趙紅燕，劉同輝，楊國永

（廣饒縣水利局，山東 廣饒 257300）

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

稻莊鎮(zhèn)位于廣饒縣中部，轄51個(gè)村，現(xiàn)狀農(nóng)村集中供水工程設(shè)計(jì)總?cè)丝?萬人，全鎮(zhèn)一網(wǎng)，以4眼直供深井為水源，供水能力為5000m3/d,4眼水源井分散布置，除1眼位于供水管理中心外，其他3眼位于離供水管理中心1km到3km不等的距離上。在實(shí)施信息化工程之前，供水中心外的3眼水源井，各雇傭1名工作人員，長期值班。需控制水源井水泵時(shí)，由供水中心電話通知現(xiàn)場工作人員進(jìn)行操作。這種供水方式存在以下幾點(diǎn)不利：一是長期雇傭3名工作人員，造成供水成本較高；二是工作效率低、反應(yīng)速度慢；三是各水源井不能實(shí)時(shí)調(diào)整水泵運(yùn)行狀態(tài)，造成電量浪費(fèi)；四是水泵的運(yùn)行狀態(tài)、電量、壓力等參數(shù)不能長期記錄，難以形成歷史資料；五是不能對事故前期征兆進(jìn)行分析與預(yù)防；六是人員工作量大，任務(wù)繁重，容易造成疲勞，人為操作錯誤。

為解決上述問題，廣饒縣按著先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性相兼顧、典型性與實(shí)用性相結(jié)合的原則，確定稻莊鎮(zhèn)供水信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體目標(biāo)為：

（1）實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程測控，達(dá)到節(jié)省人力，降低供水成本的目的。水源井達(dá)到長期無人值守狀態(tài)，操作人只需要在供水中心主控室就能對全鎮(zhèn)4眼水源井實(shí)現(xiàn)遙控，完成各種電參數(shù)、供水參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)及現(xiàn)場視頻圖像的采集及分析。

（2）系統(tǒng)有適度的自適應(yīng)性及安全穩(wěn)定性。廣饒縣一年中氣溫變化劇烈，極端最高氣溫達(dá)41.3℃，極端最低氣溫-23.3℃，此外供水量隨著季節(jié)和晝夜有很大變化，控制系統(tǒng)須適應(yīng)環(huán)境和供水量的變化，穩(wěn)定運(yùn)行。且系統(tǒng)在安裝后保留手動操作功能，當(dāng)信息化系統(tǒng)出現(xiàn)意外故障時(shí)，可以轉(zhuǎn)為手動操作，不影響供水。

（3）系統(tǒng)有良好的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)須采用具有一定標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用較為廣泛的軟硬件產(chǎn)品，并考慮一定的余量，在軟硬件的設(shè)置上預(yù)留I/O接口。為將來的擴(kuò)建及系統(tǒng)的變更打下基礎(chǔ)。

（4）系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)集成化、模塊化。要充分考慮集成化的設(shè)計(jì)，降低建設(shè)成本，視頻信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號要在一套系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸、存儲、處理。系統(tǒng)組件要發(fā)揮模塊化優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，設(shè)計(jì)周期短。

2 信息化系統(tǒng)配置

2.1 系統(tǒng)層次劃分

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為1個(gè)調(diào)度中心和4個(gè)遙測站，調(diào)度中心設(shè)在供水管理中心，遙測站設(shè)在4眼水源井處，各遙測站對所控制水源井的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量、數(shù)字化采集并自動記錄，上傳至調(diào)度中心，控制中心發(fā)送指令對遙測站的水泵、視頻攝像機(jī)等設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)可分為三層：第一層為現(xiàn)場信息傳感設(shè)備，由超聲波流量計(jì)、壓力計(jì)、深井液位計(jì)、智能電表、攝像頭、紅外報(bào)警器等測量儀表構(gòu)成；第二層為現(xiàn)場測控單元（RTU），由分布在水源井的PLC和數(shù)據(jù)通信服務(wù)器、視頻服務(wù)器及其附屬設(shè)備構(gòu)成，其作用是對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行初期處理；第三層為數(shù)據(jù)管理單元，由調(diào)度中心內(nèi)的數(shù)據(jù)采集存儲服務(wù)器及其附屬設(shè)備構(gòu)成，其作用是對RTU傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與存儲，并對RTU發(fā)送控制指令。

