自来水实时数据采集与监控系统设计.doc

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湖南工业大学本科毕业设计（论文）

（2011届）

本科毕业设计（论文）

题目名称:

自来水实时数据采集与监控

（SCADA）系统

学院（部）：

电气与信息工程学院

学生姓名：

班级：

学号

指导老师姓名：

职称

最终成绩评定：

2011年月

摘要

随着我国城市建设的加快，管网越来与庞大，分散，作为城市极为重要的基础设施，加强对供水系统实时数据的采集与监控及信息化建设都具有相当重要的意义。

实时数据采集与监控（SCADA）系统是采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总等处理。

通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备的运行。

论文在了解实时数据采集与监控系统（SCADA）系统的基础上，对实时采集到的数据、监控状态的收集进行计算处理，并且从数据库的历史中获取的经验，进行优化调度，实现自来水网管的智能化控制。

充分运用现代化的信息技术手段，通过对SCADA系统的硬件和软件的设计，完成一个具有先进性、高可靠性、经济性的系统设计方案。

关键词：

SCADA,数据采集，监控，设计

ABSTRACT

Alongwiththeconstructionspeedquicklyofourcity,thepipelinenetworkismorehugeanddispersion.Asanextremelyimportantinfrastructure,strengthentooptimizepipelinenetworkandtheinformation-basedconstructionisveryimportant.

TheSCADAsystemistocollecteachsite'sdatainformation,storeitandstattools.accordingtodataanalysis,AndthengiveaAlarminformationorsendoutaControlCommandstositetimelytocontralthesiteOperationofequipment.

ThispaperisbasedontheSCADAsystem,Collectrealtimedataandsupervisedatatocalculateorprocess.Andthenacquireavailablecluefromthehistoryinthedatabaseofexperience,makeanexcellentoptimizeddecision.Implementintelligentcontrolofwaterpipenetwork,makethemostofthemoderninformationtechnique,throughHardwareandsoftwaredesignoftheSCADAsystemtoimplementaadvanced,highreliabilityandeconomicsystemdesign.

KEYWORDS:

SCADA,Dataacquisition，Supervisorycontrol，Design

目录

一绪论

（一）SCADA系统概述………………………………………1

1SCADA系统组成及工作……………………………….1

2SCADA系统的功能…………………………………….2

（二）本课题研究的背景、内容及意义……………………..5

二自来水SCADA系统总体设计

（一）自来水SCADA系统结构分析及监控站点组成……...7

（二）自来水SCADA系统的技术基础……………………...11

（三）城市自来水SCADA系统的建立……………………...14

1城市自来水SCADA系统设计原则…………………...14

2城市自来水SCADA系统的结构设计………………...14

3网络设计………………………………………………..15

4数据采集、控制和调度系统的设计…………………..17

5网络通讯系统设计……………………………………..22

6自来水SCADA系统数据库…………………………...23

7供水SCADA系统的防雷保护………………………...24

三自来水厂SCADA系统设计方案

（一）引言……………………………………………………..26

（二）系统总体方案…………………………………………..26

（三）系统构成及功能描述…………………………………..28

（四）访问和保护信息系统安全……………………………..33

（五）结束语…………………………………………………..34

四结论…………………………………………………..35

五参考文献……………………………………………..36

六致谢…………………………………………………..37

36

一绪论

（一）SCADA系统概述。

SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，即采集与监视控制系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。

它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、供水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

1SCADA系统组成及工作原理。

SCADA系统作为生产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：

一是分步式的数据采集系统，即智能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即上位机HMI（HumanMachineInterface）系统。

下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种RTU、FTU、PLC及各种智能控制设备，等等。

这些智能采集设备与生产过程和事物管理的设备或仪表相结合，实时感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，并通过特定数字通信或数字网络传递到HMI系统中；在必要的时候，这些智能系统也可以向设备发送控制信号。

