基于KingSCADA 軟件在上海白龍港污水廠綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陳善超，汪 宇，趙彥卿，趙子懿

（1.北京亞控科技發(fā)展有限公司，北京 100086；2.天津天霧抑爆滅火產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，天津 300392）

上海市白龍港污水廠的污水、污泥、除臭工程項目是上海市重大工程項目，自1999 年成立以來歷經(jīng)多次擴建和改造，其污水、污泥處理量約占上海城區(qū)1/3，屬于超大規(guī)模污水處理廠。

本次白龍港污水處理廠提標(biāo)改造工程設(shè)計規(guī)模280 萬噸/天，采用減量達(dá)標(biāo)的方式，新增120 萬噸/天生物處理設(shè)施和280 噸/天的深度處理設(shè)施[1]，除新增設(shè)施部分需要建設(shè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)外，原一期、二期及其他子系統(tǒng)也要進(jìn)行融合，以SCADA 為基礎(chǔ)建立全新全面的自動化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括由PLC、儀表、成套設(shè)備組成的硬件控制系統(tǒng)和組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫組成的SCADA 綜合監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)簡介

自控系統(tǒng)SCADA 組態(tài)軟件運行于污水處理廠中控室的工作站及服務(wù)器中，將所有工藝環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使用形象立體畫面表現(xiàn)水廠工藝流程及各種數(shù)據(jù)，并對污水廠進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的分析處理。自控系統(tǒng)組態(tài)軟件運行在污水處理廠的中控室，對污水廠提高運行效率、降低運營成本、提高管理水平起著至關(guān)重要的作用[2]。

1.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

白龍港污水廠子系統(tǒng)設(shè)備多，各系統(tǒng)獨立控制，其中下位機與組態(tài)軟件年代、品牌不一，操控人員精力分散，設(shè)備的故障預(yù)測及維修與控制，導(dǎo)致現(xiàn)場運維人員負(fù)擔(dān)繁重。

現(xiàn)需構(gòu)建集中監(jiān)控系統(tǒng)，對廠內(nèi)設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理，簡化人員操作流程，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，系統(tǒng)接入污泥污水除臭系統(tǒng)，廠內(nèi)分4 個片區(qū)，僅南區(qū)有32 組濾池，總數(shù)據(jù)量超過20 萬個IO 點位，數(shù)據(jù)庫需滿足自控系統(tǒng)檢索與上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能、支持API 與自動化接口調(diào)用，數(shù)采需滿足幾十個配套廠家的協(xié)議同時接入，協(xié)議如OPC、485儀表、西門子全系列、羅克韋爾全系列PLC 等。

1.3 系統(tǒng)重難點分析

SCADA 整合升級改造的難題較多，如：

（1）接入設(shè)備多、品牌雜、接口不一，部分設(shè)備年代已久，對接困難，數(shù)據(jù)點位龐大，系統(tǒng)如何保證高效的采集和存儲任務(wù)以及如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性；

（2）多個系統(tǒng)報警的優(yōu)先級劃分、誤報警屏蔽功能的實現(xiàn)，保障設(shè)備安全運行；

（3）如何保障控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；

（4）污水廠規(guī)模大，工藝流程多，如何更友好直觀的監(jiān)控整廠的運行狀態(tài)。

2 建設(shè)方案

白龍港污水廠智慧控制SCADA 系統(tǒng)按照“驅(qū)動程序統(tǒng)一化、畫面監(jiān)控模板化、流程監(jiān)控圖元化、界面風(fēng)格統(tǒng)一化、報警處置流程化、診斷分析系統(tǒng)化”的理念進(jìn)行建設(shè)，是一個可復(fù)用、可擴展的技術(shù)平臺。

進(jìn)一步提高污水處理生產(chǎn)決策的及時性和準(zhǔn)確性，達(dá)到生產(chǎn)建設(shè)投資、運行成本與智慧控制的目的[3]。

（1）優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方式，提高數(shù)據(jù)采集效率

在污水處理廠監(jiān)控中，對設(shè)備狀態(tài)，水質(zhì)情況等要求能夠在畫面中實時展示，因此在數(shù)據(jù)采集上提高采集效率是十分必要的。