2.2 RTU主要設(shè)備的配置

信息化系統(tǒng)各種采集數(shù)據(jù)的傳感器，起著接受信息、傳遞信息的作用，它們的靈敏性、安全性、穩(wěn)定性、可靠性是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中主要的RTU數(shù)據(jù)采集設(shè)備有：壓力傳感器、超聲波流量計(jì)、電量采集模塊、深井液位計(jì)、一體化攝像機(jī)、紅外報(bào)警器；數(shù)據(jù)傳送設(shè)備有協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、交換機(jī)、無線網(wǎng)橋、視頻服務(wù)器。

（1）壓力傳感器：采用麥克公司的 MPM489型壓阻式壓力變送器。

（2）超聲波流量計(jì)：采用YB-70-超聲波流量計(jì)。

（3）電量采集模塊：采用測量精度達(dá)到商業(yè)計(jì)費(fèi)水平的三相電子式多功能電能表。

（4）深井液位計(jì)：采用 MPM489 0-60米量程壓阻式壓力變送器。

（5）一體化攝像機(jī)：采用海康威視一體化攝像機(jī)及云臺，分辨率不小于480線。

（6）紅外報(bào)警器：采用夜狼YELANG-007雙元紅外移動探頭。

（7）協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備要求配備，RS232轉(zhuǎn)RS485模塊，TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換服務(wù)器。

（8）交換機(jī)：采用工用級華為LS 8口交換機(jī)。

（9）無線網(wǎng)橋：采用藍(lán)斯特HYW-2410T無線網(wǎng)橋，傳輸速率54Mbps。

（10）視頻服務(wù)器：采用海康威視高清視頻服務(wù)器，帶有RS485/RS232串口。

2.3 通訊方式的選擇

在遠(yuǎn)程信息化系統(tǒng)中，通信的技術(shù)性能是全面衡量整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要內(nèi)容。常用的通信方式有有線和無線兩種。目前無線傳輸方式根據(jù)離控制中心的距離、供電條件、傳輸數(shù)據(jù)的多少等，一般選擇FSK數(shù)傳電臺、GSM短消息模塊、中國移動GPRS通訊模塊、中國聯(lián)通CDMA通訊模塊、3G網(wǎng)絡(luò)及無線網(wǎng)橋構(gòu)建以太局域網(wǎng)等方式。因FSK數(shù)傳電臺傳送速率小、GSM短信方式傳輸數(shù)據(jù)速率慢，不能滿足本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測及設(shè)備控制要求。通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS（General Packet Radio Service)作為 GSM 移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),以封包（Packet）方式來傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的多少來計(jì)算費(fèi)用，實(shí)時(shí)在線，理論上較為便宜，且其傳輸速率可達(dá)到564kbps甚至114kbps。碼分多址通信技術(shù)CDMA(Code Division Multiple Access)，擁有和GPRS一樣的優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線，按數(shù)據(jù)流量收費(fèi)，數(shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)153kbps。雖然中國移動的GPRS和中國聯(lián)通的CDMA用于傳輸測控?cái)?shù)據(jù)及控制指令綽綽有余，但本系統(tǒng)中除測控及指令數(shù)據(jù)外還有報(bào)警數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，傳輸速率最低要在50Mbit/s以上，GPRS和CDMA方式不能滿足帶寬需求，且這兩種方式需長期向通信服務(wù)商支付費(fèi)用，還需要有固定IP以接入internet,其費(fèi)用太高。3G網(wǎng)絡(luò)雖然滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，但是目前相關(guān)的3G設(shè)備種類較少、數(shù)據(jù)流量費(fèi)較高，而且廣饒縣的3G網(wǎng)絡(luò)還不完善。鑒于上述種種原因，在本系統(tǒng)中，采用了無線網(wǎng)橋組建以太局域網(wǎng)，其傳輸帶寬大，抗干擾性強(qiáng)，一次投資后沒有二次費(fèi)用，組網(wǎng)方便。

