基于SCADA的供水運(yùn)行故障檢測(cè)系統(tǒng)

周永峰

（廣州市自來水公司）

0 引言

城市供水管網(wǎng)是城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其中，供水調(diào)度系統(tǒng)是保證供水管網(wǎng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。供水調(diào)度系統(tǒng)是指運(yùn)行在調(diào)度中心的一系列計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)及通信系統(tǒng)，主要功能是獲取調(diào)度業(yè)務(wù)所需信息，以供調(diào)度人員實(shí)施調(diào)度與分析。各地自來水公司普遍采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統(tǒng)進(jìn)行供水管網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集[1]。SCADA 應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)控制要求不高，地域較為分散的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控或調(diào)度系統(tǒng)。

供水SCADA系統(tǒng)對(duì)管網(wǎng)、廠站中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地反映供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，以作為優(yōu)化調(diào)度決策的依據(jù)。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SCADA的運(yùn)行情況，檢測(cè)SCADA的故障尤為重要。SCADA的故障監(jiān)測(cè)主要分為兩類：一類是通過各種算法檢測(cè)SCADA系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)對(duì)象的故障[2]；另一類是檢測(cè)SCADA系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)硬件和軟件存在的故障，確保數(shù)據(jù)能準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)絊CADA系統(tǒng)中心[3]。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外SCADA系統(tǒng)及其故障檢測(cè)技術(shù)的研究，以及本公司存在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)故障檢測(cè)的缺失問題，本文提出基于SCADA的供水運(yùn)行故障檢測(cè)系統(tǒng)。利用程序開發(fā)平臺(tái) VS2010，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)SQL server2008，把調(diào)度三遙系統(tǒng)和閥門井壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合成SCADA系統(tǒng)，通過讀取系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)及對(duì)相關(guān)的服務(wù)程序進(jìn)行檢測(cè)。故障檢測(cè)系統(tǒng)投入運(yùn)行后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)設(shè)備的異常運(yùn)行，診斷出設(shè)備的故障類型，通知技術(shù)人員及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，效果顯著。

1 廣義SCADA系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 SCADA結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)經(jīng)調(diào)度三遙系統(tǒng)（狹義SCADA系統(tǒng)）和閥門井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整合，由調(diào)度中心系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站點(diǎn)系統(tǒng)等組成，整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次從底層逐級(jí)向上可分為現(xiàn)場(chǎng)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和中心監(jiān)控層，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 SCADA組成

1.2.1 中心監(jiān)控層

調(diào)度中心系統(tǒng)集中管理和指揮整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行。調(diào)度中心主要包括調(diào)度中心計(jì)算機(jī)、通訊主臺(tái)（主要是無線方式）等部分。

1.2.1.1 調(diào)度中心計(jì)算機(jī)

調(diào)度中心計(jì)算機(jī)運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)軟件即上位機(jī)軟件，具體分為前臺(tái)機(jī)和后臺(tái)機(jī)。前臺(tái)機(jī)是連接通訊主臺(tái)、具有調(diào)度系統(tǒng)所有功能的計(jì)算機(jī)；后臺(tái)機(jī)的功能主要是運(yùn)行一些后臺(tái)數(shù)據(jù)處理工作（報(bào)表等），同時(shí)也作為GPRS/CDMA接入服務(wù)器。

1.2.1.2 通訊主臺(tái)

通訊主臺(tái)主要包括電源、高速數(shù)字電臺(tái)、電臺(tái)、饋線、全向天線（或定向天線）等，用于和調(diào)度系統(tǒng)的各現(xiàn)場(chǎng)電臺(tái)通信站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。通信主臺(tái)采用高速數(shù)字電臺(tái)（MDS電臺(tái)）。通信方式除傳統(tǒng)的無線數(shù)傳電臺(tái)之外，還有專線、光纖、TCP/IP及GPRS/CDMA等通信鏈路，通過其它通信網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)[4]。

圖1 SCADA結(jié)構(gòu)

1.2.1.3 系統(tǒng)軟件

調(diào)度系統(tǒng)軟件是整個(gè)SCADA系統(tǒng)的靈魂，協(xié)調(diào)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的通訊任務(wù)；把硬件系統(tǒng)采集的各種數(shù)據(jù)（如壓力、流量、開停機(jī)狀態(tài)等）經(jīng)過計(jì)算后，以數(shù)據(jù)或圖表的方式顯示出來，以供分析和使用，并且將數(shù)據(jù)送到DLP大屏幕拼接幕墻。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

