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供水SCADA系統的研究與建立

   2012年02月10日 14:57  
  摘要:本文介紹了天津港保稅區供水SCADA系統的建立過程,對該系統的結構、通訊方式、監控點位置和數據庫等進行了設計。根據數據庫的信息,重點對系統內水泵與閘閥的控制、供水管網中自控調節閥的控制及布置原則進行了研究。
    
  天津港保稅區(以下簡稱保稅區)開發建設近10年來,隨著區內外資企業的日益增多,現為1×104m3/d的供水量已遠遠不能滿足用戶需求,它已成為保稅區發展的瓶頸。另外現有管網缺乏實時監測信息,使傳統的經驗調度缺乏科學依據。為此,保稅區政府決定在原有供水系統基礎上新辟自來水水源并增建1座3.5×104m3/d的加壓泵站及配套設施,同時建立、開發供水SCADA系統。
  
  1、供水系統規劃
  
  保稅區規劃的輸配水系統由四個水源供水,分別來自塘沽自來水四水廠、開發區水廠、港務局水廠以及區內深井泵站。目前保稅區用水主要由塘沽自來水四水廠提供。加壓泵站建成后,開發區水廠將成為另一主要水源。區內深井泵站作為備用水源。加壓泵站內設有MD1000RTU現場控制站,可對水泵的流量、壓力、開停狀態、電機電流等泵站信息進行實時監測。同時,考慮到保稅區是新開發的區域,面積小而易于布點監控,故在管網關鍵點、zui不利點處設置測流點、壓力監控點,由MD3311RTU采集其流量、壓力、余氯等實時數據。另外在管網上還設置了自控調節閥,通過調節閥的開啟度使管網上的壓力分布均勻。
  
  2、SCADA系統設計
  
  為實現“、、低耗、安全”的供水目標并創造zui大的經濟效益和社會效益,應建立開放性好、可靠性高、適應性強的供水監控調度系統。
  
  2.1設計原則
  
  ①采用標準化、通用化和系列化的計算機硬件產品。
  
  ②采用符合標準或產業標準的成熟可靠的軟件產品。軟件要具有良好的模塊化以及標準的互聯接口,便于組成各種規模的系統及產品和技術的更新換代。
  
  ③采用智能化自控設備,保證實時數據傳遞的快速、準確、有效、完整。
  
  2.2監控點與自控閥布置
  
  要實現對保稅區給水管網的計算機模擬和優化調度管理,必須了解給水管網的運行工況,掌握管網的動態信息,為優化調度模型提供必要的運行狀態數據。另外,通過觀察監控點的異常變化,可推斷事故發生情況,從而了解非正常的壓力分布情況及由此造成的影響。為此在管網上設置了12個測壓點、10個測流點、12個自動調節閥。通過MD3311RTU采集的流量、壓力、自控調節閥開啟度等信息推求出其余狀態變量,進而確定管網運行狀態,為優化調度提供數據基礎。
  
  ①管網測壓點、測流點的選擇
  
  管網中的測壓點、測流點應具有代表性。測壓點在管網末端布置得要多一些,而測流點則應靠近管網前端,末端小管徑上的流量變化對管網影響不大,故DN200管線上只設壓力表,不設流量計。流量計選用超聲波流量計,分移動和固定兩種安裝方式。固定式數量較少,用于環境條件好、重點監測的管段,移動式則便于按需要監測管段流量掌握管網運行狀態。
  
