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1、分类号 密级 UDC 工程硕士学位论文基于PLC的供水管网SCADA系统的研究黄小芹学科专业 控制工程 指导老师 李啸骢 教 授企业导师 高革武 高 工论文答辩日期 2011年 月 日 学位授予日期 2011年 月 日 答辩委员会主席 论文评阅人 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明学位论文原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：
2、年 月 日学位论文使用授权说明本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：即时发布 解密后发布（保密论文需注明，并在解密后遵守此规定）论文作者签名： 导师签名： 年 月 日基于PLC的供水管网SCADA系统的研究摘 要SCADA（Supervisory Control And Dat
3、a Acquisition，监控与数据采集）系统是集计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的现代信息技术，具有遥信、遥测、遥控、遥调功能，它能够有效地提高生产效率。近年来已被广泛地应用于我国的各个领域，尤其是工业生产领域。随着城镇人口的增多，传统的水生产管理方法已经无法满足人民生活和工业生产的用水需求，若在供水管网中采用SCADA系统则可以提高供水公司日常生产的管理水平，有效合理地利用水资源，满足城镇用水需求。目前，我国大多数中小城市的供水公司已经建成了各自的供水监控系统，并取得较好的效果。本课题以玉林市供水公司为背景，针对该公司的实际情况以及需求，设计并构建了一个基于PLC的供水管网SCA
4、DA系统。该系统由主站系统、现场控制系统和通信系统三部分组成。主站系统通过远程终端设备RTU以及GPRS网络，能够有效地对供水管网水压进行实时监测，并能够为管理人员进行科学调度水资源提供可靠方案。现场控制系统则采用德国西门子公司的S7系列PLC来构建，它能够监测该供水公司的整个自来水处理过程，并根据工艺要求对电气设备进行自动化控制。通讯系统采用因特网、GPRS无线网络、现场控制总线等多种通讯方式实现数据信息的传输。本论文讨论的设计方案及实施步骤，对玉林市自来水公司以及其他供水公司建立供水管网SCADA系统具有一定的参考价值。关键词： 供水管网 SCADA系统 PLC Reserch of Wa
5、ter Supply Network SCADA System Based on PLCABSTRACTSCADA（Supervisory Control And Acquisition）System is a new information technology，which is supported by computer technology，communication technology and autocontrol technology. With the use of telecommand, telemetering，telecontrol and teleadjusting
6、technology， the SCADA Systerm can effectively improve the production efficiency. So in rencent years，SCADA Systerm has been widely applied in many fields of our country，especially the industial production field.Along with the increasing of population in the city，the traditional water supply system h
7、as faild to meet the demands of the people and the factories. If the SCADA System is used in water supply network，it can improve the management level and satisfy the demands of water.This paper is talking about how to build a SCADA System in the yulin city water supply company. It contains three par