在網(wǎng)絡(luò)傳輸層，系統(tǒng)采用以下通訊鏈路方式：1)調(diào)度中心與水廠的通信連接，以光纖為主通信鏈路，電臺(tái)和 GPRS為備用鏈路；2) 調(diào)度中心與加壓站的通信連接，以光纖為主通信鏈路，GPRS/CDMA作為備份鏈路，兼容支持原有電臺(tái)通信；3) 調(diào)度中心與管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通信連接采用GPRS和CDMA互為備份、GPRS和電臺(tái)互為備份、電臺(tái)和CDMA互為備份三種連接方式[5]。

在通信協(xié)議方面，有線鏈路、GPRS/CDMA鏈路和無線電臺(tái)支持Modbus和FT1.2。

1.2.3 現(xiàn)場(chǎng)采集層

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要有兩種模式：直接采集儀表數(shù)據(jù)（RTU數(shù)據(jù)終端）和采集PLC數(shù)據(jù)。

1.2.3.1 采集RTU數(shù)據(jù)終端

RTU數(shù)據(jù)終端以西門子S7-200系列小型PLC為核心，用于管網(wǎng)測(cè)壓、測(cè)流點(diǎn)或者小型的加壓站?，F(xiàn)場(chǎng)儀表將物理參量信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，如液位計(jì)、流量計(jì)、電壓變送器、電流變送器等，轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)被數(shù)據(jù)輸入輸出模塊采集，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過通信電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳送回調(diào)度中心[6]。

1.2.3.2 采集PLC控制器

鑒于水廠和大型加壓站具有完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可通過終端計(jì)算機(jī)直接從廠站PLC采集數(shù)據(jù)[7]。相比RTU數(shù)據(jù)終端而言，這種方式減少了采集現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)的模塊，用計(jì)算機(jī)取代了可編程控制器。

2 故障檢測(cè)系統(tǒng)

隨著對(duì)SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性要求的提高，衍生出針對(duì)SCADA運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控技術(shù)，即基于SCADA系統(tǒng)的故障檢測(cè)系統(tǒng)。本司原有的故障檢測(cè)軟件只能對(duì)調(diào)度三遙系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)，無法對(duì)閥門井壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和故障的恢復(fù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)類型單一、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、檢測(cè)原理簡(jiǎn)單，已無法滿足日常調(diào)度管理。

目前SCADA的故障主要包括通信故障、電源關(guān)閉故障、數(shù)據(jù)異常等。通常，引起通信故障的原因包括電臺(tái)通信效果、GPRS通信效果、通信模塊故障等；引起電源異常關(guān)閉的故障可能是供給端機(jī)的電源因故關(guān)閉，需由端機(jī)后備電池供電，待電池電量消耗后，端機(jī)也會(huì)因缺電不能運(yùn)作；數(shù)據(jù)異常可能由設(shè)備（如PLC）故障、管網(wǎng)出現(xiàn)爆漏等引起，此外還可能由調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)的故障引起。因此，有必要研發(fā)一套基于SCADA供水運(yùn)行的故障檢測(cè)系統(tǒng)，完成各種故障檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和監(jiān)控，細(xì)化故障類型，分析故障原因，及時(shí)把故障檢測(cè)結(jié)果通知技術(shù)人員，盡快對(duì)故障進(jìn)行排查維修[8]。

2.1 功能架構(gòu)

SCADA故障檢測(cè)系統(tǒng)細(xì)化了故障原因和類型，結(jié)合數(shù)據(jù)服務(wù)器、交換機(jī)等設(shè)備的情況，分別對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、通信故障、電源故障、數(shù)據(jù)異常等故障進(jìn)行檢測(cè)，并把故障信息按故障等級(jí)分時(shí)段通過短信發(fā)送到相關(guān)人員手機(jī)。增加故障恢復(fù)檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)智能故障檢測(cè)，功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障檢測(cè)功能架構(gòu)

2.2 各個(gè)功能檢測(cè)原理

2.2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)狀態(tài)檢測(cè)

1) 檢查數(shù)據(jù)庫(kù)更新時(shí)間，滿足30 min內(nèi)數(shù)據(jù)有更新則屬正常；

2) 檢查實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表的最新時(shí)間，存在15 min內(nèi)的數(shù)據(jù)則屬正常；

3) 當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)換服務(wù)問題時(shí)，則嘗試重啟服務(wù)，并延時(shí)5 min再進(jìn)行檢測(cè)，若問題仍存在，則發(fā)送報(bào)警短信。

2.2.2 局域網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)

中心計(jì)算機(jī)用 Ping地址命令的方式檢測(cè)各服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)鍵工作站鏈路是否正常，中心計(jì)算機(jī)DOS窗口使用Ping地址命令，檢測(cè)發(fā)送到目標(biāo)地址的數(shù)據(jù)包是否全部接收，這些服務(wù)器和鏈路包括中心數(shù)據(jù)服務(wù)器、檢測(cè)部門的局域網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)部門至公司的網(wǎng)絡(luò)、各水廠至公司的網(wǎng)絡(luò)和工控網(wǎng)。

