一、引言

      隨著我國(guó)城市建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、對(duì)外開放程度的加快、人民生活水平和城市化水平的提高，大中型城市對(duì)水資源的需求越來(lái)越高。為滿足城市日益增長(zhǎng)的供水需求，供水泵站的規(guī)模不斷增大，各個(gè)城市陸續(xù)建成了大型供水泵站，城市對(duì)泵站的安全運(yùn)行、節(jié)約能源的要求也不斷提高。在這種背景下，大型供水泵站中的SCADA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與處理、主輔機(jī)設(shè)備的控制與調(diào)節(jié)、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)視、故障預(yù)警、與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交互都發(fā)揮著重要的支撐作用，有效的保證泵站運(yùn)行的安全可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

二、系統(tǒng)需求

1.確保供水安全可靠

      大型供水泵站一般日供水量可達(dá)數(shù)百萬(wàn)立方米，它好比是城市供水系統(tǒng)的心臟。如果大型供水泵站出現(xiàn)故障，會(huì)直接影響到城市的工業(yè)與生活用水，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致供水的癱瘓，因此，“安全供水”是大型供水泵站的首要任務(wù)。

      為確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要SCADA系統(tǒng)在采集設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)器故障時(shí)能及時(shí)采取行而有效的冗余措施；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷或過(guò)慢時(shí)能采取適當(dāng)?shù)木彺媸侄?，保證數(shù)據(jù)連續(xù)完整。另外，還需要一種直觀的監(jiān)視方式，以便泵站工作人員及時(shí)了解采集、傳輸、鏈路的狀態(tài)。

2.發(fā)揮高性能特點(diǎn)，使供水更加穩(wěn)定

      在實(shí)現(xiàn)了“安全供水”之后，大型供水泵站會(huì)進(jìn)一步對(duì)供水的穩(wěn)定性提出要求，目標(biāo)是確保供水平衡，防止供水時(shí)大時(shí)小，也可避免對(duì)水泵機(jī)組的損壞。

      由于泵站工作人員會(huì)在SCADA系統(tǒng)上了解當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、分析歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合集控中心調(diào)度預(yù)案對(duì)控制工藝及參數(shù)做出調(diào)整，因此，若沒有高效的數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)檢索、與集控中心交互的性能，將會(huì)造成泵站工作人員狀態(tài)判斷的遲緩、分析的誤差、調(diào)節(jié)的不合理，最終導(dǎo)致供水的不穩(wěn)定。

      所以，基于供水穩(wěn)定的需求，SCADA系統(tǒng)應(yīng)該具備快速高效的性能。

3.交互的數(shù)據(jù)橋梁

      供水調(diào)度一體化是將來(lái)城市供水的必然趨勢(shì)。將來(lái)會(huì)陸續(xù)在水系或城市建立統(tǒng)一的調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)各水系的供水調(diào)度。而大型泵站SCADA系統(tǒng)一方面將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給調(diào)度中心，另一方面具體執(zhí)行調(diào)度中心觸發(fā)的預(yù)案。由于其承上啟下的特點(diǎn)，因此會(huì)對(duì)城市供水統(tǒng)一調(diào)度有重要作用。

-對(duì)主泵機(jī)組LCU及輔助設(shè)備進(jìn)行快速采集,保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。

-對(duì)采集鏈路、通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，使工作人員可隨時(shí)了解通訊及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

-實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的冗余功能，實(shí)現(xiàn)快速的切換，在網(wǎng)絡(luò)中斷、網(wǎng)速過(guò)慢時(shí)將數(shù)據(jù)緩存，待恢復(fù)后實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)傳，確保數(shù)據(jù)完整性。

-利用多樣的圖形展示手段，進(jìn)行實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的展示，達(dá)到直觀、清晰的效果。

-對(duì)于設(shè)備的操作分配不同的控制優(yōu)先級(jí)別，操作人員的操作需通過(guò)權(quán)限驗(yàn)證，以保證系統(tǒng)的安全性。

-進(jìn)行多樣報(bào)警及預(yù)警檢測(cè)，并將報(bào)警通過(guò)聲光、語(yǔ)音、短信、Email的方式輸出，實(shí)現(xiàn)直觀的事故追憶。

