基于力控软件的城市供水SCADA监控系统方案

基于力控软件的城市供水SCADA监控系统方案 关键词：SCADA RTU 力控监控组态软件 ForceControl6.1
1前言
城市供水综合自动化监控系统采用以计算机为核心和网络信息化为基础的监控与数据采集（SCADA：Supervisory Control And Data Acquisition）系统。

该系统将达到在调度控制中心完成对全网进行监控、调度、管理的自动化水平，操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对供水管道以及水厂的监控和运行管理。

城市供水综合自动化监控系统一般包括供水总公司，多个水厂分控中心，多个水厂监控站，多个水源井监控站，多个水网加压站等。

根据图1自来水生产流程图所示，自来水的生产过程通常是由地表水或者水源井取水送到水厂，在水厂经过消毒、沉淀、过滤等过程后送入城市供水管网，提供给城市居民或者工业用户等使用。

在城市管网中，有些地方还设有中途加压站，同时管网中还分布着多个测压点。

图1自来水生产流程图
城市供水综合自动化监控系统的主要任务是为供水管网管理人员提供集中供水系统的运行状况，帮助
选择最佳的运行工况，进而调整和保持供水参数，使其达到供水装置安全以及经济运行所必需的给定值，保证城市供水同时可以做到节能资源。

2项目背景
2.1现状
某中型城市西南城区设有市区供水总公司，该公司管辖城区3个水厂分控中心，9个水厂监控站，遍布市区总共有上百处供水管网测压、流量等监测点。

由于供水管网分布具有即集中又分散的特点，分控中心与水厂之间位置相对集中，已经事先敷设了地下光缆。

而管网中各个测压点、流量监测点、以及水源井位置分布区域广泛，数量多，距离远，有些监测点地理环境偏僻。

因此如果各个监测点与分控中心之间采用光缆、电缆等有线的通信方式，都会面临施工难度大、成本高的问题。

倘若通过监测点人员定期手工记录数据，再以电话方式汇总到分控中心的方式又面临着数据采集周期长，人工错误率高，实时性差的问题。

因而亟需一种准确快捷，成本相对低的数据采集监控解决方案。

2.2需求分析
针对以上种种情况分析表明，需要建设一套城市供水综合自动化监控系统，能够对分散的监测点数据进行自动采集、完成实时数据显示、历史数据存储、报表、报警等功能。

由于监测点地理位置分散，不适合通过有线方式进行数据通信，因此采用无线方式将数据上传到监控中心。

系统可以分为两部分：第一部分设在水厂分控中心。

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

水厂分控中心采集各监测点的数据信息，并对这些信息进行存储、分析汇总以及打印等处理。

通过数据分析，及时给出报警信息或向站点发出控制命令，控制水厂以及监测点设备的运行。

第二部分：供水总公司。

水厂分控中心将汇总数据传送到供水总公司，实现整个系统的调度和管理。

同时供水总公司配备WEB服务器，数据可全部发不到Internet互联网，实现远程浏览。

3监控系统总体概述
本章节将对本次建设的系统进行整体的描述和说明，主要分为3个方面：
1）系统建设目标；
2）系统设计原则；
3）系统整体架构说明；
3.1系统建设目标
第一部分：在水厂分控中心建立数据中心，负责采集各个水厂，供水管网监测点以及水源井的实时数据。

为了能对各个水厂、供水网监测点、以及水源井进行实时监控，从而根据用水情况安排生产，需要在水厂分控中心建立数据中心。

现对各供水网监测点、水源井、水厂测量仪表数据传输系统进行改造，分控中心与水厂之间已敷有地下光缆，各个水厂数据可通过有线方式将生产数据上传到分控中心，同时分控中心可对各个水厂运行设备进行远程控制。

