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给水排水自动化技术(SCADA)综述

www.cechina.cn2016.01.25阅读 1582

  计算机自动化SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)技术又称计算机四遥(遥测、遥控、遥信、遥调)技术,在给排水行业得到广泛的应用,取得了良好的经济效益与社会效益,已形成了造福社会的产业规模。如何指导该技术的发展,培育好给排水自动化的市场,进而促进自动化产业的发展,是一件十分有意义的工作。为此,本文对该技术加以综述,以起抛砖引玉之目的。
  一、SCADA系统的技术分析
  SCADA技术建立在3C+S(Computer、Communication、Control、Sensor)基础上。以上四种技术近来发展很快,不断推出新技术、新产品,同时很多旧技术和产品也无情地遭受被淘汰的命运。如何采用新观念、新技术、新产品构建适用于给水排水的管理功能强大、可靠性强、有良好的现场安装界面、易于操作和维护与价格低廉的SCADA系统,是给排水行业客户的需要也是SCADA系统集成商的责任,以下就3C+S技术分述如下:
  1、计算机(Computer)技术
  近些年来,计算机PC技术以每一年多更新一代的速度飞速发展。强大的硬件平台(主频300M以上,CPU内置MMX技术、内存128M及以上、10G以上的硬盘和高速CD-ROM 及 DVD-ROM驱动器等)支持着不断更新的视窗操作系统Windows软件和网络技术。功能强大的PC系统平台,既摆脱了DOS操作的烦恼,解除了键盘操作PC的尴尬,使PC得到了广泛的应用,更为构建高功能的SCADA系统创造了条件。众所周知在SCADA系统中PC机主要用做Master或称调度中心。近来国内外许多厂家都推出了基于Windows的 forSCADA的组态软件。这些软件平台上可以完成与给排水调度相关的数据采集(提供了与多种PLC或其它智能设备通讯驱动程序Driver、动态数据交换DDE功能及 OLE 技术等等)、数据处理、数据显示和数据记录等工作,具有良好的图形化人机界面www.cechina.cn,MMI具备趋势分析和控制功能。为给排水优化调度、节能降耗提供了尽善尽美的手段。PC机的网络功能为多级调度SCADA系统的建设和参与水厂管理提供了很多意想不到的功能。在SCADA系统中不断更新PC软硬件平台,所需费用占SCADA系统建设费的比例不太大,但对提高SCADA的功能与可靠性影响较大,加强调度中心建设的投资是合算的。
  目前存在的主要问题是还没有国产专为给排水自动化的ForSCADA组态软件问世,而通用组态软件的购置价格较贵。组织生产规范化标准化、价格适中、功能适用于给排水的SCADA组态软件有着广泛的前景,也是建设中国给排水自动化系统ChinaSCADA的重要环节。
  2、通讯(Communication)技术
  通讯技术与设备的选择是构建SCADA系统最丰富多彩的部分,SCADA系统设计是否合理,通讯技术的选择十分重要。由于各种通讯技术之间融汇贯通,试图按分类去加以说明是十分困难而又会漏洞百出的。这里,为叙述方便,只能牵强地加以分类。
  (1)网络技术LAN WAN与INTranet
  我们权且把网络技术作为SCADA通讯的一部分。基于TCP/IP 的计算机网络互连与扩展技术,如网关、路由器、网桥、中继器、远程访问服务;基于存储器的动态数据交换技术;基于开放数据库的访问技术等构成控制网络与信息。事实上这部分应是SCADA系统以上管理层部分,这里不多加叙述。
  (2)串行互连总线
  RS232、RS485以及USB(Universal Serial BUS),前两种是大家熟知的,而USB是近期推出的高效率、即插即用、热切换的接口。
  (3)测控总线标准
  如Bitbus, Profibus, PROWAYC,PHOEBUS, HART, CAN, Dupline, L2, Modbus, SDS, ControlNET, FIP, SERCOS, FF, Lonworks等。
  以上多种测控总线标准正不断地渗透到SCA DA系统之中,特别是现场、仪表与智能终端之间的通讯应用十分广泛。
