基于SCADA水處理廠系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

周曉寧（中電投電力工程有限公司，山東 海陽 265100）

魏明哲（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

1 引言

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對工業(yè)現(xiàn)場進行本地或遠程的自動控制，對工藝流程進行全面、實時的監(jiān)視，并為生產(chǎn)、調(diào)度和管理提供必要的數(shù)據(jù)。它的主要結(jié)構(gòu)包括遠程控制單元 RTU（Remote Terminal Unit），通訊網(wǎng)絡(luò)和中心站，其RTU的主要作用是進行數(shù)據(jù)采集及本地控制，進行本地控制時作為系統(tǒng)中一個獨立的工作站，這時RTU可以獨立地完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID等工業(yè)上常用的控制調(diào)節(jié)功能；進行數(shù)據(jù)采集時作為一個遠程數(shù)據(jù)通訊單元，完成或響應(yīng)本站與中心站或其它站的通訊和遙控任務(wù)。

作為生產(chǎn)過程和事物管理自動化最為有效的計算機軟硬件系統(tǒng)之一，它包含兩個層次的含義：一是分步式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也就是通常所說的下位機；另一個是數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)，即上位機HM I（Human Machine Interface）系統(tǒng)，如圖1所示。下位機一般意義上通常指硬件層上的，即各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如各種PLC及各種智能控制設(shè)備等。這些智能采集設(shè)備與生產(chǎn)過程和事務(wù)管理的設(shè)備或儀表相結(jié)合，實時感知設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)，并將這些狀態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過特定數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到HM I系統(tǒng)中。必要的時候，這些智能系統(tǒng)也可以向設(shè)備發(fā)送控制信號。上位機HM I系統(tǒng)在接受這些信息后，以適當(dāng)?shù)男问饺缏曇?、圖形、圖像等方式顯示給用戶，以達到監(jiān)視的目的，同時數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，告知用戶設(shè)備各種參數(shù)的狀態(tài)（報警、正?；驁缶謴?fù)），這些處理后的數(shù)據(jù)可能會保存到數(shù)據(jù)庫中，也可能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)讲煌谋O(jiān)控平臺上，還可能與別的系統(tǒng)（如M IS，GIS）結(jié)合形成功能更加強大的系統(tǒng)；HM I還可以接受操作人員的指示，將控制信號發(fā)送到下位機中，以達到控制的目的。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 水處理廠控制功能要求

由于各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CADA的要求不同，所以不同應(yīng)用領(lǐng)域的SCADA系統(tǒng)發(fā)展也不完全相同。應(yīng)用到水處理廠，即是水廠SCADA 系統(tǒng)，它是水廠面向生產(chǎn)、經(jīng)營整個生命周期的管理控制和優(yōu)化信息的系統(tǒng)。它把龐大的生產(chǎn)過程信息、企業(yè)內(nèi)部管理信息、外部環(huán)境信息，快速地分類、統(tǒng)計、分析，為上層的管理人員提供決策所需的必要信息。把生產(chǎn)過程信息、原料消耗信息、過程產(chǎn)品產(chǎn)量信息、成品產(chǎn)品產(chǎn)量信息、能源消耗量信息、設(shè)備狀況信息、原材料供給信息、客戶信息、產(chǎn)品需求信息等科學(xué)地分類，提供一個管理層數(shù)據(jù)庫，從而減少人為地把生產(chǎn)層的信息錄入到管理層的勞動量，并減少人為的干預(yù)、提高信息置信度，同時把管理層的生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度指令、生產(chǎn)計劃、能耗指標(biāo)等信息快速地回饋到生產(chǎn)過程的控制層中。

本文以某水處理廠為例，水廠采用了先進的澄清和過濾工藝，并采用自動加礬、加氯、加氨的設(shè)備，甚至準(zhǔn)備引用國外先進的陶粒濾池生物預(yù)處理、臭氧活性碳濾池等給水深度處理技術(shù)來優(yōu)化水質(zhì)，這些先進工藝流程的上線決定了控制系統(tǒng)的升級，在這個要求之下，水廠對整套的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

2.1 分散控制

分散性是大多數(shù)水廠共有的一個特性，由于個別水源地較遠，造成了控制系統(tǒng)的 I/O 點分散，因此控制系統(tǒng)也應(yīng)具備分布式的特性，要使 SCADA 系統(tǒng)能夠分散地監(jiān)控各配水泵房、提升泵房的獨立工作和運行狀態(tài)。