由于各个管网监测点以及水源井分布广泛，因此采用无线GPRS方式实现数据通信，将实时数据上传到分控中心。

第二部分：在供水公司建立调度管理中心，负责汇总各个分控中心的数据，同时具备网络发布功能，允许远程客户登录访问，并为计量部门提供各类数据。

由于分控中心与供水总公司之间距离较远，而且需要上传的数据量较大，因此采用ADSL拨号上网方式实现数据通信。

整个系统具备以下功能：
z对所有供水管网数据的统计及分析，形成日报，月报，季报，年报。

z系统具有WEB发布功能，满足用户通过认证方式访问系统。

z整个系统具有很好的扩展性，伸缩性。

使得后期新增节点可以低成本无缝接入。

z供水总公司配备大型关系数据库，具备数据归档、统计、分析功能。

3.2系统设计原则
可扩展性—系统的设计上一方面要全面满足当前环境下的需求及未来一段时间的应用需求，另一方面要能方便地进行功能扩展，可灵活增添删减功能模块。

可集成性—从技术发展角度和用户需求来看，软件结构本身应能与其它应用系统集成，做到信息共享和资源共享。

3.3系统整体架构说明
根据需求分析与系统设计目标，图2所示为城市供水综合自动化监控系统网络拓扑图。

各个管网监测点以及水源井监测点，配备RTU远程终端模块以及DTU数据终端设备，采用GPRS无线通信方式将数据上传到水厂分控中心，主要采集液位、压力、流量、水源水质以及水泵等相关实时数据。

各个水厂配备PLC（可编程控制器）作为硬件控制系统，包括取水、加药、滤池、送水等控制流程，通过光缆将数据上传到水厂分控中心，每个水厂可配备一套水厂SCADA监控系统。

主要采集液位、压力、流量、温度、水质以及水泵等相关实时数据。

水厂分控中心配备力控Forcecontrol 6.1组态软件作为监控平台，用于对各个管网监测点、水源井监测点以及水厂生产状况进行统一监控。

供水总公司作为调度管理中心配备力控pSpace 5.0实时历史数据库作为系统平台，用于汇总各个水厂分控中心上传的运行数据。

供水总公司与水厂分控中心之间通过ADSL拨号方式实现数据交互，该方式具备速度快，流量大，费用低，易于维护等特点。

同时配备力控pSpace 5.0 WEB服务器，允许远程客户通过认证方式访问系统。

为了便于计量、市政等部门的数据归档、分析需求，还可配备大型关系数据库（SQL、Oracle 等）。

该系统支持局域网内访问功能，可增设多个力控Forcecontrol 6.1操作员站，便于系统日常维护。

图2城市供水综合自动化监控系统网络拓扑图
从图2的整体系统结构图可以看出，本系统将划分为4个功能区：
1）RTU+DTU远程分布式设备数据采集区域，包含多个区域；
2）水厂分控中心力控ForceControl 6.1监控组态软件；
3）ADSL通信方式；
4）供水总公司力控pSpace 5.0实时历史数据库
各个功能区将会在后面部分逐一描述。

4.RTU+DTU分布式远程设备数据采集区域
4.1数据采集对象
二次仪表设备包括（流量计、流量积算仪、水质分析仪，压力传感器等）主要测量供水管网的累计流量、瞬时流量、累计热量、水源水质、水源井水泵工作状态、泵房供电等数据。

4.2远程终端模块（RTU）
RTU英文全称 Remote Terminal Unit，中文全称为远程终端单元。

RTU具有的特点是：
1）通讯距离较长；
2）用于各种环境恶劣的工业现场；
3）模块结构化设计，便于扩展；
4）在具有遥信、遥测、遥控领域的水利，电力调度，市政调度等行业广泛使用。

RTU（Remote Terminal Unit）是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。

与常用的可编程控制器PLC相比，RTU通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。

正是由于RTU完善的功能，使得RTU产品在SCADA系统中得到了大量的应用。

远程终端设备（RTU）是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。

RTU将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式。

它还将从中央计算机发送来得数据转换成命令，实现对设备的功能控制。

▲技术原理：
RTU是集成了模拟信号采集、过程IO控制和无线数据通信于一体的高性能测控装置，可以直接接入标准变送器信号或仪表输出的模拟信号、电平信号、干触点、脉冲信号等，是小规模过程信号实施无线测控的最佳手段。

