基于PLC的供水管网SCADA系统的研究修改3 黄小芹.docx
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基于PLC的供水管网SCADA系统的研究修改3黄小芹
分类号密级
UDC
工程硕士学位论文
基于PLC的供水管网SCADA系统的研究
黄小芹
学科专业控制工程
指导老师李啸骢教授
企业导师高革武高工
论文答辩日期2011年月日学位授予日期2011年月日
答辩委员会主席
论文评阅人
广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明
学位论文原创性声明
本人声明：
所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有。
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年月日
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基于PLC的供水管网SCADA系统的研究
摘要
SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition，监控与数据采集）系统是集计算机技术、通信技术、自动控制技术为一体的现代信息技术，具有遥信、遥测、遥控、遥调功能，它能够有效地提高生产效率。
近年来已被广泛地应用于我国的各个领域，尤其是工业生产领域。
随着城镇人口的增多，传统的水生产管理方法已经无法满足人民生活和工业生产的用水需求，若在供水管网中采用SCADA系统则可以提高供水公司日常生产的管理水平，有效合理地利用水资源，满足城镇用水需求。
目前，我国大多数中小城市的供水公司已经建成了各自的供水监控系统，并取得较好的效果。
本课题以玉林市供水公司为背景，针对该公司的实际情况以及需求，设计并构建了一个基于PLC的供水管网SCADA系统。
该系统由主站系统、现场控制系统和通信系统三部分组成。
主站系统通过远程终端设备RTU以及GPRS网络，能够有效地对供水管网水压进行实时监测，并能够为管理人员进行科学调度水资源提供可靠方案。
现场控制系统则采用德国西门子公司的S7系列PLC来构建，它能够监测该供水公司的整个自来水处理过程，并根据工艺要求对电气设备进行自动化控制。
通讯系统采用因特网、GPRS无线网络、现场控制总线等多种通讯方式实现数据信息的传输。
本论文讨论的设计方案及实施步骤，对玉林市自来水公司以及其他供水公司建立供水管网SCADA系统具有一定的参考价值。
关键词：
供水管网SCADA系统PLC
ReserchofWaterSupplyNetworkSCADASystemBasedonPLC
ABSTRACT
SCADA（SupervisoryControlAndAcquisition）Systemisanewinformationtechnology，whichissupportedbycomputertechnology，communicationtechnologyandautocontroltechnology.Withtheuseoftelecommand,telemetering，telecontrolandteleadjustingtechnology，theSCADASystermcaneffectivelyimprovetheproductionefficiency.Soinrencentyears，SCADASystermhasbeenwidelyappliedinmanyfieldsofourcountry，especiallytheindustialproductionfield.
Alongwiththeincreasingofpopulationinthecity，thetraditionalwatersupplysystemhasfaildtomeetthedemandsofthepeopleandthefactories.IftheSCADASystemisusedinwatersupplynetwork，itcanimprovethemanagementlevelandsatisfythedemandsofwater.
ThispaperistalkingabouthowtobuildaSCADASystemintheyulincitywatersupplycompany.Itcontainsthreeparts，whichisthemasterstationsystem，thePLCcontrolsystemandthecomunicationsystem.Thefirstismasterstationsystem，itcangettheinformationofthewaternetworkthroughRTUandGPRSnetwork，anditalsocanhelpthemanagermakingtherightdecitionsofwatersupply.ThesecondisPLCcontrolsystem，itletthemanagerknowsthewholewaterproductionprocessdirectlyandvividly，anditalsocancontroltheequipmentautomaticallybyPLC.Thelastiscomunicationsystem，itcontainstheInternet，GPRSwirelessnetworkandprofibus，itcanhelpthesystemtotransmitinformation.Thedesignschemeproposeinthisthesishasreferencevalueforyulincitywartersupplycompany.
