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石泉先生，中国市政工程华北设计研究院高级工程师。
关键词：SCADA系统 工业以太网 分散控制 供水工程
供水工程自动控制系统采用以计算机为核心的监控和数据采集(SCADA)系统，采用工业以太网作为主要通信平台。操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对管道的监控和运行管理。各站场达到有人值守、无人操作的管理水平；自动控制系统连续监测和控制管道运行，保证安全；各工艺站场站控系统(SCS)和管网监控点(RTU)与调度中心间通信采用一主一备的通信通道；调度控制中心和后备控制中心采用光纤网作通信通道；调度控制中心与沿线各站场SCS间采用光纤进行通信。采用的设备、控制系统及材料是在工业应用中的成熟产品。
一 系统网络结构
为确保供水系统安全、平稳、可靠和高效运行，采用SCADA技术对供水管网及配套设施的工艺参数和设备运行情况进行监视和控制；同时SCADA系统与管理信息系统(MIS)和地理信息系统(GIS)相结合，这是整个供水系统中的重要部分。
城市供水系统SCS由RTU进行站场的监视和控制，并将站场、管线的关键运行参数以SCADA系统特有的数据规程，通过光纤通信数传通道送至调度控制中心，并接受调度控制中心的操作指令，完成关键设备的远程控制。要保证系统提供详尽、可靠的实时信息，及时发现隐患，突发事故维修现场的指挥调度反应迅速，保持整个供水系统业务联系随时畅通，就必须保证通信系统的绝对可靠。通信系统的设计原则是：技术先进，经济实用，系统建设有前瞻性，系统资源有增值性。根据设计要求，选用双冗余自愈环主干网，到各节点可采用“直线”或“小环网”接入方式。这样，当其中某一段光纤出现通信故障，如因管道检修维护造成光缆损伤，就不会影响正常语音数据通信。供水系统通信网络结构如图1。
光纤采用单模，适用于SDH技术，可以2.5Gb/s(STM16)，传输1550nm光信号。通过光端机分离出若干个标准E1(G.703)接口，组成PABX网。配合可提供E1标准接口的路由器接入LAN(TCP/IP 10/100M)网。对于无人值守的站点，无需语音通信，也可选用光纤直接转换到以太网的设备。
二 控制系统的配置组成
如图2，供水工程SCADA系统设有一个控制调度中心、一个后备调度中心、3个SCS、27个管网监控点控制系统，最远两个站间距离超过300km。控制调度中心和后备调度中心互为备份，协同工作，共同完成对各SCS、RTU进行不间断监控。
各SCS和RTU作为SCADA系统的远方控制单元，是系统正常运行的基础，也是系统中重要的监控级。SCS和RTU不但能独立完成对所在工艺站场的数据采集和控制，而且能将有关信息传送给调度控制中心并接受其下达的命令。SCS主要由计算机网络系统、PLC、操作员工作站及进行数据传输的通信设备组成。RTU是一种独立小型智能控制设备，具有编程组态灵活、功能齐全、通信能力强、维护方便、自诊断能力强，可适应恶劣的环境条件、可靠性高等特点。各个站场SCS或RTU将完成对本工艺站场的监控及联锁保护等任务，并接受和执行调度控制中心下达的命令。
本系统实现以下操作模式：整个系统的调度控制中心集中监视和控制；站场的SCS自动/手动控制；站场单体设备(如压缩机组)的自动/手动控制、站场子系统的自动/手动控制；就地手动操作控制。
正常情况下，由调度控制中心对全网进行监视和控制。当调度控制中心发生故障时，由后备控制中心接管其任务。经调度控制中心授权后，才允许操作人员通过SCS或RTU对各站进行授权范围内的工作。当数据通信系统发生故障或系统检修时，由SCS或RTU自动完成对本站的监视控制。当进行设备检修或紧急停车时，可采用就地手动控制。
为保证SCADA系统各站点之间数据交换的实时性，本系统数据更新采用多种方式进行，如周期扫描、例外扫描、查询、例外报告、报警等。调度控制中心的实时服务器对各SCS采用点对点的通信方式，而对RTU则采用主动上报方式。正常情况，系统采用周期扫描，SCADA系统管网全线扫描一次的数据更新时间不超过15s。系统中有突发事件或特殊请求发生时(如发布操作命令、对某一局部重点监控、发生报警等)，系统将中断周期扫描，采用其他扫描方式工作，优先保证重要数据/命令的传输，确保系统实时性。
(1)主调度控制中心
