS的應用會(huì )沖擊現有的網(wǎng)絡(luò )容量。僅有有限的射頻資源允許用來(lái)開(kāi)發(fā)新的用途，達到一個(gè)目的就達不到另一個(gè)。GPRS對容量的影響取決于留給GPRS應用的時(shí)隙多寡。GPRS可以動(dòng)態(tài)管理頻道配置，可在信號流量高峰期時(shí)使用短消息傳送以減少頻道的負荷。

    (2)  傳輸延遲。GPRS封包數據向各個(gè)方向傳輸，最終到達同一目的地。這種傳輸途徑使被傳輸數據包有可能在射頻鏈中遺失或損毀。GPRS標準涵蓋了無(wú)線(xiàn)封包技術(shù)這一特征并采用數據整合和再傳方法，但可能造成潛在的傳輸延遲。

    (3)  沒(méi)有儲存和發(fā)送功能。SMS的存儲和發(fā)送引擎是SMS中心的核心，也是SMS服務(wù)的主要功能。GPRS標準中未提及任何存儲機制，除SMS與GPRS的互相鏈接。

    根據供水設計的獨立性規劃，以及GPRS的技術(shù)特點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)RTU的優(yōu)勢，綜合比較后選用了無(wú)線(xiàn)RTU的設計方案。這種選擇一方面解決了形成獨立的供水系統無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，另一方面可以很好的實(shí)現未來(lái)供水信息化的需求。

4  系統決策方案

    從宏觀(guān)上考慮，吳忠第二水廠(chǎng)供水信息化建設采用分二步走的戰略。第一步實(shí)現基于智能RTU的無(wú)線(xiàn)SCADA供水調度系統；第二步實(shí)現基于WEB技術(shù)及“Infranet+Intranet+ Internet”一體化的供水信息管理系統。

    針對上述分析，該廠(chǎng)在第一步戰略中，選用了澳大利亞ELPRO系列智能RTU，實(shí)現無(wú)線(xiàn)SCADA供水系統的改造和建設。該RTU主要具有如下特點(diǎn)：

    (1)  從數據實(shí)時(shí)性方面，真正實(shí)現了REPORT方式和POLLING方式相結合，有效了解決了數據實(shí)時(shí)性和完整性問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)I/O組態(tài)避免管網(wǎng)壓力采集死區。

    (2)  從系統柔韌性方面，可有效實(shí)現系統的擴展。它可通過(guò)設定系統地址滿(mǎn)足市政供水規模擴大的需要。每個(gè)系統地下最多可設定96個(gè)RTU子站。

    (3)  從系統可靠性方面，ELPRO智能RTU子站MTBF高達80000小時(shí)，這是RTU一體化后的MTBF。此外由于系統采用了獨特的抗干擾屏蔽專(zhuān)利技術(shù)，大大提高了無(wú)線(xiàn)系統的可靠性。

    (4)  從系統可維護性方面，采用了一體化技術(shù)，標準化DIN導軌安裝，帶電可插拔接線(xiàn)端子，多種科學(xué)的供電方式，這些專(zhuān)用特點(diǎn)都有效提高了系統的可維護性。

    (5)  從信息化建設上看，ELPRO一直致力于供水系統的信息化建設，先后生產(chǎn)出了基于MODBUS、PROFIBUS、DF1和ETHERNET的中心調度機，這一點(diǎn)對實(shí)現供水信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構大有裨益的。

    此外，該系列智能RTU還具有五級中繼功能，這大大節約了中繼設備成本；在RTU子站供電方式上，采用科學(xué)的供電方式，交直流供電、電池供電和太陽(yáng)能供電三種方式，這給現場(chǎng)的設備安裝供電帶來(lái)更多的解決方案。

    基于智能RTU的無(wú)線(xiàn)SCADA供水調度系統主要由兩層控制實(shí)現，上位系統主要由一套工程師站，一套操作員站、中央調度機及交換機等構成；現地控制系統主要由二級泵房現地工作站、水源井遠程終端工作站RTU12套、城市管網(wǎng)測壓RTU12套組成，其中二級泵房現地工作站選用Modicon Quantum系列PLC和一套通信前置機，兼作現場(chǎng)人機交流界面。

圖1系統網(wǎng)絡(luò )圖

    系統網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。系統集控制、數據采集功能為一體，采用“集中管理、分散控制、數據共享”的原則，由中央監控工作站和現場(chǎng)分散控制站組成全廠(chǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )，完成整個(gè)水廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態(tài)的檢測及故障報警。中央控制室配備有大屏幕模擬屏。

    數據采集實(shí)現原理：原始數據由PLC和RTU采集進(jìn)來(lái)打包后傳送給現場(chǎng)控制站，由現場(chǎng)控制站通過(guò)以太網(wǎng)/總線(xiàn)傳向中央控制站，中央控制站將數據通過(guò)動(dòng)態(tài)數據交換賦值給圖控軟件，圖控軟件在人機界面顯示及生成實(shí)時(shí)數據庫的同時(shí)，通過(guò)ODBC將數據送SQL數據庫。

5  結語(yǔ)

    在整個(gè)項目決策過(guò)程中，ELPRO中國公司與吳忠市政供水決策層進(jìn)行緊密的合作和探討，一方面就新一代智能RTU的發(fā)展趨勢和無(wú)線(xiàn)SCADA系統在供水行業(yè)的應用作了全面分析和綜合把握，并針對第一水廠(chǎng)SCADA控制系統存在的問(wèn)題尋求出良好的解決方案。本決策方案正在實(shí)施過(guò)程中?？梢灶A期，基于新一代智能RTU的無(wú)線(xiàn)SCADA系統將會(huì )翻開(kāi)吳忠市供水行業(yè)的新的篇章。