有線方式一般是用RS232數(shù)據(jù)線、RS485數(shù)據(jù)線、光纖等方式傳輸。RS-232是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，其通信距離短、速率低，不能進(jìn)行多臺設(shè)備同時(shí)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理。RS485接口在不加中繼器的情況下，雖理論上最大傳輸距離能達(dá)到1200m，但在300m以內(nèi)通信效果最好。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，不支持環(huán)形或星形網(wǎng)絡(luò)。光纖的數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)幾千Mbps，傳輸范圍能達(dá)到6～8km，但使用光纖需增加光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，距離太近會造成浪費(fèi)，距離太遠(yuǎn)布線會有困難。

綜合考慮上述情況，本設(shè)計(jì)中，供水中心處的1眼水源井，離控制中心距離小于50m，其RTU數(shù)據(jù)通過RS232～RS485轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換后，采用RS485總線與控制中心組成以太網(wǎng)絡(luò)。其他3眼水源RTU,數(shù)據(jù)也是通過RS232～RS485轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換后傳輸，由于離控制中心太遠(yuǎn)，布線困難，數(shù)據(jù)量大，采用了無線網(wǎng)橋方式與供水中心控制中心連接。這樣4眼水源井就通過有線與無線方式與控制中心，組建成星形以太網(wǎng)絡(luò)。

2.4 控制軟件的開發(fā)

本系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，既有各種實(shí)時(shí)參數(shù)，報(bào)警信號、還有視頻數(shù)據(jù)?？刂栖浖_發(fā)方案有兩種，一是采用wincc組態(tài)軟件來控制各種實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)警信號，用專用視頻軟件來控制視頻，這種方案，前期開發(fā)成本低，但系統(tǒng)維護(hù)困難，聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展性差，可控性低。另一種是充分發(fā)揮Internet技術(shù)的優(yōu)勢，將瀏覽器技術(shù)運(yùn)用于SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)，將瀏覽器界面作為供水調(diào)度自動化系統(tǒng)的人機(jī)界面，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與視頻集成在同一系統(tǒng)中，構(gòu)成B/S（Browser/Server）架構(gòu)，采用這個(gè)方案，軟件開發(fā)成本高，開發(fā)周期長，但是其聯(lián)網(wǎng)性能高，擴(kuò)展容易，實(shí)時(shí)應(yīng)用范圍廣，維護(hù)工作量小,且軟件開發(fā)后擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，可無限次使用。

經(jīng)過綜合比較，本SCADA系統(tǒng)中，針對控制現(xiàn)場條件定制了B/S架構(gòu)控制軟件。該軟件采用JAVA語言編寫，綜合了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Internet技術(shù)，將編譯和解釋有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮乃拇筇匦裕悍庋b性、多態(tài)性、繼承性、動態(tài)聯(lián)編，并在多線程支持和安全性以及其它諸多特性上，有了很大的提高。軟件可以根據(jù)需要,建立多個(gè)用戶，并能對不同用戶進(jìn)行權(quán)限分配，根據(jù)不同權(quán)限的用戶可進(jìn)行的操作限制，從根本上杜絕了誤操作。

2.5 中控室布置及中央服務(wù)器配置

中控室是數(shù)據(jù)匯總分析，控制人員長期工作的場所。主要設(shè)備有數(shù)據(jù)服務(wù)器、UPS電源、無線發(fā)射接收機(jī)、視頻服務(wù)器、大屏幕液晶電視、監(jiān)控電腦、打印機(jī)、空調(diào)等設(shè)備。作為整個(gè)系統(tǒng)的心臟，監(jiān)控服務(wù)器起著至關(guān)重要的作用，其工作的穩(wěn)定性與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器選用雙路至強(qiáng)四核塔式服務(wù)器DELL 1900，其 CPU采用Intel Xeon E5310頻率達(dá)1.6G二級緩存8192KB；采用擁有 ECC功能2G內(nèi)存，雙端口千兆以太網(wǎng)控制器，RAID獨(dú)立冗余磁盤陣列320G硬盤，外加1T可移動硬盤。服務(wù)器上安裝windows server 2003操作系統(tǒng)，SQL server 2000數(shù)據(jù)庫軟件及自主開發(fā)的測控軟件。服務(wù)器運(yùn)行后各種數(shù)據(jù)采集后集中存儲在服務(wù)器中，數(shù)據(jù)采用SQL格式，當(dāng)客戶端查詢時(shí)，服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)至客戶端，客戶端進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)，操作指令通過服務(wù)器后經(jīng)無線發(fā)射機(jī)或RS485總線傳RTU終端。服務(wù)器接入internet后，客戶端可以根據(jù)分配的權(quán)限在任何接入internet的地方，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢及對設(shè)備操作，為以后聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展打好了基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及主要特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