在數(shù)據(jù)采集層，在傳輸時采用數(shù)據(jù)塊的方式進(jìn)行組織和傳輸。在KingIOServer 中建立數(shù)據(jù)模型，然后將模型進(jìn)行實例化后產(chǎn)生具體的數(shù)據(jù)模塊，每個數(shù)據(jù)塊中可以包含多個不同數(shù)據(jù)類型的參數(shù)，如此可以從一個數(shù)據(jù)幀中解析出多個參數(shù)，極大的提高了采集速度。

（2）保障設(shè)備安全運行

因設(shè)備運行安全問題較突出，生產(chǎn)運行管理和技術(shù)分析受技術(shù)條件限制的問題，為有效降低生產(chǎn)運營中的電耗、藥耗等成本消耗，通過采用工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫KingHistorain 結(jié)合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQLServer 建立完整的歷史數(shù)據(jù)庫和報警事件數(shù)據(jù)庫，記錄設(shè)備生產(chǎn)運行中的關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)及報警信息、操作事件等，為后續(xù)事故分析、故障追溯和統(tǒng)計分析提供依據(jù)，保證污水處理廠更加安全、可靠、經(jīng)濟地運行[4]。

（3）解決控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定性問題

軟件配置充分考慮分布式及冗余方案，采用數(shù)據(jù)采集分布式加冗余，SCADA 服務(wù)器雙機冗余部署提高了整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

對于網(wǎng)絡(luò)安全層面在中央控制室與企業(yè)生產(chǎn)管理網(wǎng)通過加裝隔離網(wǎng)閘，將生產(chǎn)網(wǎng)與控制網(wǎng)進(jìn)行隔離，確保SCADA 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，避免控制網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊和破壞[5]；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器配置容錯服務(wù)器2 臺，采用工業(yè)庫冗余實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的軟硬雙重冗余方案保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠存儲。

（4）多終端多實例多分屏無極縮放監(jiān)視方案

采用BS+CS 架構(gòu)，部署30 個CS 客戶端及50并發(fā)的BS 客戶端滿足集控中心及各個工藝車間監(jiān)控的需求；中控室每臺工作站多實例運行KingSCADA工程采用四分屏顯示監(jiān)控界面實現(xiàn)一臺工作站能夠同時監(jiān)視4 個關(guān)鍵工藝界面；在工藝監(jiān)視界面開發(fā)實現(xiàn)鼠標(biāo)選中區(qū)域自動縮放功能便于操作人員對局部工藝重點監(jiān)視。

3 總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 System topology diagram

（1）整個系統(tǒng)架構(gòu)由感知執(zhí)行控制層、數(shù)據(jù)傳輸交互層、數(shù)據(jù)存儲管理層與綜合智能應(yīng)用層組成。

感知執(zhí)行控制層：主要通過水廠現(xiàn)場的自動化儀表、傳感器、PLC 等設(shè)備，自動采集提升泵、格柵機、鼓風(fēng)機、水質(zhì)、水量等污水處理生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)。通過控制閥、設(shè)備啟停等控制設(shè)備，對污水處理生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化控制。

數(shù)據(jù)傳輸交互層：通過部署集成大量驅(qū)動協(xié)議、采集穩(wěn)定高效的KingIOServer 產(chǎn)品將實時數(shù)據(jù)和信息傳輸給KingSCADA 系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一的收集、匯總、綜合處理和分析。

數(shù)據(jù)存儲管理層：實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和處理，存儲于KingHistorian 工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫中，為歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

綜合智能應(yīng)用層：主要實現(xiàn)對全廠各個生產(chǎn)工藝段進(jìn)行實時歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和操作，從而實現(xiàn)生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、報警管理、生產(chǎn)運行管理、生產(chǎn)分析等人機交互的應(yīng)用展示功能。