8、ts，which is the master station system，the PLC control system and the comunication system. The first is master station system，it can get the information of the water network through RTU and GPRS network，and it also can help the manager making the right decitions of water supply. The second is PLC con
9、trol system，it let the manager knows the whole water production process directly and vividly，and it also can control the equipment automatically by PLC. The last is comunication system，it contains the Internet，GPRS wireless network and profibus，it can help the system to transmit information. The des
10、ign scheme propose in this thesis has reference value for yulin city warter supply company. Keyword：Warter Supply Network SCADA system PLC 目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 项目的背景及意义11.2 研究现状与发展趋势21.3 本文研究的主要内容3第二章 供水管网SCADA系统的设计42.1 供水管网SCADA系统的设计与开发步骤42.1.1 供水公司的需求分析52.1.2 管理信息分析72.1.3 系统性能分析82.1.4 系统的开
11、发步骤92.2 供水管网SCADA系统的架构设计102.2.1 SCADA系统的构成102.2.2 SCADA系统的主站系统设计112.2.3 SCADA系统的现场控制系统设计122.2.4 SCADA系统的通信系统设计132.2.5 SCADA系统的远程终端单元系统设计132.3 本章小结14第三章 供水管网SCADA主站系统的实现153.1 SCADA主站系统硬件构成及实现153.2 SCADA系统软件构成及实现173.2.1 开发工具的选用与介绍173.2.2 系统软件的构建与实现183.2.3 系统专业名词解释233.2.4 系统界面与功能描述233.3 SCADA系统软件的上层应用2
12、83.4 本章小结30第四章 供水管网SCADA现场控制系统的实现314.1 软件简介及设备选型314.1.1 STEP 7 编程软件简介314.1.2 “KINGVIEW组态王”软件简介324.1.3 设备选型324.2 PLC控制站功能的实现334.2.1供水管网PLC控制站系统334.2.2 取水泵房控制分站的实现414.3 本章小结51第五章 供水管网SCADA通信系统的实现525.1 有线通信系统的实现525.1.1 现场总线技术525.1.2 过程现场总线PROFIBUS535.1.3 INTERNET网络技术535.2 无线通信系统的实现535.2.1 通信方式的分类及选择545
13、.2.2 GPRS无线通信方式555.3 通信协议595.3.1 过程现场总线Profibus通信协议595.3.2 TCP/IP协议595.4 本章小结59第六章 总结及展望606.1 总结606.2 展望60参考文献1致谢4攻读学位期间发表的学术论文5第一章 绪 论1.1 项目的背景及意义随着社会经济的迅速发展以及人口的日益增加，目前我国水资源的供需矛盾日益凸显。据对全国640个城市的调查研究表明，我国每年缺水的城市高达300多个，其中严重缺水的城市达114个，日缺水1600万吨，每年因缺水造成的直接经济损失高达2000亿元。2002年，我国城市人口约4.8亿，实际人均用水约为96m3，按