Keyword：
WarterSupplyNetworkSCADAsystemPLC
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论1
1.1项目的背景及意义1
1.2研究现状与发展趋势2
1.3本文研究的主要内容3
第二章供水管网SCADA系统的设计4
2.1供水管网SCADA系统的设计与开发步骤4
2.1.1供水公司的需求分析5
2.1.2管理信息分析7
2.1.3系统性能分析8
2.1.4系统的开发步骤9
2.2供水管网SCADA系统的架构设计10
2.2.1SCADA系统的构成10
2.2.2SCADA系统的主站系统设计11
2.2.3SCADA系统的现场控制系统设计12
2.2.4SCADA系统的通信系统设计13
2.2.5SCADA系统的远程终端单元系统设计13
2.3本章小结14
第三章供水管网SCADA主站系统的实现15
3.1SCADA主站系统硬件构成及实现15
3.2SCADA系统软件构成及实现17
3.2.1开发工具的选用与介绍17
3.2.2系统软件的构建与实现18
3.2.3系统专业名词解释23
3.2.4系统界面与功能描述23
3.3SCADA系统软件的上层应用28
3.4本章小结30
第四章供水管网SCADA现场控制系统的实现31
4.1软件简介及设备选型31
4.1.1STEP7编程软件简介31
4.1.2“KINGVIEW组态王”软件简介32
4.1.3设备选型32
4.2PLC控制站功能的实现33
4.2.1供水管网PLC控制站系统33
4.2.2取水泵房控制分站的实现41
4.3本章小结51
第五章供水管网SCADA通信系统的实现52
5.1有线通信系统的实现52
5.1.1现场总线技术52
5.1.2过程现场总线PROFIBUS53
5.1.3INTERNET网络技术53
5.2无线通信系统的实现53
5.2.1通信方式的分类及选择54
5.2.2GPRS无线通信方式55
5.3通信协议59
5.3.1过程现场总线Profibus通信协议59
5.3.2TCP/IP协议59
5.4本章小结59
第六章总结及展望60
6.1总结60
6.2展望60
参考文献1
致谢4
攻读学位期间发表的学术论文5
第一章绪论
1.1项目的背景及意义
随着社会经济的迅速发展以及人口的日益增加，目前我国水资源的供需矛盾日益凸显。
据对全国640个城市的调查研究表明，我国每年缺水的城市高达300多个，其中严重缺水的城市达114个，日缺水1600万吨，每年因缺水造成的直接经济损失高达2000亿元。
2002年，我国城市人口约4.8亿，实际人均用水约为96m3，按照人均每年120m3的标准，城市总缺水量为90亿m3。
当前，我国可利用的水资源总量为2800亿m3，人均占有量不足2200m3，是世界人均水平的1/4，是世界上13个最缺水的国家之一，随着经济的快速发展，城市缺水情况更为严重，解决水资源供需问题已经迫在眉睫[1][2]。
近几年，国内许多大中城市的供水公司纷纷投入大量资金建立现代化信息管理系统，例如供水管网SCADA系统，以提高供配水管理水平、缓解水资源的供需矛盾，达到高效合理利用水资源的目的，现已初见成效。
今后，城市供水公司将会继续加大科技投入，利用科学技术改善水资源管理制度，以合理调度水资源，从源头上缓解我国水资源的供需矛盾。
SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）系统，也称为监控与数据采集系统，它是专用于生产过程监控与调度的自动控制系统，它不仅具有监测生产现场各类数据信息及监控生产现场设备的功能，还具有监控供水管网和优化生产调度系统的功能，若将SCADA系统应用于供水管网，则可以高效地解决水资源的供需问题。
基于SCADA的供水管网系统既能够实时监测与分析供配水全过程主要设备的运行情况和运行参数，还能够辅助给水调度人员及时掌握水资源、各净水厂送水量、配水管网特征点的运行状态，并提出调度控制依据或实施参考方案，管理人员可以根据预定配水需求计划方案进行生产调度，可以大幅度提高供配水效率。