上位机HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式如声音、图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种参数的状态（报警、正常或报警恢复），这些处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统（如MIS，GIS）结合形成功能更加强大的系统；HMI还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。

由于各个应用领域对SCADA的要求不同，所以不同应用领域的SCADA系统发展也不完全相同。

在供水系统中，SCADA系统应用非常广泛，技术发展也最为成熟。

它作为能量系统的一个最主要的子系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已成为供水系统不可缺少的工具。

它对提高管网运行的可靠性、安全性与经济

效益，减轻调度员的负担，实现管网电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。

在SCADA系统投入运用后，提高了输配管网运行的可靠性、安全性、有着潜在的社会效益和企业经济效益，减轻了管理人员工作负担。

是实现调度自动化、管理信息化的软件平台的基础。

系统采用两级控制，如图1所示。

一级是SCADA控制中心，监测分布在管网上的各个测量点，对数据采集分析，负责监视、管理和控制、统计输出等工作。

通过控制中心，可实时得到整个地区的城市供水管网运行状态、大用户用水工况，分析历史数据，判断管网运行质量，支持管网输配调度和管理。

二级为管网测量点RTU（远终端单元），实施远距离监控，将管道的压力、流量、设备运行工况、现场水泄漏的值等有关信息发送回控制中心，即使掉电也能将信息短期储存以便补发。

控制中心与管网测量点间采用多种传输方式，为实现"优质、高效、低耗、安全"的供水目标并创造最大的经济效益和社会效益，建立开放性好、可靠性高、适应性强的供水监控调度系统。

图1SCADA系统

2SCADA系统的功能。

SCADA系统得基本功能包括功能性、安全性、维护性和实用性。

（1）功能性

SCADA系统的功能性可简单定义：

在一定运行时间下，一套SCADA系统所有功能实现的百分度：

功能性（%）=硬件、软件、通信的实现情况/系统所有设计功能的总合。

硬件的功能，主要根据所选控制器、执行单元、仪器仪表和通信设备性能而定。

在行业的硬件设备的选型几乎是系统配套，而主流的SCADA系统集成商对硬件的选型更是各不相同，最终用户对硬件选型上基本上被系统集成商所左右，用户缺乏自主性。

在具体功能性的实现上，配套的系统优点在于系统构建周期短，硬件设备间配合性更好。

缺点是性价比不高，维修零配件必须指定专用设备，维护性差，甚至整体更换。

软件功能的功能与配套的硬件设备密切相关，分开说硬件和软件哪个功能更好是不科学的。

SCADA系统的软件功能的核心在于集成技术人员对应用现场、基本功能的调查度及对相关接口的实现方法。

针对具体的SCADA系统，设计人员、工程技术人员和现场用户需要不断地进行交流和讨论，只有将系统的目的完全了解、熟悉、掌握之后，才能将功能做得更加完善。

通信功能主要突出安全可靠的特点。

在不同工作层面的网络通信，与硬件设备、管理要求、现场特点等密切相关。

采用不同的通信方式、加密认证技术，是系统通信功能实现的重点内容，如作为监视层的人机界面，现场数据的刷新率不可能低5秒；作为控制层的操作响应不能大于系统设计的最长时间10等。