  ②自動調節閥的布置
  
  由于各水源出站壓力一般在343~372.4kPa,管網末端壓力一般要求在274.4kPa左右,基本上可滿足用戶壓力要求,但在一些管網末端死角不易達到要求,如果增加出廠壓力,則電耗及管道漏水率增加,降低了供水系統的效率。為解決此問題,考慮在管網上設置自動調節閥(以下簡稱自控閥),既可滿足用戶水壓要求,又可通過調節閥門的開啟度來調節管網壓力,使整個管網壓力分布均衡。自控閥的位置不同會有不同的優化調度結果,在考慮自控調節閥位置時,遵循了以下原則:
  
  a.對水量小、利用率低的港務局水廠及區內深井泵站不設自控閥,而利用泵站內的閥門進行調節。開發區水廠來水進入新建加壓泵站,泵站內有兩臺調速泵,不*造價高的自控閥,采用價格比較低的開/關閥同樣能起到調節作用。塘沽自來水四水廠來水通過兩條輸水管線直接進入管網,在每條管線上設置DN300、DN400自控閥各一個。
  
  b.考慮到大管徑上閥門主要用于檢修,不經常調度,而且管徑大、造價高,故不采用DN600自控閥。DN200管線基本在管網末端,流量較小,故DN200管線上的自控閥不做調節使用,而主要把閥布置在DN300、DN400的中等管徑上及多水源交匯處,讓自控閥真正發揮調節作用。
  
  3、系統結構
  
  整個系統由SCADA控制中心和MD1000RTU站控系統及MD3311RTU管網監控點等站點組成,并通過各自的通信裝置傳送數據或指令。系統對各測控對象的監控由測控單元實現。
  
  系統結構示意如圖1所示。
  
  3.1硬件系統
  
  兩臺互為熱備份的SCADA監控主機服務器存儲實時數據和歷史數據,可同時在線工作并均衡分擔系統計算的負荷,保證系統的高可靠性,這比傳統的主—從備份式結構更有優勢。兩臺終端服務器作為網絡遠程通訊用機,通過集線器完成與服務器的數據傳輸。監視器可通過圖形用戶界面GUI訪問SCADA數據庫中所有的數據庫,并可通過報表方式顯示時間信息和報警信息,使用歷史數據庫來顯示歷史和趨勢數據。大屏幕投影儀用于系統應用圖形的高清晰度實時顯示與監視。所有發生的報警事件均能通過A3網絡激光打印機在線自動打印,并帶有時間標簽和報警原因。
  
  3.2軟件系統
  
  操作系統平臺:WindowsNT;
  
  數據庫平臺:MOSAICROBMS;
  
  應用軟件:監控軟件MOSAIC,它是高度模塊化、可組態的、分布式的應用軟件系統,具有實時的、面向對象的、分布關系式型數據庫管理系統,同時采用“容錯”技術來保證系統高可靠性;
  
  數據庫:主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分構成。SCADA包括所有組態數據和實時數據;Event包括報警和事件;Authority存放安全信息;History存儲歷史數據作為備份;Dispatch用于數據分布,確保數據同步。
  
  3.3通訊系統
  
  目前SCADA系統的通訊方式主要有兩種:有線和無線。無線方式主要通過無線數傳電臺構成通信網,但存在著電臺設備的更新和傳輸協議中數據傳輸檢錯、糾錯能力等問題,其可靠性和有效性有待提高。而有線網通訊技術的研究目前有了突破性進展,特別是INTERNET的發展使有線網的應用走向更深層次,可利用率更高,發展前景較好,所以保稅區的供水SCADA系統采用有線方式進行通訊。其中,SCADA控制中心與MD1000站控系統的通訊采用雙以太局域網,通過DNP3完成;而控制中心與MD3311RTU的通訊則利用Modem,通過RS232共享器完成,這樣的設計保證了系統的可靠性。
  
  4、系統功能
  
  4.1實時遙測、遙信
  
  SCADA系統能夠掃描RTU,對調度所需的多種參數進行實時監測,使調度人員能及時、準確地了解系統工況,為優化調度軟件在“規則集”中作出選擇,提供數據依據。數據種類分為模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、開關量輸入(DI)、開關量輸出(DO)四種。MD1000RTU主要監控泵站內水泵、電機、閘閥等的工作狀態以及壓力、流量和余氯等實時數據。MD3311RTU主要監控管網上各監控點壓力、流量及閥門的開啟度等,通過遙控管網上主要閥門的開啟度來優化管網壓力和流量。
  