鉴于SCADA系统所具有的独特优势，目前，国内大中型城市供水公司已经普遍采用SCADA系统管理供水管网和生产现场。
本人在该项目中主要负责SCADA现场控制系统中的取水泵房控制分站的设计与实施工作，该部分的工作内容包括对该控制站点进行需求分析、制定电气控制方案、配置PLC硬件设备、分配I/O地址、设计电气线路、根据控制要求设计和调试PLC程序、制作控制站点组态软件、现场安装与调试和整理技术文件。
取水泵房控制分站建设完成后，系统在试运行阶段工作稳定可靠，能够满足用户要求。
1.2研究现状与发展趋势[3][4]
上世纪初，许多发达国家将自动化控制技术广泛应用于工业生产领域后，大大加快了本国的工业生产效率，并取得了巨大的经济效益。
面对发达国家取得的巨大成果，我国意识到传统的生产制造方式会阻碍经济的发展，因此80年代初，国内在工业生产领域中引进了国外先进的自动化控制技术，同时开始自主研发该项技术，经过多年的研究与实践，国内的自动化控制技术已日渐成熟，近年来，我国各工业生产领域已经逐步采用国内自主研发的自动化控制系统，并取得了较好的成效。
虽然国内自动化控制技术已经成熟，但由于我国各区域经济发展的不平衡，目前各城镇的供配水和生产自动化水平仍存在较大的差异，有的水厂自动化程度很高，有的水厂自动化程度较低，即便有一部分水厂已经采用自动化控制系统，但是仍存在一些不足之处，具体如下：
（1）资金问题是困扰许多水厂不能一步到位地建设自动化控制系统，只能够逐步建设和完善系统，因此在同一个水厂会存在不同类型和等级的控制系统及控制方式，便造成系统兼容性差、维护难等问题；
（2）过去大部分水厂都采用进口的智能检测仪表，但由于售后服务缺失，存在仪表安装与维护困难的问题，若在使用过程中出现故障，经常无法修复，最终设备闲置，造成水厂的经济损失；
（3）控制系统的监控及通信功能不稳定，导致系统无法真正有效地提高生产效率；
（4）自来水生产工艺较为复杂，容易受到气候、季节、地域等外界因素的影响，例如，要准确地控制投药量，不仅需要合理的控制算法，还需要长期观测该地区的水浊度变化情况，要合理地调度水资源，则应建立有效的供配水管网系统数学模型。
提高供水公司的生产效率，需要建立一套具有良好的开放性、兼容性以及实用性的供水综合自动化控制系统，这是未来的发展趋势。
该综合系统一般包括企业生产过程的SCADA系统、企业现代化管理系统、网络自动抄表收费系统以及供配水管网数学模型系统，其中企业生产过程的SCADA系统是其他系统建立的基础。
近几年，我国在供水管网中采用计算机技术、PLC监控技术、智能化仪表以及通讯技术建立的SCADA系统已经取得较好的成效，它具有较好的稳定性、开放性以及实用性。
尤其是目前在工业控制系统中，广泛采用的模块化设计理念和现场总线控制技术，能够为用户构建具有良好的开放性及兼容性的SCADA系统，彻底解决系统不兼容的问题，最终帮助供水公司实现逐步投入资金以构建和完善SCADA系统的梦想。
1.3本文研究的主要内容
本文研究的主要内容是：
如何根据玉林市供水公司对SCADA系统的要求及投入经费预算，设计和构建一套经济适用的供水管网SCADA系统。
承建方根据该公司的供配水和自来水生产工艺流程要求，提出了一套系统的设计方案，在工程实施过程中，不断地修改和完善该方案，最终为用户成功地构建了一个供水管网SCADA系统。
论文以该工程项目为案例，用六个章节详细描述供水管网SCADA系统的设计与实现，以供其他公司参考，各章节内容如下：
第一章：
绪论
本章主要介绍项目设立的背景、意义以及本人在该项目中所担任的工作，并简单分析了我国目前供水系统存在的问题以及今后的发展趋势；
第二章：
供水管网SCADA系统的设计
本章主要介绍了玉林市供水公司对SCADA系统的要求，并根据需求设计了供水管网SCADA系统的架构，其中包括主站系统、现场控制系统、通信系统、远程终端单元系统的架构设计方案，它为系统的实现构建了一个初步的框架。
第三章：
供水管网SCADA主站系统的实现