（2）安全性

SCADA系统的安全性是功能实现的保证，安全性和可靠性并没有严格的区分。

安全性更注重数据的秘密性、完整性和不易受外部攻击，可靠性更侧重于系统的连续工作时间和对于突发事件的处理。

由于现场大部分过程控制器都具有网络通讯能力，这就使得网络接口的安全显得格外重要。

现代SCADA系统中，为保证系统的连续长期稳定工作，冗余是必不可少的。

在冗余的本地局域网中，如果其中一个操作站通信发生故障，网络上其它的操作站可进行"无缝"连接。

在工业生产现场，核心工作站通常都设计成两套，在某一个操作站的硬件或应用程序出问题时，另一台计算机可立即接管正在处理的运行过程，提高系统的安全性。

热冗余中，在并行处理的方式下的两套服务器，每台设备接收和处理相同的信息。

当处于热冗余的服务器检测到正在运行设备的发生故障后，立即接管控制权力并将冗余状态变为运行状态。

故障监测和切换过程的时间通常在微秒级，过程处理和数据采集与在同一台设备的运行性能几乎没有差别。

（3）维护性

可维护性是SCADA系统性能设计中又一重要因素。

如果一个SCADA系统具有良好而实用的诊断工具，在硬件或软件的故障检测中，维护和维修时间都可降到最低。

根据不同行业（如供水系统）SCADA系统的应用重点，制定科学的、切合实际的诊断方法来保证系统可维护性是十分必要的。

可维护性也包括了系统的扩展性。

系统的扩展性指的是增加新点、功能或设备等，同时满足现场生产要求的停工时间。

特定系统的扩展性主要由现场应用情况来决定。

一般来说主要包括以下方面：

●可用物理空间的扩展

●各种类型内存容量的扩展

●处理容量和处理数据的扩展

●硬件点数、软件及协议的可扩展性

●总线长度、连接点和数据量的扩展

●例行程序、地址、标志及缓冲容量的扩展

●由于数据量增加而造成扫描周期延长的延展性

（4）实用性

SCADA系统的实用性，定义为在功能性、安全性和维护性满足现场应用的情况下。

系统的整体性价比，也是系统的综合性指标的重要内容。

可根据应用场合、地理范围、生产流程要求、系统硬件/软件、通信网络、现场安全性要求、维护周期要求等方面综合考虑。

从应用范围来说，有专业SCADA系统、专业应用。

在常规性建设中，实用性表现较为明显。

如在水处理系统中，系统应用可根据地理环境、采集和控制点的数量、控制器的运行要求等，需进行全面考察和探究。

在系统选型上，更注意功能的实现，采用什么样的应用软件能全面实现工业现场的所有功能。

不同的SCADA系统应用重点是有差异的。

系统信息完整、效率较高、及时掌握运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为管网调度不可缺少的工具。

四个基本功能之间的关系如图1.2所示

图1.2

功能性是系统现场应用的基础，是系统建设的根本目的，它需要其它特性的强有力支持及系统人员的不断完善健全。

安全性是实现系统功能的保障和生命力所在。

维护性是系统的长期、连续运行的源泉。

实用性是一套SCADA系统基础效益和建设基石。

成熟的SCADA系统在技术和管理上不断完善，不断发展。

本课题要将SCADA应用在自来水的管网的管理上，对水资源的配给做出优化调度，并且对管网的突发意外事件做出决策。

（二）本课题研究的背景、内容及意义

1选题背景

随着现代科学技术的进步，在世界范围内，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了飞速的发展。

在我国经济建设迅速发展的今天，电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势。

面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：

对城市自来水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平。

利用计算机及信息技术，对城市自来水行业进行企业现代化改造，是保证企业实现信息化，并与国际接轨的重要举措。

自来水实时数据采集与监控（SCADA）系统，城市供配水管网地理信息系统（GIS）为背景进行开发，其主要任务有：

对现行的城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析；地理信息系统（GIS）为工具，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该供配水管网系统数学模型，进行系统仿真与优化设计；建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规；通过SCADA系统，采集实时数据、实时状态，对水资源的配给做出优化调度。