▲功能及特点：
① 配备多种接口资源，包括模拟信号采集、开关量输入、输出，脉冲信号输入等；
② 支持一路RS232/RS485方式的用户数据接口，可接入流量计等各种设备；
③ 采集传输控制一体化，提高了系统可靠性，降低了成本；
④ 采用工业级超低功耗高性能的嵌入式处理器；
⑤ 用户可以编程的量程转换和报警上下限设定；
⑥ 内设工业时钟，精确计时；
⑦ 自动定时上报和事件触发上报功能；
⑧ 内置大容量FLASH存储器，数据自动记录，支持历史数据检索；
⑨ 通讯协议完善，组态软件支持，用户免开发；
⑩ 板载GSM/GPRS传输模块，方便用户选择GSM、GPRS组网方式；
4.3数据终端设备（DTU）
DTU是指数据终端设备（Data Terminal unit),可以理解为下位GPRS发射终端，在进行通信时，传输数据的链路两端肯定存在DTU.在它的作用下对所传信息进行格式转换和数据整理校验。

GPRS DTU全称GPRS数据传输单元，在国内目前实际上对GPRS DTU具有更加明确的约定：GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS 网络进行传送的GPRS无线设备。

GPRS DTU的几个核心功能：
1）内部集成TCP/IP协议栈
GPRS DTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，从硬件上，它可看作是嵌入式PC与无线GPRS MODEM的结合；它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。

2）提供串口数据双向转换功能
GPRS DTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都属于常用的串行通信方式，而且GPRS DTU 在设计上大都将串口数据设计成“透明转换”的方式，也就是说GPRS DTU可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，而不需要改变原有的数据通信内容。

因此，GPRS DTU可以和各种使用串口通信的
用户设备进行连接，而且不需要对用户设备作改动。

3）支持自动心跳，保持永久在线
GPRS通信网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线，因此典型的GPRS DTU在设计上都支持永久在线功能，这就要求DTU包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线（当长时间没有数据通信时，移动网关将断开DTU与中心的连接，心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包，以保持连接不被断开）、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。

4）支持参数配置，永久保存
GPRS DTU作为一种通信设备，其应用场合十分广泛。

在不同的应用中，数据中心的IP地址及端口号，串口的波特率等都是不同的。

因此，GPRS DTU都应支持参数配置，并且将配置好的参数保存内部的永久存储器件内（一般为FLASH或EEPROM等）。

一旦上电，就自动按照设置好的参数进行工作。

5）支持用户串口参数设置
不同用户设备的串口参数有所不同，DTU连接用户设备的串口时，要根据用户设备串口的实际参数对DTU端进行相应设置，保证用户设备的正常通信和可靠数据传输。

GPRS DTU的扩展功能：
较为专业的GPRS DTU还提供一些扩展功能，主要包括：支持数据中心域名解析、支持远程参数配置、远程固件升级、支持远程短信/电话唤醒、支持本地串口固件升级、提供短信通道、提供DTU在线、离线电平指示等。

5.水厂分控中心力控ForceControl
6.1监控软件
5.1. 力控ForceControl
6.1监控软件概述
力控Forcecontrol6.1工业监控组态软件是北京三维力控科技有限公司根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端自动化软件产品，是力控科技全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端HMI/SCADA自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。

力控Forcecontrol6.1产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃，力控Forcecontrol6.1在秉承力控6.0成熟分布式应用技术的基础上，功能更强大，主要特点如下：
1）互联网时代的骄傲
提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA、GSM网络与控制设备或其它远程力控节点通讯；
面向国际化的设计，同步推出英文版和繁体版，保证对多国语言版的快速支持与服务；
力控软件内嵌分布式实时数据库，数据库具备良好的开放性和互连功能，可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML 、OPC、ODBC、OLE DB等接口方式进行互连，保证生产数据实时地传送到以上系统内。

2）强大的移动网络
支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯,力控移动数据服务器与设备的通讯为并发处理、完全透明的解决方案，消除了一般软件采用虚拟串口方式造成数据传输不稳定的隐患，有效的流量控制机制保证了远程应用中节省通讯费用。

3）完整的网络冗余及软件容错解决方案
作为民族产业的大型SCADA、DCS软件，力控软件支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器（双机）冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。

力控软件支持控制设备冗余如SIEMENS公司的S7400H,GE的GE9070系列PLC的冗余模式，支持普通的232、485、以太网等控制网络的冗余，支持控制硬件的软冗余切换和硬冗余切换。