-對(duì)大量的高密度的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行高性能的壓縮存儲(chǔ)，以這些數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)的計(jì)算分析。

-與調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，向上提供可靠的數(shù)據(jù)，向下執(zhí)行調(diào)度中心的預(yù)案指令。

-提供多種開放性接口，便于其它第三方系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)分析。

-在Internet網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)中將實(shí)時(shí)、歷史、報(bào)警等數(shù)據(jù)以集成的方式進(jìn)行發(fā)布，使用戶可在IE中實(shí)現(xiàn)瀏覽。

四、系統(tǒng)方案

1.系統(tǒng)配置

圖1  系統(tǒng)配置圖

2.應(yīng)用軟件部署 

                 
圖2  軟件部署結(jié)構(gòu)

-I/O 數(shù)據(jù)采集軟件（I/O Server3.0）：快速采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與SCADA軟件、上層集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

-SCADA軟件（KingSCADA 3.0）：以圖形、動(dòng)畫、報(bào)表、趨勢(shì)等手段展現(xiàn)泵站的工藝流程、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，完成操作員在上位機(jī)上的的控制。

-工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)（KingHistorian 3.0）：存儲(chǔ)大量的過(guò)程數(shù)據(jù)，在采集、存儲(chǔ)、檢索方面具有強(qiáng)大的性能，它是深層分析與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

-客戶端軟件（KingSCADA Client）：基于C/S架構(gòu)，是KingSCADA3.0的客戶端軟件。為操作員提供日常操作所需的操作平臺(tái)，也可滿足分布式的要求。

-展示平臺(tái)（KingGraphic）：是大量歷史數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的分析展示平臺(tái)，管理人員可通過(guò)趨勢(shì)、報(bào)表、歷史回放等手段了解泵站過(guò)去的狀況、分析未來(lái)的趨勢(shì)。

-計(jì)算平臺(tái)(KingCalculation)：針對(duì)大型供水泵站運(yùn)行特點(diǎn)，采用多種專業(yè)算法，在大量過(guò)程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算。

-報(bào)警與事件檢測(cè)平臺(tái)(KingA&E)：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)，采用多種檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的報(bào)警事件檢測(cè)，在事故發(fā)生前及時(shí)預(yù)警，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

-門戶軟件(KingProtal)：將多種數(shù)據(jù)集成后以門戶的形式向廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行發(fā)布，用戶可從網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)瀏覽。

3.方案特點(diǎn)

雙機(jī)雙網(wǎng)冗余

      為確保泵站的安全運(yùn)行，SCADA系統(tǒng)采用雙機(jī)雙網(wǎng)冗余配置，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的冗余，在恢復(fù)后，故障期間的歷史、報(bào)警數(shù)據(jù)可自動(dòng)同步，充分保證數(shù)據(jù)的完整性。并支持增加專門的冗余狀態(tài)探測(cè)通道，通過(guò)配置專用網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)快速的切換，并可以做到1S內(nèi)的切換。最大程度的保證泵站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

數(shù)據(jù)緩存和斷點(diǎn)續(xù)傳

      泵站的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷或網(wǎng)速過(guò)慢的情況并不多，但是一旦出現(xiàn)必將因數(shù)據(jù)丟失而造成分析的誤差、決策的不準(zhǔn)確。因此，為了實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)也不丟失數(shù)據(jù)的要求，系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)緩存的功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)，系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)緩存在本地磁盤，待恢復(fù)后，再自動(dòng)將緩存的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如此一來(lái)，可最大程度的確保數(shù)據(jù)的萬(wàn)無(wú)一失。

在線監(jiān)視

      當(dāng)泵站監(jiān)控系統(tǒng)與控制設(shè)備通訊失敗的時(shí)候，操作人員一般通過(guò)觀察界面數(shù)據(jù)刷新情況來(lái)做出判斷。但是從找準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)到判斷出異常通常都需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，如果界面制作不夠直觀，那么時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。為了解決該問題，I/O Server 3.0為用戶提供了在線監(jiān)視工具，監(jiān)視的內(nèi)容包括I/O Server的性能，鏈路、設(shè)備、數(shù)據(jù)塊的采集信息、當(dāng)前狀態(tài)、失敗記錄等，為及時(shí)排除故障爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。