国外如美国、日本等经济发达国家从八十年代就开始采用计算机技术对水厂进行控制，随着计算机技术的进一步完善，它的自动控制和管理达到了较高水平。

我国各地的自来水厂的设备大多比较陈旧，自动化程度较低，对供水管网采用人工巡检的方式。

由于有的水厂、检测点、小井地处偏远且相距较远，职工的劳动强度很大。

在管理上不能及时处理出现的情况，不能及时对爆管、泄露等问题及时做出反应，容易造成供水不足及冒漾，造成服务质量下降和水资源的浪费。

2选题意义

人们的生活离不开自来水，而供水管网承担着将自来水从水厂输送到千家万户的重任，把供水管网称作"城市的生命线"一点也不为过。

目前，城市内所有供水管网都已连成蜘蛛状的环状管网，遍布在城区各个角落，环环相通的供水管网，不仅均衡了地区服务压力，而且使市区的所有水厂缩小了供水半径有效的实施对置互补供水。

面对着如此庞大而复杂的供水管网，自来水集团始终在围绕"节"字做文章，在管网的管理、养护、维修、监控、及优化调度方面采取了一系列行之有效的措施，不断提高供水管网运行的安全保障度。

进一步探索管网的分区域管理模式、加强对管网区域漏失控制的研究，实现对城市供水管网科学化、规范化的动态管理，努力降低管网漏损率。

所谓区域，对于现行的整个城市水源的调度管理，每个水厂、一次水井就是一个区域；对于全国的水资源管理，每个城市就是一个独立的区域。

自来水实时数据采集与监控系统目标是对城市的管网的监控、用水量的预测、数据的采集及对水源做出优化调度。

而本课题的意义是对全国的水资源优化配给、调度提供实践经验，为建设资源节约型、环境友好型社会做出应有贡献。

2选题内容

本课题的主要内容：

1）通过对相关质料的阅读，了解自来水实时数据采集与监控系统（SCADA）的基本结构组成以及工作原理。

2）SCADA系统方案的设计与比较。

3）自来水实时数据采集系统软件、硬件的设计

4）系统的部分调试。

二自来水SCADA系统总体设计

（一）自来水SCADA系统结构分析及监控站点组成

1自来水SCADA系统结构分析

（1）总体结构

城市自来水SCADA系统可划分为5个组成部分：

水司控制中心、水厂分控中心、管网测压站、管网加压站和水源井监控站。

一个自来水公司下属可能有多个水厂，一个自来水厂又有多个工艺过程，同时又负责多个管网测压站、管网加压站和水源井监控站的管理。

如果将系统的所有信息都直接传送到水司控制中心，由水司完成整个系统的控制是不合理的。

因此就需要建立多个水厂分控中心，在水厂内建立多个监控分站和自来水取水、供水监控站点，以实现信息的逐级传输和系统的分级控制。

图2.1自来水SCADA系统结构框图

水厂分控中心对水厂的生产及各站点进行实时监控，它是系统的信息采集和控制中心。

水厂分控中心采集各站点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总或打印等处理。

通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制站点设备的运行。

水厂分控中心还需将汇总数据传送到水司控制中心，以实现整个系统的调度和管理。

在水厂内部根据生产管理的要求、生产工艺流程的复杂程度、信息量的大小和控制设备的多少来划分水厂监控分站，如：

取水泵房分站、反应沉淀池分站、滤站、送水泵房分站或水厂配电室分站等。

每一个监控分站采集现场数据信息并上传至水厂分控中心，同时接受水厂分控中心发出的控制命令，控制现场的各种工业设备。

除此之外，每一个监控分站都具有独立的操作系统，它们即可由水厂分控中心控制，也可独立工作脱离系统运行。

系统的取水和供水管网监控站点也是如此。

由于系统可实现信息的逐级传输和系统的逐级控制，各个站点又具有独立的工作能力，因此系统的灵活性和可靠性将大大提高。

同时这种方式也适合于自来水行业现行的管理模式。

（2）通信方式