4）稳定的通讯处理
支持通过RS232、RS422、RS485、电台、电话轮循拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。

支持主流的DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等1000多种厂家设备的通讯。

支持离线诊断，在开发环境下可以诊断是否正常通讯。

支持不同协议的设备在一条通讯链路进行通讯。

支持在大型SCADA系统中的远程通道冗余通讯。

5）图形系统主要特点：
方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD 等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；
强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；
支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；
强大的ActiveX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；
全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板，报表文件格式兼容Excel工作表文件，支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。

6）分布式的结构
力控监控组态软件在软件功能模块的分布式体系结构体现在各个组件程序间的关系上，图形界面系统VIEW和实时数据库DB之间是分布式的，力控科技在图形VIEW级率先提出了"数据源"的概念，使一个图形界面可同时连接多个不同的机器上的实时数据和数据源，而各个分布式的数据库分别对连接自己的
I/O Server进行采集数据和处理，如输入数据的量程变换、流量累积、报警检查，以及PID运算等，这种体系结构的优越性在于，各组件任务分配更合理，使您的系统实时性更好，稳定性更高。

5.2 力控ForceControl
6.1监控软件设计
水厂分控中心系统软件采用B/S或C/S结构，通过GPRS以及光缆通信方式接收水网监测点、水源井监测点以及水厂的数据，进行供水管网的数据分析、显示、查询、统计、报表打印等功能，给用户提供一个直观、简单的操作平台。

5.2.1形象逼真的实时监控界面
集中显示各用户重要参数（如瞬时流量、温度、压力、累计流量、报警状态、通讯状态），可按区域、地块划分用户，能够单独显示各个区域实时数据。

图3所示为区域显示画面
图3 区域显示画面
图4 水站流程图
图5水源井工艺画面
5.2.2强大的数据报表功能
生成各用户的用量日报表，月报表及年报表，且可生成分时等特殊报表的功能。

任意组合用户测量趋势、测量参数累计、故障时段等趋势记录通过打印机打印输出。

图6 强大的数据报表功能
5.2.3实时/历史趋势组合显示
自动生成各用户的瞬时流量、温度、压力、累计流量的并行历史曲线，并可查询任意用户、任意参数、任意时段的历史数据，历史数据和曲线应便于转存和打印
图7 实时/历史趋势曲线
5.2.4方便的报警/事件管理
实时显示并记录就地流量测量系统的各种报警信息，如流量/压力/温度的超限、仪表工作电源不正常、水泵工作异常、通讯故障等报警信息。

图8 方便的报警/时间管理
5.2.5完备的安全保护机制
力控提供了完备的安全保护机制，以保证生产过程的安全可靠，力控的用户管理具备多个级别，并可根据级别限制对重要工艺参数的修改，以有效避免生产过程中的误操作；力控提供了安全区的概念，同级别，不同安全区的数据不可以互相操作，保证了数据的分布式的管理。

提供基于远程的用户管理，增加更多的用户级别及安全区，管理所有用户的远程登陆信息。

图9完备的安全机制
5.2.6实时高效的数据库DB
软件内嵌分布式实时数据库，数据库是整个软件的核心，负责将采集的实时数据进行处理、发布；分布在网络的实时数据库节点可以充当为IO通讯服务器、报警服务器、历史服务器等；实时数据库完成历史数据的存储、归档，报警的检查，报警数据的存储等功能；数据库具备强大的数据处理功能，丰富的参数类型，内置的多种功能块，可实现累计、统计、控制、线形化、PID控制、各种运算等功能；数据库对数据按区域、单元、子单元管理，分为6层结构，方便数据的管理；用户可根据实际需要自定义自己的各类数据库结构，方便对数据的管理和查找。

6 ADSL通信方式
ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line ），它采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、
上行和下行三个相对独立的信道，从而避免了相互之间的干扰。