14、照人均每年120m3的标准，城市总缺水量为90亿m3。当前，我国可利用的水资源总量为2800亿m3，人均占有量不足2200m3，是世界人均水平的1/4，是世界上13个最缺水的国家之一，随着经济的快速发展，城市缺水情况更为严重，解决水资源供需问题已经迫在眉睫12。近几年，国内许多大中城市的供水公司纷纷投入大量资金建立现代化信息管理系统，例如供水管网SCADA系统，以提高供配水管理水平、缓解水资源的供需矛盾，达到高效合理利用水资源的目的，现已初见成效。今后，城市供水公司将会继续加大科技投入，利用科学技术改善水资源管理制度，以合理调度水资源，从源头上缓解我国水资源的供需矛盾。SCADA（Superv
15、isory Control And Data Acquisition）系统，也称为监控与数据采集系统，它是专用于生产过程监控与调度的自动控制系统，它不仅具有监测生产现场各类数据信息及监控生产现场设备的功能，还具有监控供水管网和优化生产调度系统的功能，若将SCADA系统应用于供水管网，则可以高效地解决水资源的供需问题。基于SCADA的供水管网系统既能够实时监测与分析供配水全过程主要设备的运行情况和运行参数，还能够辅助给水调度人员及时掌握水资源、各净水厂送水量、配水管网特征点的运行状态，并提出调度控制依据或实施参考方案，管理人员可以根据预定配水需求计划方案进行生产调度，可以大幅度提高供配水效率。鉴
16、于SCADA系统所具有的独特优势，目前，国内大中型城市供水公司已经普遍采用SCADA系统管理供水管网和生产现场。本人在该项目中主要负责SCADA现场控制系统中的取水泵房控制分站的设计与实施工作，该部分的工作内容包括对该控制站点进行需求分析、制定电气控制方案、配置PLC硬件设备、分配I/O地址、设计电气线路、根据控制要求设计和调试PLC程序、制作控制站点组态软件、现场安装与调试和整理技术文件。取水泵房控制分站建设完成后，系统在试运行阶段工作稳定可靠，能够满足用户要求。1.2 研究现状与发展趋势34上世纪初，许多发达国家将自动化控制技术广泛应用于工业生产领域后，大大加快了本国的工业生产效率，并取得
17、了巨大的经济效益。面对发达国家取得的巨大成果，我国意识到传统的生产制造方式会阻碍经济的发展，因此80年代初，国内在工业生产领域中引进了国外先进的自动化控制技术，同时开始自主研发该项技术，经过多年的研究与实践，国内的自动化控制技术已日渐成熟，近年来，我国各工业生产领域已经逐步采用国内自主研发的自动化控制系统，并取得了较好的成效。虽然国内自动化控制技术已经成熟，但由于我国各区域经济发展的不平衡，目前各城镇的供配水和生产自动化水平仍存在较大的差异，有的水厂自动化程度很高，有的水厂自动化程度较低，即便有一部分水厂已经采用自动化控制系统，但是仍存在一些不足之处，具体如下：（1） 资金问题是困扰许多水厂不
18、能一步到位地建设自动化控制系统，只能够逐步建设和完善系统，因此在同一个水厂会存在不同类型和等级的控制系统及控制方式，便造成系统兼容性差、维护难等问题；（2） 过去大部分水厂都采用进口的智能检测仪表，但由于售后服务缺失，存在仪表安装与维护困难的问题，若在使用过程中出现故障，经常无法修复，最终设备闲置，造成水厂的经济损失； （3） 控制系统的监控及通信功能不稳定，导致系统无法真正有效地提高生产效率；（4） 自来水生产工艺较为复杂，容易受到气候、季节、地域等外界因素的影响，例如，要准确地控制投药量，不仅需要合理的控制算法，还需要长期观测该地区的水浊度变化情况，要合理地调度水资源，则应建立有效的供配水
19、管网系统数学模型。提高供水公司的生产效率，需要建立一套具有良好的开放性、兼容性以及实用性的供水综合自动化控制系统，这是未来的发展趋势。该综合系统一般包括企业生产过程的SCADA系统、企业现代化管理系统、网络自动抄表收费系统以及供配水管网数学模型系统，其中企业生产过程的SCADA系统是其他系统建立的基础。近几年，我国在供水管网中采用计算机技术、PLC监控技术、智能化仪表以及通讯技术建立的SCADA系统已经取得较好的成效，它具有较好的稳定性、开放性以及实用性。尤其是目前在工业控制系统中，广泛采用的模块化设计理念和现场总线控制技术，能够为用户构建具有良好的开放性及兼容性的SCADA系统，彻底解决系统
20、不兼容的问题，最终帮助供水公司实现逐步投入资金以构建和完善SCADA系统的梦想。1.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容是：如何根据玉林市供水公司对SCADA系统的要求及投入经费预算，设计和构建一套经济适用的供水管网SCADA系统。承建方根据该公司的供配水和自来水生产工艺流程要求，提出了一套系统的设计方案，在工程实施过程中，不断地修改和完善该方案，最终为用户成功地构建了一个供水管网SCADA系统。论文以该工程项目为案例，用六个章节详细描述供水管网SCADA系统的设计与实现，以供其他公司参考，各章节内容如下：第一章：绪论本章主要介绍项目设立的背景、意义以及本人在该项目中所担任的工作，并简单分