SCADA系统一般采用无线传输方式来完成整个系统的数据采集和传输，使用的设备为无线电台。

无线传输一般采用主从应答方式，即主站利用无线网络下达命令，从站接收到命令后，执行相应操作，产生回应。

回应可以为数据，也可以为系统信息。

　　如前所述，城市自来水公司生产过程自动化监控系统（SCADA）包括：

水司控制中心、多个水厂分控中心、多个水厂监控分站、多个水源井监控站、多个管网加压站和多个管网测压站。

除一个水厂内各监控分站较为集中外，其它监控站点均散布在城市的各个区域。

因此通讯系统应考虑城市地形、地貌的影响。

正是由于自来水SCADA系统既有集中，又有分散的特点，在实际应用中亦采用划分区域、有线无线结合的通信策略。

具体做法是：

以一个水厂为一个通信区域，水厂分控中心为通信控制中心；水厂内部各监控站点与水厂分控中心采用有线通信方式（RS485），也可以采用无线通讯方式（电台）；水厂管辖下的取水、供水管网监控站点与水厂分控中心采用无线通信方式（电台）；水厂分控中心与水司控制中心之间采用联网通信方式（微波、光缆、卫星、无线电、租用电话线等）。

图2.2SCADA系统通信方式

（3）基本组成单元

RTU（远程测控终端）是SCADA系统的基本组成单元，采集、控制和通信是他所具有的基本功能。

　　对于具有分布式、集散型、网络化特点的企业，其SAS/SCADA系统的建立，离不开承上启下的RTU产品。

随着应用领域的不同，RTU也有不同形式的构成与特点。

以城市自来水公司为例，城市供水综合自动化系统中的SCADA系统，必须具备并且非常重要的一个功能就是：

实时、准确地监测遍布于全市的自来水管网的压力变化情况，另外还可能监测流量、余氯和浊度三个数据信息。

应用于管网测压的RTU产品就是为此目的而设计的。

由于管网测压工艺简单、无须控制、散布广泛，因此就要求此类RTU产品具有结构简单、性能可靠、价格便宜等特点。

　　水厂生产工艺较为复杂，采集控制点较多，因此也需要有功能较为强大RTU产品来支持。

一般来说，此类RTU产品应具有多种类型的信号输入，具有强大的软件支持，具有梯形图、C语言等编程能力，可支持PID等多种控制算法，可实现有线或无线通信方式。

在很多场合还需要它具有监视和操作功能。

只有这样，才能够满足不同水厂、不同工艺、不同用户的要求。

下面将以SuperE RTU为例说明城市供水SCADA系统中监控站点的组成。

2监控站点组成

（1）水厂监控分站

水厂监控分站有：

单RTU（SRC）、多RTU（SRRC）、多RTU级连（SRTRC）等多种组成形式。

它们各有优缺点，需根据实际情况和用户要求选择。

单RTU方式（SRC）

　　此种组成方式是：

信号（Signal）→RTU→分控中心（Center）的结构形式。

即监控分站的所有采集及控制信号全部连接到一个RTU上，再通过RS485线将采集数据传送到水厂分控中心。

监控分站的全部采集控制工作由一个RTU来完成。

其结构图见图2.3。

优点：

使用的RTU少。

　　缺点：

RTU结构庞大，需要有大量的输入输出接口，需要完成大量的采集控制功能；采集控制过于集中，可靠较性差；需要使用大量的信号电缆，施工较为困难。

此方式适用于规模较小，采集控制现场距离观测室较近，不需要现场监视的监控分站。

图2.3水厂监控分站SRC结构图

多RTU方式（SRRC）

此种组成方式是：

信号（Signal）→多个RTU→分控中心（Center）的结构形式。

即对监控分站的采集控制信号加以分类，并分别连接到不同的RTU上，再通过RS485线将采集数据传送到水厂分控中心。

监控分站的采集控制工作由多个RTU来完成。

其结构图见图2.4。

优点：

每个RTU的规模较小；采集控制功能分散到不同的RTU上，可靠性高。

缺点：

使用的RTU较多；需要使用大量的信号电缆，施工较为困难。

此方式适用于易划分功能，规模较小，采集控制现场距离观测室较近，不需要现场