（2）SCADA 系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器，工程師站、操作員站組成。

工程師站SCADA 與多個互為冗余的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)整個應(yīng)用系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)處理、Web 數(shù)據(jù)服務(wù)請求，并提供生產(chǎn)實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析、報警預(yù)警等功能。

操作員站SCADA 與對應(yīng)監(jiān)控區(qū)域的互為冗余的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接，負(fù)責(zé)該片區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)請求、提供該區(qū)域的生產(chǎn)實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析和報警管理等功能。

數(shù)據(jù)采集器KingIOServer 分別部署在8 臺數(shù)據(jù)服務(wù)器兩兩冗余分別對應(yīng)采集4 個環(huán)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)。

在專用的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器上，主要是負(fù)責(zé)采集各光纖環(huán)網(wǎng)下各生產(chǎn)工藝段的數(shù)據(jù)，采用冗余配置，保證數(shù)據(jù)采集的安全性、完整性。數(shù)據(jù)采集器支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)采集、變量配置、在線編輯、快速增加刪除站點和設(shè)備。

歷史數(shù)據(jù)庫KingHistorian 用于存儲數(shù)據(jù)采集器KingIOServer 和KingSCADA 服務(wù)器傳輸給的數(shù)據(jù)，采用2 臺容錯服務(wù)器雙重冗余配置，保證歷史數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)存儲的安全性。為客戶端的歷史數(shù)據(jù)查詢、服務(wù)器端的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

工程師站、各操作員站以及Web 客戶端操作員站用于分析和展示全廠生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，通過工藝畫面、報表、曲線等多種方式實現(xiàn)對計算分析數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，以滿足污水生產(chǎn)與管理的需求。

3.2 功能模塊設(shè)計

白龍港污水生產(chǎn)智慧控制系統(tǒng)包括生產(chǎn)流程工藝監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、預(yù)警報警、曲線報表、視頻監(jiān)控等功能模塊，以及事件管理、用戶管理等管理模塊，各標(biāo)準(zhǔn)模塊能快速、靈活組合使用，減小功能重復(fù)開發(fā)、降低開發(fā)維護周期與費用。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，得到系統(tǒng)各個功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊設(shè)計Fig.2 System module design

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）分布式部署

KingIOServer 支持部署到不同計算機節(jié)點，降低運行環(huán)境的負(fù)載，提升系統(tǒng)性能，單節(jié)點宕機，不影響其他服務(wù)正常運行，提升可用性，可有效解決大型監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模和性能要求。

（2）多實例運行

KingSCADA（X64）企業(yè)版采用64 位編譯技術(shù)，能夠充分發(fā)揮硬件資源；單機支持同時運行5 個服務(wù)端工程實例，能夠分布式多實例部署采集、實時、歷史、報警、登錄、校時、事件。

（3）模型應(yīng)用

支持模型的高效復(fù)用：支持?jǐn)?shù)據(jù)模型和圖形模型，提供模型到實例化對象的船舶特性，能夠?qū)崿F(xiàn)工程的高效開發(fā)并保障維護修改的便捷性和準(zhǔn)確性。

（4）無極縮放

開發(fā)和運行狀態(tài)均支持無級縮放，縮放范圍達(dá)到10%～1000%；畫面最大支持32000×32000 分辨率導(dǎo)航圖，可進(jìn)行整個廠區(qū)工藝畫面的監(jiān)視瀏覽。

（5）全面冗余

SCADA 系統(tǒng)支持雙機熱備、雙網(wǎng)絡(luò)冗余、雙IOServer 冷熱冗余、雙IOServer 雙設(shè)備冷熱冗余，采用專用網(wǎng)卡或?qū)Ｓ么谕ǖ罊z測心跳，保證系統(tǒng)狀態(tài)及時快速偵測，快速實現(xiàn)主/冗切換。