21、析了我国目前供水系统存在的问题以及今后的发展趋势；第二章：供水管网SCADA系统的设计本章主要介绍了玉林市供水公司对SCADA系统的要求，并根据需求设计了供水管网SCADA系统的架构，其中包括主站系统、现场控制系统、通信系统、远程终端单元系统的架构设计方案，它为系统的实现构建了一个初步的框架。第三章：供水管网SCADA主站系统的实现本章主要介绍了SCADA主站系统构建的具体方案以及实施步骤，其内容包括主站系统硬件的构成及实现、主站系统软件的设计与实现、系统软件功能简介、系统软件的界面展示与说明等内容。第四章：供水管网SCADA现场控制系统的实现本章主要介绍了现场控制系统中各PLC控制分站的功能
22、以及构建方案等，虽然各分站的控制要求不同，但是其设计与实现方式基本相同，因此本章以取水泵房PLC控制分站为例详细阐述了该分站的实现步骤。第五章：供水管网SCADA通信系统的实现本章主要介绍了SCADA系统中经常采用的各种通信介质、通信方式、通信协议，并针对玉林市供水公司的实际情况，描述了本系统在各层之间所使用的通信系统。 第六章：总结与展望 本章根据用户试运行该系统后的感受，对本项目进行了简单的总结，其中包括项目实施过程中存在的问题与解决方案、系统性能情况的分析等，并对今后如何优化系统性能提出展望。第二章 供水管网SCADA系统的设计2.1 供水管网SCADA系统的设计与开发步骤5-7随着人民
23、生活水平的提高及城市人口的增长，人们对饮用水质量以及供水效率的要求也随之增高，这就迫使供水公司要不断改进生产工艺、扩大供水系统规模、增加供水量以满足用户需求。尽管长期以来供水公司为保证有效供水，已经研制出一套行之有效的生产规程及管理方法，但是这种传统模式已经难以满足供求关系，如果将现代自动化控制技术引入供水系统中，则可以实现对整个供水系统的监控、预测、管理以及优化调度，保证供水公司能够高效地产水及供配水。SCADA系统相比其他的现代自动化控制系统，具有明显优势，因此近年来在供水管网中得到广泛采用。在设计供水管网SCADA系统前，我们首先要了解自来水的生产过程，一般自来水的生产过程见图2.1。水
24、源取水净水供配水用户图2.1 自来水生产过程框图Fig.2.1 Tap water production process diagram 从图2.1可知，自来水的生产过程分为取水、净水、输水三个部分，每个过程需完成的任务是：（1） 取水过程：通过若干台大型离心泵将所需的水量从水源抽取原水，水源可来自地下水或地表水。（2） 净水过程：该过程在净水厂进行，水厂对送入的原水进行净化处理，以达到用水标准，其过程主要包括药剂配置与投加、混凝、沉淀、过滤。（3） 供配水过程：包括输水过程和配水过程两部分，输水过程负责将原水输送至净水厂，配水过程负责将净化的水通过供水管网配送至各用水点，为保证有效供水，可根
25、据实际情况在供水管网中增设中途加压站、测压点，见图2.2。图2.2 自来水供配水流程图Fig.2.2 Tap water supply flow在自来水生产过程中，以净水厂的生产工艺最为复杂，其工艺流程见图2.3。 净水出厂原水混凝沉淀过滤消毒图2.3 净水厂工艺流程框图Fig.2.3 Tap water production flow从图2.3可知，净水工艺包括混凝、沉淀、过滤和消毒四个过程，在自来水生产过程中引入SCADA系统，不仅可以提高生产效率，还可以提高自来水水质，达到高效利用水资源的目的3。2.1.1 供水公司的需求分析玉林市供水公司的自来水生产的工艺流程见图2.4。图2.4 玉林
26、市供水公司水生产工艺流程框图Fig.2.4 The water process of Yulin city water supply company玉林市供水公司制水工艺流程见图2.5。图2.5 玉林市供水公司制水工艺流程图Fig.2.5 The water process of Yulin water supply company根据图2.4、图2.5两幅流程图，可将该供水公司的生产工艺流程归纳为五个过程：取水过程、配置与投加药剂过程、混凝沉淀过程、过滤过程及送水过程。设计供水管网的SCADA系统时，可按照这五个模块设计生产现场数据采集与控制部分的功能：（1）取水过程：该过程是通过取水泵抽取
27、苏烟水库的原水，送至配水井，在这个过程中，系统需要监测原水流量、出厂水水位、机组电量、机组温度，并根据中心调度室的指令监控四台低压取水泵、四台高压取水泵、两台排水泵的启停及变频运转；（2）配置与投加药剂过程：负责按照工艺要求配置适量的矾和氯，并投入矾和氯以达到混凝和消毒的目的，在该过程中，系统需要监测原水浊度、加氯量、余氯，并需要监控静态管式混合器和加氯机。（3）混凝沉淀过程：负责监控混合、絮凝、沉淀过程，在该过程中，需要监测水流量、温度、浊度，需要监控反冲洗流程。（4）过滤过程：通过石英砂去除水中的悬浮杂质，澄清水，并按工艺要求定时反冲洗石英砂，在该过程中，需要监控每个滤池鼓风机的电流及工作