主如图3，调度控制中心SCADA计算机系统采用双网冗余、分布式、客户/服务器结构。系统由SCADA实时数据服务器、历史数据服务器、SCADA Web服务器、分析服务器、操作员工作站、工程师工作站、管线模拟工作站、背影系统、投影仪、冗余磁盘阵列、磁带机、打印机、交换机、网络通信设备和GPS时钟设备等组成。为提高系统可靠性，SCADA实时数据服务器、历史数据服务器和局域网采用热备冗余配置。主调度控制中心通过骨干光纤环网与各个SCS、RTU通信。
(2)备用调度控制中心
当主调度控制中心不能对管网实施监控时，后备调度控制中心将自动接管系统监控权。主调度控制中心与后备调度控制中心通过骨干光纤环网进行数据实时传输，后备调度控制中心随时监视和跟踪主调度控制中心的运行状态，保证数据同步，为系统数据提供异地备份。备用调度控制中心的结构和设备组成与主调度控制中心相同。
使用开放性工业以太网组网，工业以太网符合IEEE802.3，可从网络中任何点进行设备启动和故障检查，具有冗余网络拓扑结构。服务器通过配置以太网卡即可实现与PLC的通信连接，系统遵循TCP/IP通信协议。
(3)站控系统
SCS是抽水泵站的控制系统，包括PS1、PS2、PS3；该系统主要由RTU/PLC、站控计算机、通信设施及相应的外部设备组成。SCS具有独立运行的能力，当SCADA系统某一环节出现故障或SCS与调度控制中心的通信中断时，不影响其数据采集和控制功能。利用工业以太网组网，系统结构如图4。
(4)管网监控点
如图5，本工程管网监控点包括：压力稳定装置——PI站、提升池站、27个管网沿线城市分输站、3个断压池。这些管网监控点的PLC和工作站计算机之间的通信用局域网实现，使用标准TCP/IP协议使PLC和计算机通过网络共享资源。
以上监控站通常分布在城网管线上，如果有必要还可采用适用于恶劣环境的户外型PLC。PLC系统设计采用集中式原则，通过I/O口采集或控制相应的信号量。通过以太网通信模块，由以太网转光纤接口设备连接到主干光纤网，为方便操作，也可通过适配器完成便携式PC对PLC的操作。
随着工业控制技术和IT技术的不断发展，国际上先进自动化控制理念和技术在水行业越来越受到广泛的推崇，以工业以太网构成的集散监控系统已成为水行业自动化的主流。通过标准开放的TCP/IP协议、100Mb/s快速以太网，将各种控制设备无缝连接起来，实现数据的高速传输和实时控制，对水行业来说是安全、可靠和经济适用的。
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关键词：SCADA系统 工业以太网 分散控制 供水工程
供水工程自动控制系统采用以计算机为核心的监控和数据采集(SCADA)系统，采用工业以太网作为主要通信平台。操作人员在调度控制中心通过SCADA系统可完成对管道的监控和运行管理。各站场达到有人值守、无人操作的管理水平；自动控制系统连续监测和控制管道运行，保证安全；各工艺站场站控系统(SCS)和管网监控点(RTU)与调度中心间通信采用一主一备的通信通道；调度控制中心和后备控制中心采用光纤网作通信通道；调度控制中心与沿线各站场SCS间采用光纤进行通信。采用的设备、控制系统及材料是在工业应用中的成熟产品。
一 系统网络结构
为确保供水系统安全、平稳、可靠和高效运行，采用SCADA技术对供水管网及配套设施的工艺参数和设备运行情况进行监视和控制；同时SCADA系统与管理信息系统(MIS)和地理信息系统(GIS)相结合，这是整个供水系统中的重要部分。
城市供水系统SCS由RTU进行站场的监视和控制，并将站场、管线的关键运行参数以SCADA系统特有的数据规程，通过光纤通信数传通道送至调度控制中心，并接受调度控制中心的操作指令，完成关键设备的远程控制。要保证系统提供详尽、可靠的实时信息，及时发现隐患，突发事故维修现场的指挥调度反应迅速，保持整个供水系统业务联系随时畅通，就必须保证通信系统的绝对可靠。通信系统的设计原则是：技术先进，经济实用，系统建设有前瞻性，系统资源有增值性。根据设计要求，选用双冗余自愈环主干网，到各节点可采用“直线”或“小环网”接入方式。这样，当其中某一段光纤出现通信故障，如因管道检修维护造成光缆损伤，就不会影响正常语音数据通信。供水系统通信网络结构如图1。
光纤采用单模，适用于SDH技术，可以2.5Gb/s(STM16)，传输1550nm光信号。通过光端机分离出若干个标准E1(G.703)接口，组成PABX网。配合可提供E1标准接口的路由器接入LAN(TCP/IP 10/100M)网。对于无人值守的站点，无需语音通信，也可选用光纤直接转换到以太网的设备。