本章主要介绍了SCADA主站系统构建的具体方案以及实施步骤，其内容包括主站系统硬件的构成及实现、主站系统软件的设计与实现、系统软件功能简介、系统软件的界面展示与说明等内容。
第四章：
供水管网SCADA现场控制系统的实现
本章主要介绍了现场控制系统中各PLC控制分站的功能以及构建方案等，虽然各分站的控制要求不同，但是其设计与实现方式基本相同，因此本章以取水泵房PLC控制分站为例详细阐述了该分站的实现步骤。
第五章：
供水管网SCADA通信系统的实现
本章主要介绍了SCADA系统中经常采用的各种通信介质、通信方式、通信协议，并针对玉林市供水公司的实际情况，描述了本系统在各层之间所使用的通信系统。
第六章：
总结与展望
本章根据用户试运行该系统后的感受，对本项目进行了简单的总结，其中包括项目实施过程中存在的问题与解决方案、系统性能情况的分析等，并对今后如何优化系统性能提出展望。
第二章供水管网SCADA系统的设计
2.1供水管网SCADA系统的设计与开发步骤[5]-[7]
随着人民生活水平的提高及城市人口的增长，人们对饮用水质量以及供水效率的要求也随之增高，这就迫使供水公司要不断改进生产工艺、扩大供水系统规模、增加供水量以满足用户需求。
尽管长期以来供水公司为保证有效供水，已经研制出一套行之有效的生产规程及管理方法，但是这种传统模式已经难以满足供求关系，如果将现代自动化控制技术引入供水系统中，则可以实现对整个供水系统的监控、预测、管理以及优化调度，保证供水公司能够高效地产水及供配水。
SCADA系统相比其他的现代自动化控制系统，具有明显优势，因此近年来在供水管网中得到广泛采用。
在设计供水管网SCADA系统前，我们首先要了解自来水的生产过程，一般自来水的生产过程见图2.1。
图2.1自来水生产过程框图
Fig.2.1Tapwaterproductionprocessdiagram
从图2.1可知，自来水的生产过程分为取水、净水、输水三个部分，每个过程需完成的任务是：
（1）取水过程：
通过若干台大型离心泵将所需的水量从水源抽取原水，水源可来自地下水或地表水。
（2）净水过程：
该过程在净水厂进行，水厂对送入的原水进行净化处理，以达到用水标准，其过程主要包括药剂配置与投加、混凝、沉淀、过滤。
（3）供配水过程：
包括输水过程和配水过程两部分，输水过程负责将原水输送至净水厂，配水过程负责将净化的水通过供水管网配送至各用水点，为保证有效供水，可根据实际情况在供水管网中增设中途加压站、测压点，见图2.2。
图2.2自来水供配水流程图
Fig.2.2Tapwatersupplyflow
在自来水生产过程中，以净水厂的生产工艺最为复杂，其工艺流程见图2.3。
图2.3净水厂工艺流程框图
Fig.2.3Tapwaterproductionflow
从图2.3可知，净水工艺包括混凝、沉淀、过滤和消毒四个过程，在自来水生产过程中引入SCADA系统，不仅可以提高生产效率，还可以提高自来水水质，达到高效利用水资源的目的[3]。
2.1.1供水公司的需求分析
玉林市供水公司的自来水生产的工艺流程见图2.4。
图2.4玉林市供水公司水生产工艺流程框图
Fig.2.4ThewaterprocessofYulincitywatersupplycompany
玉林市供水公司制水工艺流程见图2.5。
图2.5玉林市供水公司制水工艺流程图
Fig.2.5ThewaterprocessofYulinwatersupplycompany
根据图2.4、图2.5两幅流程图，可将该供水公司的生产工艺流程归纳为五个过程：
取水过程、配置与投加药剂过程、混凝沉淀过程、过滤过程及送水过程。
设计供水管网的SCADA系统时，可按照这五个模块设计生产现场数据采集与控制部分的功能：
（1）取水过程：
该过程是通过取水泵抽取苏烟水库的原水，送至配水井，在这个过程中，系统需要监测原水流量、出厂水水位、机组电量、机组温度，并根据中心调度室的指令监控四台低压取水泵、四台高压取水泵、两台排水泵的启停及变频运转；
（2）配置与投加药剂过程：