28、时间、冲洗泵的的电流及工作时间。（5）送水过程：负责将自来水以一定的压力和流量送入供水管网，并监控供水管网水压，该过程需要监测清水池水位、浊度、余氯、水压、流量、电机温度、机组电量、供水管网水压，并监控六台送水泵的启停及变频运转。设计时应先确定上述过程中的现场采集数据信息以及控制信号，哪些是模拟量哪些是数字量，以及采用何种控制方式等。接着再分析和汇总供水公司各职能部门所需要的数据信息、报警界限以及控制权限，确保各职能部门能够及时获取所需数据信息并具有对应的系统监控权限，如出现问题，系统能够及时报警。例如中心调度室需要根据供水管网水压和流量信息来完成日常的自来水生产调度工作，SCADA系统则应定
29、时为该部门提供供水管网水压和流量的数据信息；中心控制室需要监控整个制水过程以确保水质和水量， SCADA系统则应为该部门提供整个净水流程中所需实时数据信息（如水浊度、余氯、水位等），并赋予其制水流程系统的控制权限。总之，本系统应该包含实时数据采集功能、监控现场设备生产情况功能、历史数据存储及处理功能、报警功能、生产调度功能，以确保供水系统的正常运行，进而优化调度系统以提高生产效率。2.1.2 管理信息分析根据该供水公司的系统需求分析，本供水管网SCADA管理信息系统应具备以下功能：（1）数据采集功能系统根据公司调度中心的调度生产要求，需要采集以下的数据信息：供水管网各测压点的水压、电源供电情况
30、、耗电量、进/出厂水量、PH值、余氯、原水浊度、出厂水浊度、各控制阀和泵机的运行参数等。（2）数据传送功能将现场采集到的数据实时地传送到生产调度中心服务器，即主站系统服务器。（3）数据显示以及分析功能主站系统将获得的各种信息和数据，通过分析、加工，以图表、动画等形象的方式显示出来，以便于管理人员直观地了解生产情况。（4）历史数据的存储、查询、分析及检索功能根据公司各部门的信息检索、查询以及分析历史数据的要求，系统应能够实现历史数据存储、查询、分析及检索功能。（5）报表显示以及打印功能系统自动生成各类生产情况的日、月和年报表，并能够随时打印。（6）遥控功能系统根据公司生产调度需求，允许操作人员在
31、调度中心遥控有关水泵的启/停。（7）报警功能如果管网水压出现异常（不足或超限），或者水泵出现运行异常（电压、电流不足或过载），系统及时报警。（8）网络功能将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。2.1.3 系统性能分析本系统在设计及建设当中，应满足以下原则：（1）可靠性原则可靠性原则指系统应具有强大的容错能力以及处理突发事件的能力，即发生突发事件时，不会导致数据丢失或者系统瘫痪，同时还要保证系统数据库中的所有数据应准确可靠，这个原则是本系统最核心的原则。（2）实用性原则实用性原则指系统应尽可能地满足供配水业务需求且灵活实用，该原则体现在能够便于系统管理、用户应用、数据更新以及系统升
32、级等方面，同时还体现在具有完善的数据库、系统优化的系统结构以及灵活简便的用户界面上，该原则是系统设计的基本出发点和最高要求。（3）经济性原则经济性原则指在保证各项功能完满实现的基础上，以最好的性价比来配置系统的软件和硬件，甲乙双方共同合作，在较短时间内完成系统的建立，使系统尽快发挥经济效益与社会效益。（4）科学性原则科学性原则指系统应采用“供配水管网系统数学模型”仿真和优化供水管网，因此在设计与开发系统时，应以“软件工程”的思想及方法来构建该系统，从而保证系统结构具有科学性和合理性。（5）开放性原则开放性原则指系统应具有强大的兼容性及拓展性，若开发系统软件时采用面向对象技术和控件技术，今后能方
33、便地重构和搭建系统，同时也便于系统不断地扩充和完善。（6）完备性原则完备性原则指系统中的各种数据应是全面的、完整的，且能够最大限度地满足系统各项功能的需要。（7）规范性原则规范性原则指系统各项功能应符合供水公司供配水管网的管理要求，信息编码应遵循行业标准、地方或国家颁布实施的规范。（8）可操作性原则可操作性原则指系统应有良好的用户界面，用户操作简便、易学易懂、灵活且符合供水行业的实际工作模式。（9）先进性原则先进性原则体现在设计系统和硬件配置时，应充分考虑到系统今后的发展和升级，让系统具备一定的扩展能力，尽量采用先进的应用系统技术。2.1.4 系统的开发步骤本供水管网SCADA系统的开发将分为