  4.2分析、管理實時和歷史數據
  
  ①SCADA系統可將采集到的實時數據在歷史數據庫中進行存儲,同時還能監視從RTU返回的信息,并更新鏈路狀態,使得操作員能夠監視和識別通信故障,以便確定RTU的工作狀態。
  
  ②對采集的各類實時數據進行數據處理。系統中有3種數據,分別是數字量、模擬量和控制量,通過MD1000RTU和MD3311RTU的現場接口卡模塊完成各類數據的輸入和輸出。對歷史數據不但記錄其數值,還記錄其狀態,表明該數據是否有效,根據其狀態來確定是否參加運算。
  
  ③具有事故分析與記錄、越限報警功能。SCADA除對各管網監控點、泵站進行實時數據采集外,還要檢驗它們是否超過各自的運行極限、安全極限或設備極限,如有越限則報警并作出相應處理。
  
  ④通過對操作員設置不同級別的數據使用與瀏覽等權限,保證數據的安全性。
  
  ⑤SCADA系統還可實現多種曲線繪制、圖表顯示、報表的統計和打印等功能,方便調度人員查詢了解。
  
  4.3決策與控制
  
  RTU采集的管網、泵站等的實時數據可作為優化調度的基礎數據,由優化調度程序進行分析,作出決策并向RTU發出控制指令,RTU根據指令作出相應動作,從而實現泵和閥的自動化控制。
  
  ①水泵的自動控制
  
  a.單泵開、停自動控制優化調度軟件向RTU發出開泵命令后,RTU對開泵條件進行一一檢測,如水泵是否處于停泵狀態且停泵時間>6min、清水池液位是否在預警水位以下、管路上各閥門是否具備開泵條件等,如條件不滿足,RTU會報警并向MOSICA返回“錯誤”信息。如果開的是調速泵,RTU則會要求給定轉速,然后執行調速泵的自動控制。停泵的控制過程與開泵類似。另外,為使泵處于*運行狀態,系統還設計了定速泵和調速泵運行時的保護程序,以延長水泵的使用壽命,使其能發揮zui大的工作效率。
  
  b.泵組合優化控制
  
  新建加壓泵站采用5臺水泵(3定2調)聯合工作,在各水泵運行工況滿足管網的水量、揚程要求時,通過兩根輸水管直接向管網供水。根據管網的不同用水要求,優化調度軟件會在泵組合“規則集”中進行選擇后,向RTU發出進一步的優化控制指令(如調速泵的轉速等),RTU根據指令執行相應動作。
  
  ②閥的自動控制
  
  系統不僅實現了對泵站內開關型閥的遙控,而且實現了對管網上自動調節閥的遙控、遙調。對前者的遙控主要是配合水泵的開、停進行自動控制,而對后者的遙控、遙調可實現管網壓力平衡和對爆管時的自動關閥處理。當管網局部壓力達不到要求時,優化調度軟件會根據管網仿真模型計算得出的各測壓點壓力,給出閥門開啟度控制指令,RTU執行指令,通過調節閥門開啟度實現管網壓力平衡,從而避免因局部壓力不滿足要求而增加水泵數量。若管網中出現爆管事故,RTU會監測到并反饋某一測壓點壓力突然下降的信息,根據該監測點的編號在數據庫中搜尋其附近自控閥,迅速定位并作出關閥方案,使能量損失zui小。
  
  5、結語
  
  ①企業應高起點規劃設計,與有實力的、專業的開發商合作開發SCADA系統。
  
  ②系統選用的軟、硬件,要求可靠性高、開放性好、適應性強,既能保持向下兼容,又能適應未來系統擴充的需要。
  
  ③要選擇可靠性、穩定性高的控制設備和監測儀表,一方面能平衡管網壓力,保障供水,增強對突發事故的反應能力;另一方面能從根本上保證數據采集、傳送的準確性,使供水管網仿真模型更接近真實管網。
  
  ④要加大科技、人才投入,為供水系統的合理化、科學化、現代化管理創造條件。

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