  (4)无线通讯
  如微波、扩频通讯、卫星通讯、铱星通讯、超短波通讯、短波通讯、GSM、CDMA、双向无线寻呼等。
  以上无线通讯有些是公共数据网的应用,一般情况下应用最多的是超短波200MHz的通讯。特别应指出的是,正在发展的双向无线寻呼为构成给排水SCADA中的测压终端,水源井群和城市排水网SCADA系统的通信将会有十分重要的作用,是既可靠又廉价的通讯手段。
  (5)有线通讯
  公共数据网PSDN ISDN和BISDN,特别是BISDN综合宽带数据网与光纤入户工程的增值业务,将极大地方便城镇给排水SCADA系统中通讯功能的建设,例如,测压点、水源井、污水监控站等。
  自建有线网,一般采用双绞线作介质。各PLC 厂商和通讯厂商都分别制定了封闭和开放的有线通讯系统协议,并有相应的产品供应,如以色列RAD公司的6DC型M ODEM、GE fanuc的Genius BUS 以及西门子的L2 等,都为SCADA系统提供了良好的通信手段。在净水厂和污水处理厂内的SCADA系统中得到广泛的应用。
  (6)载波通讯技术
  电力载波技术争论许多年,近日有文章报道西门子公司有相应的载波通讯设备出售,相信该技术会有较好前景。在净水厂、污水处理厂内的SCADA中加以应用CONTROL ENGINEERING China版权所有,不用布线即可构成系统。
  (7)光纤通讯
  光纤通信以其高带宽,高抗干扰性在信息通讯中得到广泛应用。在SCADA系统中也已具备了应用条件。德国赫斯曼公司HIRSCHMANN生产的OZD485,用于光电485协议转换,可适用于:Partyl-ine控制工程网版权所有,SINEC、L1、L2,Uni telway,GEbus,Modbus+,BitBus,PROFIBUS,PNET,CAN等多种协议。其多模设备,售价只几百马克。可见,光纤通信在SCADA中的应用已达到实用水平。
  如何构建良好的SCADA系统,通讯技术的选择举足轻重。现在各种通信技术发展很快,公共通信技术在市场的发展中逐步建立了可靠而廉价的平台。SCADA系统集成商要紧跟先进技术,才能提出最好的通讯方案。
  3、控制(Control)技术
  本文所指控制设备为SCADA系统的 Slave,或称下位机,远方终端RTU和现场测控智能装置,也可以是专用的RTU、智能仪表和智能控制器以及PLC系统等统称下位控制单元。控制设备,在每一个SCADA系统中都会有若干台,对SCADA系统的可靠性和价格影响最大。近十多年来给排水SCADA系统建设形成了不少模式,如PC+PLC 模式,PC+单片机模式,全部进口的 PC+RTU模式等。
  (1)PC+PLC模式
  这里只谈控制部分,即PLC。各厂家和各种型号的PLC都是一个系列化产品的系统平台,既有自己封闭的网络又有开放接口。仅控制功能而言,PLC是严谨、方便、易安装、易编程,可靠性高的技术产品。它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易懂的应用软件平台(用户平台),应用于顺序逻辑控制和许多复杂计算方面是尽善尽美的。而且规模越大在经济上越合算。在给排水SCADA系统中,如自来水净水过程控制,污水处理过程控制,自来水二级泵站多泵系统控制和远程调水中多泵阀的控制等方面具有无可争议的优势。PLC的缺点在给排水SCADA中也暴露无遗,这表现在模拟量数据采集的高价位,人机界面高价位和中小型PLC 数据无法实现历史事件追忆(SOE)功能等方面CONTROL ENGINEERING China版权所有,在给排水SCADA系统中的应用受到限制。在SCADA调度系统中,无法忍受做一个测压点终端只监测一个模拟量而采用PLC的资源浪费,应当因地制宜地采用PC+PLC 构建SCADA系统。
  (2)PC+单片机模式