2.2 集中監(jiān)控

為了節(jié)省人力物力，降低制水成本，更好地體現(xiàn)“分散控制集中管理”這一現(xiàn)代控制理念，操作人員應(yīng)當(dāng)可以在中控室中對整個水廠進行集中監(jiān)控。

2.3 小型化集成化通訊能力強

對于某些工藝環(huán)節(jié)，例如泵站，其邏輯控制要求的 I/O 點數(shù)較少，為了降低系統(tǒng)造價，控制系統(tǒng)需要小型化、低成本，與此同時，也不能忽略了控制系統(tǒng)的通訊功能。

2.4 可靠安全及可維護性

為保證水廠的安全和穩(wěn)定運行，必須從SCADA的結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟硬件的產(chǎn)品質(zhì)量和控制程序的編制、網(wǎng)絡(luò)通訊的安全等方面提高可靠性。同時，系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具有強大的報警、冗余和故障自診斷功能，方便對系統(tǒng)故障進行分析維護和恢復(fù)。

3 SCADA系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用以開放現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)NetL inx體系為核心的SCADA系統(tǒng)，設(shè)計分為三層：基于網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)庫管理的信息層（使用EtherNet/IP協(xié)議）、以ControlLogix平臺為核心的控制層（使用ControlNet協(xié)議）及采用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)連接傳感器及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)備層（使用DeviceNet協(xié)議）。

3.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

以該水處理廠為例，根據(jù)集散控制原理，設(shè)一個中心控制室和五個現(xiàn)場PLC控制分站（即取水、混凝加藥、加氯、濾池、送水分站）。中心控制室中有一臺服務(wù)器和一臺遠程中央控制室主站PC通過上層以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，且還有兩臺PC（監(jiān)控工作站1和監(jiān)控工作站2）同時掛在冗余的ControlNet上；現(xiàn)場控制分站以ControlLogix平臺為控制核心，分布在各工藝段，各站之間通過冗余ControlNet網(wǎng)絡(luò)通信，同一分站上的兩個ControlLogix 之間通過光纖進行CPU冗余，進行故障無擾動切換。在控制層主要有取水泵站PLC1，負(fù)責(zé)監(jiān)控取水泵房取水泵運行溫度、電量參數(shù)及水質(zhì)參數(shù)等；混凝加藥站PLC2，負(fù)責(zé)監(jiān)控加礬計量泵、加氯機的運行操作，檢測加藥沉淀后的水質(zhì)參數(shù)；加氯控制站PLC3，負(fù)責(zé)檢測原水水質(zhì)、過濾后水質(zhì)及清水水質(zhì)參數(shù)和運行參數(shù)，監(jiān)控加氯機的運行操作；濾池站 PLC4，控制濾池自動恒水位過濾沖洗；送水泵站PLC5，負(fù)責(zé)出廠水水質(zhì)測量和配水控制。ControlLogix 通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)連接廣泛分布的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。

3.2 冗余系統(tǒng)設(shè)計

在一些對系統(tǒng)可靠性要求很高的應(yīng)用中，需要考慮熱備份也就是系統(tǒng)冗余。這是指系統(tǒng)中一些關(guān)鍵模塊或網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時有一個或多個備份，當(dāng)現(xiàn)在工作的部分出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)可以通過特殊的軟件或硬件自動切換到備份上，從而保證了系統(tǒng)不間斷工作。通常設(shè)計的冗余方式包括：網(wǎng)絡(luò)冗余、CPU冗余和電源冗余。

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)冗余和CPU冗余

系統(tǒng)采用帶冗余的ControlNet為主控網(wǎng)，當(dāng)任意一個通訊通道出現(xiàn)故障或斷線時，可實現(xiàn)無擾動切換，不影響數(shù)據(jù)交換，并具有斷線的自診斷功能。

在各種工業(yè)控制的場合，尤其是對生產(chǎn)連續(xù)性要求比較高的過程控制場合，當(dāng)控制系統(tǒng)的核心部分——主控制處理器出現(xiàn)異常時，CPU的冗余熱備份可以使另一個備用處理器實時自動地接管整個控制系統(tǒng)，這樣整個控制系統(tǒng)可以不間斷地繼續(xù)進行生產(chǎn)，避免了系統(tǒng)停機給生產(chǎn)帶來不必要的損失，使整個生產(chǎn)過程更加連續(xù)和穩(wěn)定。