通常ADSL在不影响正常电话通信的情况下可以提供最高3.5Mbps的上行速度和最高24Mbps的下行速度。

在通讯速度和实际硬件成本的角度考虑，这种Internet接入方案比较常用。

图11 ADSL网络拓扑图
当服务器位于中心监控机房（有固定IP）并接入Internet，客户端可以通过ADSL“拨号”的方式接入Internet，客户端、服务器端使用力控的 COMMSERVER组件
图12 通信原理图
在力控的分布式结构中，特殊功能组件如Commserver将数据从实时数据库“RTDB”中取出，然后通过已经建立的链路，实现数据远程共享。

7供水总公司力控pSpace 5.0实时历史数据库
7.1 力控pSpace5.0实时历史数据库
对于现代工业企业，如何能使决策者随时查看生产过程数据，以便快速地做出更为灵活的商业决策，是企业信息化建设的关键，企业生产调度管理系统的核心是实时历史数据库，实时历史数据库可用于工厂过程的自动采集、存储和监视，可在线存储每个工艺过程点的多年数据，它提供了清晰、精确的操作情况画面，可以提供批次管理、设备运行管理、工艺曲线、事故诊断等多种调度管理模块，可以说，实时历史数据库对于流程工厂来说就如同飞机上的“黑匣子”，是数字化工厂的关键！
力控®企业级实时历史数据库pSpace是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库系统，产品为完全的分布式结构，可任意组建应用模式；支持C/S和B/S应用；它可以提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具；大容量支持企业级应用，内部实现高数据压缩率，可实现历史数据的海量存储，灵活的扩展结构可满足各种需求，具备广泛的安全性和可跟踪性。

力控pSpace V5.0以优越的性能、先进的架构、开放的接口、及时的服务让企业轻松自如地存储、管理及应用生产过程数据，是您构建企业管控一体化系统、生产调度指挥系统、MES系统、ERP系统等应用系统的基石，它具备以下特点：
z强大的I/O能力：
写入30万点/秒；读取25万点/秒。

z丰富的设备采集接口：
支持主流DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等近1000多家设备采集接口，每月增加30个设备采集接口。

z跨平台，多平台支持能力：
Windows、Unix、Linux任您选择。

z先进高效的二次压缩技术：
一次逻辑压缩，二次物理压缩，数据压缩率高达40：1。

z多级冗余机制：
支持多服务器、双接口机、双网、双通道等多种冗余技术。

z开放而丰富的应用接口：
DBI API、COM SDK、OLE DB Provider、DAI SDK、OPC、ODBC、REAL-SQL，为您提供灵活可选的二次开发功能。

z丰富的上层应用工具：
图形显示，趋势分析，报表工具，运行诊断，质量分析等等。

z专业的模块化结构：
以业务定规模，以功能定模块，扩充方便。

7.2 力控pSpace5.0实时历史数据库设计
供水总公司配备的力控pSpace5.0实时历史数据库用于整个系统的调度管理，负责将各个水厂分控中心的数据统一整合到供水总公司数据库平台。

7.3 强大的WEB功能
力控pSpace5.0 Web Server实现了服务器端与客户端画面的高度同步, 在浏览器上可以同时浏览多个过程画面, 数据采用变化传输的方式，与其它采用JAVA虚拟机进行通信的方式相比，由于减少了解释运行的
环节，因而具有更快的运行与数据更新速度。

专为构建企业级Web服务器而设计的Web Server ，具备高容量的数据吞吐能力和良好的健壮性,其支持多达500的客户端的同时访问。

力控Web Server提供完善的安全管理机制。

只有授权的用户才能修改过程参数。

管理员尽可安心，不必担心非法或未授权的修改。

采用Web Sevice技术，支持SOAP协议，支持IIS服务器发布，“瘦”客户端访问时自动下载的远程WEB 控件，支持数字签名，适合企业信息门户集成；
力控Web Server同时支持智能手机，PDA等智能移动终端通过wap方式浏览现场实时数据。

8结束语
整个系统结构层次分明，良好的扩展性和系统集成性为以后的系统扩展和接入提供了充裕的接口，“无缝”的接入方式非常便于现场人员操作。

整个系统的投运实现了现场层、控制层、管理层的紧密结合，使得全市的供水系统全面进入信息化时代，实现了水资源的可持续利用。

力控平台的易操作、易维护性为政府节省了不必要的开支，经济效益得到显著提高。