34、可行性研究分析、初步设计、详细设计、系统实施、系统测试和系统运行维护六个阶段进行，开发系统时不完全按照这六个阶段的先后顺序直线进行，而是发现一个环节出现问题或者存在不足之处时，都要回到相应的阶段进行修改和完善，直至SCADA系统竣工验收完毕。SCADA系统的设计与开发步骤流程见图2.6。图2.6 SCADA系统设计与开发步骤流程图Fig.2.6 The design and development of SCADA system2.2 供水管网SCADA系统的架构设计2.2.1 SCADA系统的构成在供水管网中引入SCADA系统可以实时有效地对供水过程进行监控与管理，本系统结构见图2.7。图2
35、.7 SCADA系统结构图Fig.2.7 The structure of SCADA system从图2.7中可知，SCADA系统主要包含三部分：第一部分是主站系统（上位机），包括管理层、数据存储分析层及SCADA监控层，负责监控现场控制系统；第二部分是现场控制系统（下位机），负责采集相关数据（如管网水压情况等），以及对现场设备（如水泵）的控制；第三个部分通信网络，负责主站网络系统内部的通信，现场控制系统网络内部的通信，以及主站系统与现场控制系统之间的通信。虽然SCADA系统的这三个组成部分功能不同，但是在SCADA系统中采用的“集中管理、分散控制”的构思，保证了各系统能够独立运行，并具有较
36、强的安全性。因此，这三者有效的集成构成了具有强大功能的SCADA系统，实现了对整个供水过程的有效监控3。2.2.2 SCADA系统的主站系统设计SCADA系统的主站系统一般包括硬件系统部分及软件系统部分。1、硬件系统的设计硬件系统包括由计算机组成的工程师工作站、管理者工作站、操作员工作站、WEB服务器、数据库系统、通讯前置系统等。各部分的功能如下：（1）工程师工作站：负责组态制作及系统的维护工作；（2）管理员工作站：负责进行生产调度管理，确保系统正常运行；（3）监控工作站：负责监控整个生产过程，为生产调度中心提供现场信息，并根据调度指令控制现场设备；（4）WEB服务器：提供网上信息浏览服务；（
37、5）数据库系统：保存历史数据、实时数据的服务器；（6）通讯前置系统：主要用于解析各种不同的通讯协议，完成数据转发和处理，包括计算机、MONDEN、串口、网络接口、防雷设备、机架等；（7）附属设备：包括投影仪、投影幕、打印机等。2、软件系统的设计开发SCADA软件系统常用的系统平台及工具有：Windows、UNIX、Linux操作系统平台，Oracle、Sybase、SQL Server数据库平台，VB、VC+开发语言。本SCADA软件系统的开发基于Windows操作系统平台，采用VB.net进行前台开发，SOL Server进行后台数据维护，可以实现预测及优化算法，并具有人机对话环境、精致的动
38、态图形界面。 SCADA主站的软件管理系统按功能分为8个管理子系统，其结构如图2.8所示。地形图库管理子系统管网数据库管理子系统管网数据管理子系统管网报警管理子系统管网事故处理子系统管网维护管理子系统管网通讯管理子系统管网生产调度子系统SCADA主站软件管理系统图2.8 SCADA主站的软件管理系统框图Fig.2.8 The structure of SCADA software 2.2.3 SCADA系统的现场控制系统设计SCADA系统的现场控制系统一般由现场监控站、PLC控制分站及通讯网络三部分所组成，该系统部分的设计包括以上三部分，PLC控制分站在整个现场控制系统中起到承上启下的作用，其
39、性能将直接影响整个控制系统，其设计流程如图2.9所示。图2.9 SCADA系统现场PLC控制站设计流程框图Fig.2.9 The PLC design flow of SCADA system 在设计现场控制系统时，必须考虑以下三个方面：一，保证系统的正常运行；二，投入资金有效合理；三，在满足以上两个条件的前提下，应具有一定的前瞻性，今后若生产工艺发生改变，PLC控制分站应有一定的拓展空间，因此PLC控制分站的设备选型非常重要。2.2.4 SCADA系统的通信系统设计通信系统在SCADA系统中极为重要，它可以保证系统数据信息的实时可靠传输以及控制命令的准确传达。一个大中型的SCADA系统一般包
40、含多层次的通信网络，且通信形式多种多样。对于本SCADA系统而言，应根据该供水公司的实际情况选用合适的通信方式，例如，该供水公司各管网测压点地域分散，因此需要采用无线通信网络监测管网水压；现场控制系统需测试的数据信息和控制设备类型多样，则采用现场总线通信方式；控制中心与现场控制站点之间采用有线通信方式；控制中心内部采用以太网通信方式。2.2.5 SCADA系统的远程终端单元系统设计SCADA系统的远程终端单元系统包括各类检测仪表和执行设备，如PAC、智能仪表、可编程逻辑控制器PLC、远程终端设备RTU等，它从属于现场控制系统，在系统中起着重要作用，它可以完成生产现场数据信息的采集以及现场电控设