圖3 在線監(jiān)視工具

直觀的展示效果

      SCADA系統(tǒng)通過(guò)圖形展示功能使操作人員了解當(dāng)前狀況，這雖然是SCADA系統(tǒng)的基本功能，但是圖形展示的逼真與否將關(guān)系到操作人員作出判斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，是對(duì)SCADA系統(tǒng)展示手段多樣性的一個(gè)考驗(yàn)。KingSCADA3.0提供了40多種動(dòng)畫鏈接，如：飛入飛出效果、鼠標(biāo)狀態(tài)特效等，圖形采用GDI+技術(shù)，支持過(guò)渡色、透明色。其逼真的視覺效果，幫助操作人員快速準(zhǔn)確作出判斷。

圖4 圖形效果

強(qiáng)大的報(bào)警與追憶

      大型泵站發(fā)生事故后若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除將會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，這對(duì)SCADA系統(tǒng)的報(bào)警及追憶功能要求很高。報(bào)警事件檢測(cè)平臺(tái)KingA&E 通過(guò)復(fù)雜的檢測(cè)判斷，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)，不但對(duì)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行分析，還可預(yù)測(cè)出未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)是否有故障的趨勢(shì)，真正實(shí)現(xiàn)見微知著的作用。系統(tǒng)在檢測(cè)到異常后可通過(guò)聲光、語(yǔ)音、短信、Email等多種方式發(fā)出報(bào)警。對(duì)于已發(fā)生的事故，KingGraphic的回放控件可實(shí)現(xiàn)歷史重演，使追憶更為直觀。

圖5 歷史回放

與集控中心的交互

      大型供水泵站一般都會(huì)有與集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的需要，統(tǒng)一協(xié)調(diào)也是未來(lái)城市供水的發(fā)展方向。從數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖?、安全、可靠角度考慮，泵站與集控中心間的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)采用系統(tǒng)內(nèi)部的傳輸接口，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部的傳輸接口解析簡(jiǎn)單，無(wú)需反復(fù)的請(qǐng)求、回復(fù)，也不會(huì)添加繁瑣包頭包尾，從而實(shí)現(xiàn)快速可靠的數(shù)據(jù)交互。

高性能的歷史存儲(chǔ)

      工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)承擔(dān)著存儲(chǔ)、管理大量的、高密度的過(guò)程數(shù)據(jù)的工作，當(dāng)需要時(shí)它還需快速的將某時(shí)間段內(nèi)的過(guò)程數(shù)據(jù)提供出來(lái)。因此工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的性能直接關(guān)系到分析、統(tǒng)計(jì)的效果。

主要的性能指標(biāo)：

-工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)可以在線連續(xù)存儲(chǔ)，并達(dá)到15萬(wàn)條記錄/秒的存儲(chǔ)速度。工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)單臺(tái)服務(wù)器可以支持100萬(wàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

-工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)單客戶端單點(diǎn)查詢速度20萬(wàn)條記錄/秒。工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)256個(gè) 客戶端并發(fā)查詢，每秒可達(dá)2萬(wàn)條記錄。工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)穩(wěn)定支持256客戶端并發(fā)查詢。

-工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)支持毫秒級(jí)數(shù)據(jù)分辨率。

-工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)支持三種以上的存儲(chǔ)壓縮方式，壓縮方式和壓縮參數(shù)可供用戶配置，數(shù)據(jù)壓縮可壓縮掉25%-95%的數(shù)據(jù)。工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)支持按日、周、月進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔。

豐富的開放性接口

-系統(tǒng)中的工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)深層分析的數(shù)據(jù)支撐，而深層分析經(jīng)常是由不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這就要求工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)具有豐富的開放性接口。

-KingHistorian3.0支持API for VC ++/VB/.NET、OLEDB、ODBC、COM等數(shù)據(jù)接口，支持SQL語(yǔ)句查詢。此外還可與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)互訪。如SQL Server、Oracle、Excel、Access等。

圖6KingHistorian 3.0的開放接口

五、典型案例

-上海青草沙五號(hào)溝泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)