（1）可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測各水源井的動水位、靜水位、各水源井出口處的瞬時(shí)流量、累積流量、管網(wǎng)壓力、水泵處的電壓、電流、電能、及電纜溫度等數(shù)據(jù)；當(dāng)水位、電參數(shù)、電纜溫度發(fā)生超限變動時(shí)可以在中控室發(fā)出報(bào)警。

（2）遠(yuǎn)程控制變頻啟、停水泵，水泵啟停時(shí)自動開閉自動閥門；在控制中心可以實(shí)時(shí)顯示水泵及自動閥門的工作狀態(tài)。

（3）通過遠(yuǎn)程高清視頻系統(tǒng)，在中控室能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況及泵房的設(shè)施情況，并能實(shí)時(shí)錄像與回放；在泵房亮度不足時(shí),控制現(xiàn)場燈光啟閉。泵房紅外微波探測器在有人擅自闖入機(jī)井房時(shí)可以自動報(bào)警，并在供水中心中控室發(fā)出報(bào)警聲音。

（4）系統(tǒng)軟件能夠自動記錄實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成各項(xiàng)數(shù)據(jù)歷史記錄，并能將監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制曲線，可以查詢?nèi)我鈺r(shí)段的歷史數(shù)據(jù)；且軟件系統(tǒng)具備安全功能，可以實(shí)現(xiàn)權(quán)限分配，防止誤操作（見圖1）。

圖1

3.2 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

（1）實(shí)用性：系統(tǒng)有良好的可操作性，人機(jī)交互簡明直觀，視頻監(jiān)控與測控操作統(tǒng)一界面，功能實(shí)用，操作方便。

（2）先進(jìn)性：采用的技術(shù)與各設(shè)備（包括元器件）符合該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展主流，系統(tǒng)的整體效能先進(jìn)。

（3）可擴(kuò)展性：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),暫未有國標(biāo)或行標(biāo)的，采用了國際通用標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)能夠與其主流技術(shù)相兼容?？筛鶕?jù)需要，擴(kuò)展其功能。

（4）整體性：系統(tǒng)進(jìn)行整體策劃，保證了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)指標(biāo)的一致性和協(xié)調(diào)性。

（5）安全性：系統(tǒng)設(shè)置不同等級的安全防護(hù)措施。對于不同部門或人員的數(shù)據(jù)管理，設(shè)置不同的權(quán)限，以避免對數(shù)據(jù)的非法操作。

（6）可維護(hù)性：系統(tǒng)各部件具有自檢和聯(lián)機(jī)診斷校驗(yàn)的能力，有完善的檢測維護(hù)手段，能準(zhǔn)確快速地進(jìn)行故障檢測和維護(hù)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效益

系統(tǒng)投入運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了從中央控制室遠(yuǎn)程測控全鎮(zhèn)的供水網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)調(diào)控水泵的運(yùn)行狀態(tài)。降低了供水生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)成本，降低工人的勞動強(qiáng)度、提高了生產(chǎn)效率。

（1）使分散的信息集中起來，給決策者提供實(shí)時(shí)的態(tài)勢全貌，從而優(yōu)化了資源管理。

（2）使操作人員從繁重的重復(fù)勞動中解脫出來，把精力轉(zhuǎn)為對系統(tǒng)進(jìn)行評定、檢測和分析決策，從而減少了人為操作錯誤。

（3）準(zhǔn)確和及時(shí)地報(bào)警，降低了供水事故發(fā)生概率，極大的提高了供水服務(wù)質(zhì)量。

（4）減少了工作人員，降低了供水成本，減輕了群眾負(fù)擔(dān)。

（5）提升了供水現(xiàn)代化管理水平，提高了供水效益。

[1]唐新平，趙金.基于PC機(jī)的生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)自動測量與控制，2000，（8）.

[2]徐宏偉.信息技術(shù)有供水工程中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古水利，2009，（8）.

[3]吳企淵.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社，2001，（3）.