在本冗余系統(tǒng)中，由兩套完全一樣的處理器分別構(gòu)成主副系統(tǒng)，主副系統(tǒng)和I/O機架全部連接在ControlNet網(wǎng)絡(luò)上，通過冗余模塊1756-SRM來完成冗余。由于ControlNet網(wǎng)絡(luò)采用了生產(chǎn)者/消費者模式，使得主副系統(tǒng)得以共享I/O，即主副系統(tǒng)接收共同的輸入信息，同時也連接于共同的輸出，但I/O適配器只采用來自主系統(tǒng)的輸出，故而只有主系統(tǒng)控制著實際的輸出，主副系統(tǒng)同時連接在相同的ControlNet網(wǎng)絡(luò)上，使得他們得以保持同步的網(wǎng)絡(luò)通訊和程序掃描。當(dāng)主系統(tǒng)由于內(nèi)部或外部原因而無法實施控制時，副系統(tǒng)將接替主系統(tǒng)的工作，此時副系統(tǒng)升為主系統(tǒng)，如果主系統(tǒng)恢復(fù)正常，它將成為備用的副系統(tǒng)。它是通過調(diào)整以下硬件得以實現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2 硬件冗余設(shè)計圖

3.2.2 電源冗余

當(dāng)外部電源發(fā)生斷電情況時，如果沒有備用電源，整個系統(tǒng)就會癱瘓，因此系統(tǒng)應(yīng)該有冗余的電源設(shè)備。這里的備份并不是說簡單的安裝兩套設(shè)備，而是設(shè)計使之能在一個中斷后另一個能立即工作。當(dāng)本系統(tǒng)的外部電源發(fā)生斷電情況時，各 PLC 柜所帶的 UPS 電源會立刻切換過來給系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)運行的可靠性。

4 SCADA控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是SCADA系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由于SCADA系統(tǒng)比較復(fù)雜，考慮到軟件的開發(fā)周期和運行的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用以組態(tài)軟件為主，數(shù)據(jù)庫技術(shù)和VB編程語言為輔的軟件設(shè)計模式。目的是構(gòu)建一個軟件系統(tǒng)，包括了監(jiān)控工作站如何從ControlNet 上獲得現(xiàn)場生產(chǎn)的數(shù)據(jù)和設(shè)備運行參數(shù)，監(jiān)控工作站中動畫的動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)保存至以太網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器中并通過RsWebserver發(fā)布出去，使得網(wǎng)絡(luò)用戶可以通過瀏覽器查看，遠程用戶可以作為客戶端監(jiān)控生產(chǎn)畫面，并可通過攝像頭捕捉到整個工廠的實時視頻。整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4.1 上位機通訊編程軟件設(shè)計

上位機使用組態(tài)軟件構(gòu)造SCADA系統(tǒng)時，有兩個軟件也是必不可少的，即是RSLinx 和RSLogix，前者是建立在所有Rockwell軟件和現(xiàn)場控制設(shè)備之間的通訊方案工具，后者的500、5000軟件是針對SLC和ControlLogix 控制器的32位以Window s 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的梯形圖邏輯編程軟件包。它們共同為SCADA系統(tǒng)提供了一個編程、管理、數(shù)據(jù)傳遞的基礎(chǔ)平臺，使得人機交互界面的組態(tài)和數(shù)據(jù)庫軟件得以在這個平臺上無縫地與底層構(gòu)架交流通訊。

圖4 上位機通訊軟件組成圖

如圖4所示，這是一個典型的 Rockw ell 軟件構(gòu)架的例子，RSLinx是網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件，負(fù)責(zé)配置底層控制器與上位機之間的通訊服務(wù)驅(qū)動，可編程控制器設(shè)備編程軟件 RSLogix5000可對PLC的控制邏輯進行編寫，通過組態(tài)軟件RSView32 進行人機交互。

5 結(jié)語

文中針對某水處理廠需要實現(xiàn)的控制功能，從硬件和軟件兩方面對SCADA系統(tǒng)進行設(shè)計，采用NetLinx三層網(wǎng)絡(luò)支持SCADA系統(tǒng)符合分散控制集中管理的控制理念，采用Control-Logix與SLC等相結(jié)合的方式，減少了其邏輯控制要求的I/O點數(shù)，降低了系統(tǒng)造價，滿足小型化、集成化、通訊能力強的功能，減少了操作人員的工作量，降低了員工的勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率且運行安全可靠。

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