41、备的控制等。2.3 本章小结本章详细说明了玉林市供水公司供配水调度以及水生产的工艺流程，针对该公司实际情况进行供水管网SCADA系统的需求分析，并根据需求设计了一套经济适用的供水管网SCADA系统的架构，其中包括主站系统、现场控制系统、通讯系统、远程终端单元系统的架构设计方案，为系统的实现做好准备工作。第三章 供水管网SCADA主站系统的实现3.1 SCADA主站系统硬件构成及实现供水管网SCADA系统是否能够稳定、可靠且有效地运行，最基础的条件是要保证系统具有性能稳定的硬件设施，因此在设计SCADA主站系统的软件部分之前，我们应该根据系统的需求，以及用户的资金预算，购置性价比较为合理的硬件设
42、备。一般SCADA主站系统的硬件部分包括通讯前置系统、工程师工作站、管理者工作站、操作员工作站、实时数据库服务器、历史数据库服务器、WEB服务器七个部分。本供水管网SCADA主站系统的硬件结构见图3.1。图3.1 供水管网SCADA主站系统的硬件结构图Fig.3.1 The hardware structure of water supply SCADA master station system 当SCADA系统应用在不同的工业领域时，对硬件设备的性能要求也各不相同。因此，工程设计人员应根据用户的实际情况，配置适合当前系统需求且具有一定扩展性的硬件设备，不需要一味地追求高性能配置。供水管网S
43、CADA主站系统的硬件选择原则及其配置情况如下：1通讯前置系统8通讯前置系统是SCADA主站系统的通信枢纽，一般包括前置计算机、MODEN池或串口池、网络接口、防雷措施及机架，它主要负责各种不同规约的解析、通讯接口数据的处理等，可实现远动系统的连接、站级计算机的连接及站内信息的采集等功能。通讯前置系统必须具有较强的抗电磁干扰能力、实时性及低功耗等性能，研华UDO-2170是一款高性能的通用网络控制器，可以满足以上性能要求。本系统采用两台研华UDO-2170通用网络控制器作为主/备通讯前置机，以构建实时稳定的网络系统。2工程师工作站工程师工作站主要负责制作组态画面以及维护系统等工作，因此硬件要求
44、具有较强图像处理能力，一般由若干计算机构成，可根据实际需要选择计算机的台数。本系统的工程师工作站由2台计算机构成，一备一用，它们之间可以相互通讯，采用的是联想扬天 A6880F C2D E7500 2G500RH(XP)Q型号的计算机。3管理员工作站生产调度中心的管理员负责监控整个供水管网，实时通报生产及管网运行情况，并制定调度方案，以保证有效可靠地为用户供水，发生突发事件时要协助各相关部门迅速制定处理方案。因此管理员工作站应具有系统画面监控、报警及处理等功能，硬件要求具有快速而稳定的事件处理能力。本系统的管理员工作站由2台计算机构成，它们之间可以实现互相通讯，采用联想扬天 A4600K PD
45、C E5500 2G500DH(W7B)型号的计算机。4操作员工作站操作员工作站负责实时监控整个自来水生产过程的情况，它依据生产调度工作站发出的命令来控制生产过程中的现场设备，保证系统的正常运行，因此硬件要求实时性强且运行稳定。监控工作站一般可以仅由一台服务器和若干显示屏构成，服务器负责接收管理员工作站发出的指令以及对现场设备发出控制命令，其余的显示屏只需要显示各现场设备工作情况的组态画面或者视频画面即可。本系统的监控站由一台服务器和2台19寸显示器构成，服务器采用联想ThinkStation E20 4222DC2型号的服务器。5实时数据库服务器实时数据库是数据库技术与实时处理技术的结合，它
46、在SCADA系统中主要用于生产过程的自动采集、存储及监控，它帮助用户完成现场生产过程数据的实时采集与存储，并通过画面形式反映当前的生产情况，为用户提供准确清晰的操作画面，这样既能够消除企业管理与生产过程控制之间的鸿沟，又为企业上层应用软件的信息挖掘提供了有效的数据来源。供水公司的生产管理者要及时了解生产情况，因此实时数据库必须提供与现场生产情况同步的监控画面，并要求系统具有高效的查询功能，以便于决策者快速地做出正确判断和决策，保证生产的正常进行。由此可见，SCADA系统中的实时数据库系统应具备实时、可靠及稳定的特性，要满足这些特性就要求系统硬件具有较大的内存容量和较快的存储速度。本系统配置硬件时优先考虑以上因素，尽量选取性价比较高的硬件设备，以保证系统的正常运行。实时数据库服务器采用联想D20 415538C型号的服务器。6历史数据库服务器历史数据库主要用于存储生