二 控制系统的配置组成
如图2，供水工程SCADA系统设有一个控制调度中心、一个后备调度中心、3个SCS、27个管网监控点控制系统，最远两个站间距离超过300km。控制调度中心和后备调度中心互为备份，协同工作，共同完成对各SCS、RTU进行不间断监控。
各SCS和RTU作为SCADA系统的远方控制单元，是系统正常运行的基础，也是系统中重要的监控级。SCS和RTU不但能独立完成对所在工艺站场的数据采集和控制，而且能将有关信息传送给调度控制中心并接受其下达的命令。SCS主要由计算机网络系统、PLC、操作员工作站及进行数据传输的通信设备组成。RTU是一种独立小型智能控制设备，具有编程组态灵活、功能齐全、通信能力强、维护方便、自诊断能力强，可适应恶劣的环境条件、可靠性高等特点。各个站场SCS或RTU将完成对本工艺站场的监控及联锁保护等任务，并接受和执行调度控制中心下达的命令。
本系统实现以下操作模式：整个系统的调度控制中心集中监视和控制；站场的SCS自动/手动控制；站场单体设备(如压缩机组)的自动/手动控制、站场子系统的自动/手动控制；就地手动操作控制。
正常情况下，由调度控制中心对全网进行监视和控制。当调度控制中心发生故障时，由后备控制中心接管其任务。经调度控制中心授权后，才允许操作人员通过SCS或RTU对各站进行授权范围内的工作。当数据通信系统发生故障或系统检修时，由SCS或RTU自动完成对本站的监视控制。当进行设备检修或紧急停车时，可采用就地手动控制。
为保证SCADA系统各站点之间数据交换的实时性，本系统数据更新采用多种方式进行，如周期扫描、例外扫描、查询、例外报告、报警等。调度控制中心的实时服务器对各SCS采用点对点的通信方式，而对RTU则采用主动上报方式。正常情况，系统采用周期扫描，SCADA系统管网全线扫描一次的数据更新时间不超过15s。系统中有突发事件或特殊请求发生时(如发布操作命令、对某一局部重点监控、发生报警等)，系统将中断周期扫描，采用其他扫描方式工作，优先保证重要数据/命令的传输，确保系统实时性。
(1)主调度控制中心
主如图3，调度控制中心SCADA计算机系统采用双网冗余、分布式、客户/服务器结构。系统由SCADA实时数据服务器、历史数据服务器、SCADA Web服务器、分析服务器、操作员工作站、工程师工作站、管线模拟工作站、背影系统、投影仪、冗余磁盘阵列、磁带机、打印机、交换机、网络通信设备和GPS时钟设备等组成。为提高系统可靠性，SCADA实时数据服务器、历史数据服务器和局域网采用热备冗余配置。主调度控制中心通过骨干光纤环网与各个SCS、RTU通信。
(2)备用调度控制中心
当主调度控制中心不能对管网实施监控时，后备调度控制中心将自动接管系统监控权。主调度控制中心与后备调度控制中心通过骨干光纤环网进行数据实时传输，后备调度控制中心随时监视和跟踪主调度控制中心的运行状态，保证数据同步，为系统数据提供异地备份。备用调度控制中心的结构和设备组成与主调度控制中心相同。
使用开放性工业以太网组网，工业以太网符合IEEE802.3，可从网络中任何点进行设备启动和故障检查，具有冗余网络拓扑结构。服务器通过配置以太网卡即可实现与PLC的通信连接，系统遵循TCP/IP通信协议。
(3)站控系统
SCS是抽水泵站的控制系统，包括PS1、PS2、PS3；该系统主要由RTU/PLC、站控计算机、通信设施及相应的外部设备组成。SCS具有独立运行的能力，当SCADA系统某一环节出现故障或SCS与调度控制中心的通信中断时，不影响其数据采集和控制功能。利用工业以太网组网，系统结构如图4。
(4)管网监控点
如图5，本工程管网监控点包括：压力稳定装置——PI站、提升池站、27个管网沿线城市分输站、3个断压池。这些管网监控点的PLC和工作站计算机之间的通信用局域网实现，使用标准TCP/IP协议使PLC和计算机通过网络共享资源。
以上监控站通常分布在城网管线上，如果有必要还可采用适用于恶劣环境的户外型PLC。PLC系统设计采用集中式原则，通过I/O口采集或控制相应的信号量。通过以太网通信模块，由以太网转光纤接口设备连接到主干光纤网，为方便操作，也可通过适配器完成便携式PC对PLC的操作。
随着工业控制技术和IT技术的不断发展，国际上先进自动化控制理念和技术在水行业越来越受到广泛的推崇，以工业以太网构成的集散监控系统已成为水行业自动化的主流。通过标准开放的TCP/IP协议、100Mb/s快速以太网，将各种控制设备无缝连接起来，实现数据的高速传输和实时控制，对水行业来说是安全、可靠和经济适用的。