  这里只讲与控制有关的单片机(下位机)。十多年来单片机构成给排水SCADA系统下位机是主流。由Z80单板机经8031、8098过渡到目前主流为80C196的单片机。各种科研单位及公司研制的单片机构成SCADA系统的 RTU控制工程网版权所有,始终没有改变目标设计的模式。在这种方式下单片机RTU的软件采用互相保密(甚至同一单位内部也互相保密)的封闭式做法。这种封闭既造成了难以维护的缺点又破坏了单片机的资源,还造成了单片机RTU不廉价的怪现象。据悉,迄今为止每一个单片机装置的售价都在数千元之巨,而一片单片机CPU 才几十元人民币。当然较之PLC与进口RTU相比,单片机还是价位最低的。单片机RTU只适于做测压点终端、简单的水源井控制和简单环境的数据采集。还应当指出的是,目前国内各厂家用单片机做的RTU控制工程网版权所有,只支持有线RS232、RS485和无线200MHz通讯,很少有人考虑其它高效率通信协议的接口应用问题。迄今为止,还没有适用于给排水SCADA的按系统平台设计的商品化的单片机RTU产品。十多年来,单片机RTU 的广泛应用给SCADA用户培养了一大批应用与维修人员。这些人员是给排水SCADA发展的宝贵资源,是给排水自动化产业大军的一部分。
  (3)PC+进口RTU模式
  据悉一个进口RTU完成一个测压点的数据监测,有的要6万元人民币之巨,这是一个怪现象,不多加评述。
  (4)混合模式
  采用PLC和单片机RTU构成混合SCADA下位机,是目前大多数系统的做法。
  (5)现场测控智能执行机构
  现场测控智能机构在SCADA系统中有许多种类。在给排水SCADA中使用最多的是变频调速装置,该装置对完善给排水工艺,加强工艺可控性及节能降耗等方面都有着很好的作用。现场测控智能还包括压力调节器等等,应归类在传感装置中,现场测控智能装置一般在SCADA系统的Slave控制之下。有些直接与上位 PC 机通讯构成系统。
  控制技术作为SCADA系统的重点工作,迄今为止没有一个规范的做法,更没有标准化的产品。在具体构建SCADA系统时它主要由承建者和设计者的水平、好恶与利益决定。另外,技术的不断发展更新,也是造成没有标准化、规范化的原因之一。做好SCADA系统下位机平台的规范化与标准化是建设高质量低价位SCADA系统的关键。
  4、传感(Sensor)技术
  在给排水SCADA系统的生产现场层,安装着许多传感器与执行机构,完成SCADA系统的生产现场数据采集与调控命令的执行。
  传感器可分为智能型和非智能型两类。非智能型完成电量的标准化信号转换和非电量的理化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器的工作之外,还具有上、下限报警设置,数据显示,简单数字逻辑控制,PID调节等功能。最新的智能传感器大都具有某种现场总线功能,可以与SCADA的上位 PC 或下位控制单元通讯,构成SCADA系统。在给排水SCADA中常用的传感器主要有:水位、压力、流量、温度、湿度、浊度、余氯、BOD、COD、电压、电流、功率、电度、cosφ、流动电流仪以及接近开关、限位开关、水位开关、继电器等。前几年,国产传感器普遍没有过关,给排水SCADA的传感器还是国外传感器厂商的天下。
  近来给排水传感器市场推出了大量的国产高质量的产品。可以说,传感器是SCADA国产化最高也是最成功的环节。
  二、给排水自动化SCADA的市场概述
  给排水自动化市场由供需双方构成。供方主要由从事SCADA系统集成及相关的厂商构成,需方为各自来水公司、污水处理厂及与给排水相关的大型厂、矿和政府机构等。
  1、需方市场构成
  我国现有城市600多个,每个城市都具有一个给排水自动化市场,还有数百座发电站和大型联合企业及广大乡镇,都构成广大的给排水自动化市场。需方是市场原动力,需方购买给排水SCADA系统的动力大致如下:
  (1)法律原因
  给水(自来水):有"水法"制约,必须达标。SCADA系统是实现水质达标的重要手段之一。
  排水:国家制定了相关法律,污水必须达标排放,而SCADA系统是实现达标排放的重要手段之一。
  (2)经济原因
  一个系统设计完整,设备选型慎重、科学,系统集成良好,质量可靠的SCADA系统,可为排水SCADA的需方在减员、节能、降耗、加强管理等方面带来良好的经济效益。
  (3)公司形象
  很多用户考虑公司形象建立SCADA系统。
  (4)投资方要求
  现在很多净水厂和污水处理厂及大型厂矿为外商投资,在原设计中已有SCADA系统,受投资方要求建SCADA系统。
  2、供方市场构成
  面对广大的需方市场和复杂的需方购买原因,势必造成复杂的供方市场。供方是市场竞争的动因和参与人。供方市场权且按设备供应商构成的一级市场与系统集成商构成的二级市场分类。