2.2.3 SCADA的多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通信故障檢測(cè)

1) 區(qū)別電臺(tái)站點(diǎn)和基站的故障。當(dāng)檢測(cè)到全部站點(diǎn)通訊故障，而局域網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常，則認(rèn)為基站故障，發(fā)送報(bào)警短信；

2) 區(qū)別GPRS監(jiān)測(cè)點(diǎn)和工控網(wǎng)的故障。當(dāng)檢測(cè)全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)故障，而工控網(wǎng)連接正常，則發(fā)送報(bào)警短信。

2.2.4 SCADA的管網(wǎng)單點(diǎn)通信故障檢測(cè)

1) 根據(jù)多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的故障檢測(cè)結(jié)果，判斷是否需要檢測(cè)當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通信故障。如果多監(jiān)測(cè)點(diǎn)故障檢測(cè)結(jié)果顯示為大規(guī)模通信失敗，則在解除多點(diǎn)故障前，不再檢測(cè)對(duì)應(yīng)單點(diǎn)的通信故障、電源狀態(tài)及通信率；

2) 通信失敗故障：?jiǎn)蝹€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的任一參數(shù)連續(xù)5次檢測(cè)到通信失敗，則判定為通信失敗故障。

2.2.5 SCADA的管網(wǎng)單點(diǎn)電源狀態(tài)檢測(cè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電源狀態(tài)指示連續(xù)出現(xiàn)4次“關(guān)”，則發(fā)短信。

2.2.6 SCADA的無線通信點(diǎn)的通信率檢測(cè)

每天14點(diǎn)，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)前24 h的通信狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，失敗率≥30%，則發(fā)短信。

2.2.7 SCADA的短期數(shù)據(jù)異常檢測(cè)

1) 當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值連續(xù)3次≤0，則發(fā)短信；

2) 當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的前15 min數(shù)值大于上限或者小于下限，則發(fā)短信。

2.2.8 SCADA的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)異常檢測(cè)

每個(gè)月運(yùn)行一次，檢查一個(gè)月的壓力變化情況。首先用每日的平均壓力求一個(gè)月的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并設(shè)定平均值±3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為上下限。數(shù)據(jù)若超過上下限，或者連續(xù)7個(gè)點(diǎn)在平均值同一側(cè)，則認(rèn)為壓力變化異常。

2.2.9 閥門井壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的刷新時(shí)間過長(zhǎng)檢測(cè)

掃描閥門井壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)最新時(shí)間，若時(shí)間超過1天，則認(rèn)為是刷新時(shí)間過長(zhǎng)，且該點(diǎn)當(dāng)天閥門井故障未有標(biāo)識(shí)，判斷為此閥門井壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)刷新時(shí)間過長(zhǎng)，標(biāo)識(shí)該點(diǎn)閥門井故障。

2.2.10 故障恢復(fù)檢測(cè)

按照以上的故障檢測(cè)原理對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、通信狀態(tài)、電源狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦檢測(cè)到狀態(tài)恢復(fù)正常，判斷為故障排除，狀態(tài)恢復(fù)。

2.3 程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

2.3.1 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測(cè)原理進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換服務(wù)狀態(tài)檢測(cè)、SCADA的管網(wǎng)單點(diǎn)通信故障檢測(cè)、SCADA的管網(wǎng)單點(diǎn)電源狀態(tài)檢測(cè)、閥門井監(jiān)測(cè)點(diǎn)的刷新時(shí)間過長(zhǎng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)流圖，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流圖

根據(jù)各故障檢測(cè)原理以及檢測(cè)數(shù)據(jù)流圖，通過程序開發(fā)平臺(tái)VS2010編寫程序代碼。

2.3.2 系統(tǒng)調(diào)試

技術(shù)人員在監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)模擬故障的發(fā)生，經(jīng)測(cè)試，故障檢測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)檢測(cè)到各種類型的故障，且判斷準(zhǔn)確，達(dá)到故障檢測(cè)的設(shè)計(jì)要求，滿足調(diào)度技術(shù)人員隨時(shí)發(fā)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)故障的要求。

3 結(jié)論

基于SCADA的供水運(yùn)行故障檢測(cè)系統(tǒng)，是利用對(duì)調(diào)度三遙系統(tǒng)及閥門井壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)的檢測(cè)，結(jié)合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序運(yùn)行情況等元素進(jìn)行故障檢測(cè)。故障檢測(cè)系統(tǒng)投入使用后，能準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)到故障，實(shí)現(xiàn)智能故障檢測(cè)，保障調(diào)度系統(tǒng)的安全性、可靠性，為城市供水的優(yōu)化調(diào)度提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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