负责按照工艺要求配置适量的矾和氯，并投入矾和氯以达到混凝和消毒的目的，在该过程中，系统需要监测原水浊度、加氯量、余氯，并需要监控静态管式混合器和加氯机。
（3）混凝沉淀过程：
负责监控混合、絮凝、沉淀过程，在该过程中，需要监测水流量、温度、浊度，需要监控反冲洗流程。
（4）过滤过程：
通过石英砂去除水中的悬浮杂质，澄清水，并按工艺要求定时反冲洗石英砂，在该过程中，需要监控每个滤池鼓风机的电流及工作时间、冲洗泵的的电流及工作时间。
（5）送水过程：
负责将自来水以一定的压力和流量送入供水管网，并监控供水管网水压，该过程需要监测清水池水位、浊度、余氯、水压、流量、电机温度、机组电量、供水管网水压，并监控六台送水泵的启停及变频运转。
设计时应先确定上述过程中的现场采集数据信息以及控制信号，哪些是模拟量哪些是数字量，以及采用何种控制方式等。
接着再分析和汇总供水公司各职能部门所需要的数据信息、报警界限以及控制权限，确保各职能部门能够及时获取所需数据信息并具有对应的系统监控权限，如出现问题，系统能够及时报警。
例如中心调度室需要根据供水管网水压和流量信息来完成日常的自来水生产调度工作，SCADA系统则应定时为该部门提供供水管网水压和流量的数据信息；中心控制室需要监控整个制水过程以确保水质和水量，SCADA系统则应为该部门提供整个净水流程中所需实时数据信息（如水浊度、余氯、水位等），并赋予其制水流程系统的控制权限。
总之，本系统应该包含实时数据采集功能、监控现场设备生产情况功能、历史数据存储及处理功能、报警功能、生产调度功能，以确保供水系统的正常运行，进而优化调度系统以提高生产效率。
2.1.2管理信息分析
根据该供水公司的系统需求分析，本供水管网SCADA管理信息系统应具备以下功能：
（1）数据采集功能
系统根据公司调度中心的调度生产要求，需要采集以下的数据信息：
供水管网各测压点的水压、电源供电情况、耗电量、进/出厂水量、PH值、余氯、原水浊度、出厂水浊度、各控制阀和泵机的运行参数等。
（2）数据传送功能
将现场采集到的数据实时地传送到生产调度中心服务器，即主站系统服务器。
（3）数据显示以及分析功能
主站系统将获得的各种信息和数据，通过分析、加工，以图表、动画等形象的方式显示出来，以便于管理人员直观地了解生产情况。
（4）历史数据的存储、查询、分析及检索功能
根据公司各部门的信息检索、查询以及分析历史数据的要求，系统应能够实现历史数据存储、查询、分析及检索功能。
（5）报表显示以及打印功能
系统自动生成各类生产情况的日、月和年报表，并能够随时打印。
（6）遥控功能
系统根据公司生产调度需求，允许操作人员在调度中心遥控有关水泵的启/停。
（7）报警功能
如果管网水压出现异常（不足或超限），或者水泵出现运行异常（电压、电流不足或过载），系统及时报警。
（8）网络功能
将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。
2.1.3系统性能分析
本系统在设计及建设当中，应满足以下原则：
（1）可靠性原则
可靠性原则指系统应具有强大的容错能力以及处理突发事件的能力，即发生突发事件时，不会导致数据丢失或者系统瘫痪，同时还要保证系统数据库中的所有数据应准确可靠，这个原则是本系统最核心的原则。
（2）实用性原则
实用性原则指系统应尽可能地满足供配水业务需求且灵活实用，该原则体现在能够便于系统管理、用户应用、数据更新以及系统升级等方面，同时还体现在具有完善的数据库、系统优化的系统结构以及灵活简便的用户界面上，该原则是系统设计的基本出发点和最高要求。
（3）经济性原则
经济性原则指在保证各项功能完满实现的基础上，以最好的性价比来配置系统的软件和硬件，甲乙双方共同合作，在较短时间内完成系统的建立，使系统尽快发挥经济效益与社会效益。
（4）科学性原则
科学性原则指系统应采用“供配水管网系统数学模型”仿真和优化供水管网，因此在设计与开发系统时，应以“软件工程”的思想及方
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