  (1)SCADA 设备供应的一级市场
  一级市场包括计算机及外围设备硬件供应商;计算机及控制器软件设备供应商;通讯设备供应商;控制设备供应商(PLC等);传感器及执行机构供应商;线缆与机箱机柜供应商;电子器件供应商;电源供应商等。
  (2)系统集成商(自动化工程承包商)构成的二级市场
  国外SCADA系统的专业代理集成; 从事系统互连的系统集成; 科研单位自己开发软硬件装置的工程承包商;
  需方用户自己承包的SCADA系统集成; 转包商。
  系统集成商中有许多有实力的,不断发展的公司,也有许多是鱼目混珠的单位,这些集成商承建的自动化系统差异十分巨大,这里不加以评述。
  三、搞好SCADA系统的几点建议
  1、充分利用社会资源建设SCADA系统
  众所周知,计算机(PC)技术与通讯技术已构成了巨大的社会资源。这包括数以万计的PC 软硬件平台、有线电话(PSDN、ISDN)、无线电话(GSM、CDMA)、卫星通讯、广电网(BISDN) 、INTernet、INTranet 以及各种通讯总线、协议等。
  给排水SCADA系统建设要尽可能地利用上述资源,这包括:
  利用不断发展升级的 PC 软硬件平台,构建SCADA调度中心; 利用WAN技术与公共通讯网构成多级SCADA调度系统; 利用INTernet技术与防火墙技术,在网上对SCADA调度进行远方浏览与操作; 利用BISDN增值业务和无线双向寻呼业务作为SCADA远方智能控制单元的数据通讯; 在网上学习浏览SCADA新技术、新设备、新经验。
  2、SCADA系统集成的建议
  我很赞成COTS(Commercial off The shelf)的做法,意为采用商品化的产品和技术。这是采用社会化大生产方式集成SCADA系统的方式,也是构建最合理、最可靠、最廉价的SCADA系统的方式,所采用的技术包括:
  (1)调度中心软件应彻底淘汰由集成商自编的软件,改用基于Windows95以上平台的forSCADA组态软件。这样多系统的互相移植与互连、升级、功能扩充、冗余、热备份、数据库、优化手段、上网等功能可一次性解决,摆脱了某些系统集成商的暗箱操作,使系统维护由自己或社会进行。
  在尽量采用公共通讯网仍然不足以解决问题的情况下,应选择专业化、商品化的产品,构建SCADA通讯网。很多科研单位自行研发的通讯设备因小批量、手工制造,质量很差,早应淘汰。只有规模生产才有规模效益。
  (2)对构成SCADA系统影响最大的是现场控制单元设备 PLC 或 RTU:
  对较复杂的顺序控制应选用 PLC,但要注意该PLC要具备与上位机组态软件相适应的驱动程序和适用的通讯接口。从一般意义上看,各种 PLC 没有质量差别。
  模拟量数据采集和简单控制应充分调查供方市场,并进行相应的技术分析,尽量采用能与上位机进行通讯的智能仪表。
  对选用单片机构成的RTU或PCU应注意选用市售的商品而非科研单位自己使用的东西。市售商品应包括如下特点:按规模生产、有标准、有规模、有厂牌按系统平台设计(即有系统软件和应用软件,应用软件应按梯形图编程)、能提供全部软硬件文档、负责培训等售前售后服务、有适用的通讯接口并完整提供接口使用方法。
  建议不采用进口高价位RTU。 构建的SCADA系统的设计与实现,不能依赖某特定的供应商提供的软硬件平台。
  3、对SCADA系统设备制造商的建议
  (1)生产SCADA系统中应用的设备应注意开放性原则,包括:
  标准化:程序设计、通信、网管、界面、接口等按国际标准兼容;
  可移植性:应用程序可在多种平台上互相移植;
  可伸缩性:设计的系统规模应按需要而伸缩;
  可互操作性:不依赖特定供应商的平台。
  (2)选用最新技术与产品:大规模集成电路的发展使原来需多个元件完成的工作,已集成在一个芯片上。选用高功能的CPU是降低造价与提高可靠性的捷径。同时还要注意新的总线协议、标准的应用。
  (3)加强软件的研制投入:建设一个自动化系统,硬件采用商品化的产品,除现场安装之外,绝大部分工作是开发软件。加强不同应用领域和应用环境的软件研制的投入,形成自己的NOWHOW是企业发展的关键。
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