（6）用戶安全

SCADA 系統(tǒng)基于用戶和角色安全管理體系，支持綁定mac、IP、在線數(shù)量等；支持反向代理，提高數(shù)據(jù)通訊安全性；支持?jǐn)?shù)據(jù)通訊加密傳輸。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 工藝總覽模塊實現(xiàn)

在工藝總覽中分4 個工藝區(qū)塊：A 區(qū)-西北片區(qū)；B 區(qū)-除臭系統(tǒng)；C 區(qū)-高密池與擴建部分；D 區(qū)-西南、南部片區(qū)?？傆[全廠工藝并直觀展示關(guān)鍵參數(shù)及區(qū)塊報警狀態(tài)。廠區(qū)平面圖如圖3 所示。

圖3 廠區(qū)平面圖Fig.3 Plan of factory area

4.2 工藝監(jiān)控模塊實現(xiàn)

工藝監(jiān)控功能主要完成白龍港污水廠智慧控制系統(tǒng)的各污水處理工藝段生產(chǎn)流程和相關(guān)核心數(shù)據(jù)等的實時監(jiān)測，在這類界面中系統(tǒng)用戶可以直觀地了解到廠內(nèi)所有（權(quán)限內(nèi)畫面）的重要數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻監(jiān)控能夠?qū)Ω魃a(chǎn)流程的運行狀態(tài)做到了如指掌。在畫面中可實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停設(shè)備和參數(shù)調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程啟停等設(shè)置用戶操作權(quán)限和系統(tǒng)日志，無權(quán)限的用戶無法進(jìn)行設(shè)置，保證控制的安全性，并將遠(yuǎn)程控制、設(shè)置操作生成事件，做到可追溯查詢。

（1）以直觀的3D 底圖呈現(xiàn)高密池工藝泵、閥等設(shè)備狀態(tài)、頻率、啟停時間，實時監(jiān)測進(jìn)出水瞬時流量、進(jìn)出水累計流量、進(jìn)出水水質(zhì)等。

（2）鼓風(fēng)機開停策略與輪換機制設(shè)定。

（3）流量平衡分析與異常流量情況監(jiān)視。

4.3 趨勢曲線及拐點分析實現(xiàn)

可實現(xiàn)對拐點產(chǎn)生的原因進(jìn)行追溯，記錄拐點解決方案，積累拐點應(yīng)對經(jīng)驗。在拐點分析系統(tǒng)中記錄解決措施及相關(guān)處理痕跡資料，經(jīng)年累月，不僅提高了污水廠應(yīng)對拐點的處理處置能力，還有效保證了日常運行。數(shù)據(jù)分析界面如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析Fig.4 Data analysis

4.4 報警管理模塊實現(xiàn)

支持用戶單點報警、多點聯(lián)動報警關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)配置；實現(xiàn)多點聯(lián)動報警不同等級報警的區(qū)分，實時報警自動彈窗展示，如圖5 所示，與水廠智能控制指令進(jìn)行智能聯(lián)動報警，減少誤報警；支持報警歷史記錄查看。

圖5 實時報警彈窗Fig.5 Real-time alarm pop-up

4.5 系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)

實現(xiàn)用戶管理，用戶權(quán)限配置管理，可自由配置單個頁面權(quán)限。實現(xiàn)變量管理，對變量進(jìn)行增刪改查，相關(guān)頁面的變量會進(jìn)行修改。

5 結(jié)語

白龍港污水廠監(jiān)控軟件采用了北京亞控科技發(fā)展有限公司的工業(yè)組態(tài)軟件KingSCADA，KingHistorain，KingIOServer 融合了組態(tài)、分布式數(shù)據(jù)采集存儲、Web 發(fā)布、OPC 功能，實踐證明，KingSCADA 以其友好的界面、強大的功能，滿足了大型污水處理廠對工藝過程監(jiān)控和管理的需求。同時也為將來越來越多的中大型污水廠進(jìn)行擴建及升級改造過程中解決大點數(shù)、多設(shè)備、高并發(fā)等應(yīng)用場景提供建設(shè)思路。