一、數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集與控制內(nèi)容
主要監(jiān)測控制設(shè)備有：水庫水位監(jiān)測；城鎮(zhèn)管網(wǎng)壓力監(jiān)測；清水池水質(zhì)監(jiān)測、水位監(jiān)測；
1.1．系統(tǒng)概述
本工程自控系統(tǒng)方案是根據(jù)工藝流程及工藝特點(diǎn)而制定的。從工程的實(shí)際情況及工藝要求出發(fā)，本設(shè)計(jì)采用目前國內(nèi)外******并成熟的集散型控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中央控制室微機(jī)和現(xiàn)場終端二級組成。它集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)以及顯示技術(shù)于一體，通過通訊網(wǎng)絡(luò)將中央級監(jiān)控站和若干現(xiàn)場子站連接起來，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測管理和分散控制。
1.2系統(tǒng)組成
本項(xiàng)目采用以監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、可編程序控制器PLC和微波通訊總線構(gòu)成的冗余計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由、顯示、打印，并根據(jù)工藝要求對全廠設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)中央控制級和現(xiàn)場控制級兩大部分組成。中央控制級主要負(fù)責(zé)完成對各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析處理、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制。現(xiàn)場控制級主要負(fù)責(zé)完成各種現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集及中控室控制信號的接收并可完成區(qū)域設(shè)備的編程控制。
在水廠綜合樓中央控制室內(nèi)設(shè)置監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)和打印機(jī)。它主要完成對水廠各工藝流程段的集中操作、監(jiān)視和控制功能。通過簡單的操作，可進(jìn)行系統(tǒng)功能組態(tài)、監(jiān)視報(bào)警、控制參數(shù)在線修改和調(diào)整，同各子站終端機(jī)（PLC）進(jìn)行傳輸、通訊，收集各子站終端機(jī)（PLC）送來的監(jiān)測信息、運(yùn)行狀態(tài)和水質(zhì)參數(shù)。并進(jìn)行匯總、運(yùn)算、處理、報(bào)警、故障分析**終完成對現(xiàn)場設(shè)備的優(yōu)化控制。彩色LCD可直觀地顯示全廠工藝流程和全廠各工段的實(shí)況及各工藝參數(shù)趨勢畫面，使操作人員及時(shí)掌握全廠的運(yùn)行情況，并通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)向各現(xiàn)場子站終端機(jī)發(fā)布指令，協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)正常工作，******水廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。打印機(jī)可定時(shí)打印班報(bào)、日報(bào)、月報(bào)、年報(bào)和實(shí)時(shí)發(fā)生的報(bào)警信號。
1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以可編程控制器(PLC)作為現(xiàn)場控制中心，連接現(xiàn)場各控制對象；以WebAccess作為主監(jiān)控界面，監(jiān)視各設(shè)備的運(yùn)行情況，WEB發(fā)布實(shí)現(xiàn)資源共享。
根據(jù)工藝特點(diǎn)，構(gòu)筑物的布置和現(xiàn)場控制的分布情況，水廠A、B各設(shè)置一個(gè)PLC現(xiàn)場子站，采集和監(jiān)控水庫現(xiàn)場的水位、水質(zhì)、流量等參數(shù)控制壩頂取水口設(shè)備；負(fù)責(zé)全部設(shè)備的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集。中央控制系統(tǒng)通過10/100Mbit/s以太網(wǎng)通訊，與現(xiàn)場控制站連接。根據(jù)現(xiàn)場需要，水廠A的監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)，水廠B因?yàn)橹醒肟刂剖液蚉LC站相距8公里，故采用無線網(wǎng)絡(luò)。
控制級設(shè)二個(gè)現(xiàn)場子站，現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行及狀態(tài)信號通過I/O模塊采集，全部儀表的4~20mA信號就近引至相應(yīng)的PLC和遠(yuǎn)傳IO站，PLC為模塊化結(jié)構(gòu)，硬件配置較靈活，軟件編程方便。
系統(tǒng)主要有如下幾個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集、凈化設(shè)備監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
二、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
2.1 主控單元: 西門子S7—300PLC
根據(jù)水閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用西門子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。采用S7－300系列的CPU314作為主控單元，采用CP343-1以太網(wǎng)通訊模塊組成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展I／O模塊等構(gòu)成數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖2所示
SIMATIC S7-300可編程序控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種模塊之間可進(jìn)行廣泛組合用于擴(kuò)展，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。因此，采用它們無論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。軟件編程利用STEP7指令的強(qiáng)大功能，能夠滿足我們的各種需求。根據(jù)系統(tǒng)要求PLC主要使用模塊如下：
① DI模塊用于各設(shè)備的數(shù)字量采集，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
② AI模塊通過壓力、濁度、余氯等監(jiān)測儀輸入4－20mA標(biāo)準(zhǔn)信號監(jiān)測管網(wǎng)的壓力，濁度和余氯。
③ AI模塊通過智能水位儀輸入4－20mA標(biāo)準(zhǔn)信號測量渠道水位，清水池液位。
④ SM322模塊用于繼電器輸出，用來控制系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行。
通過PLC程序的運(yùn)行，可以完成對現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集和控制功能。
具體功能如下:
① 凈化系統(tǒng)及輔助清水池的設(shè)備、液位控制，并對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)視。
② 智能水位儀的控制，并接收處理當(dāng)前水位信號。
③ 管網(wǎng)在線檢測監(jiān)控。
④ 手動(dòng)與自動(dòng)的切換及操作。
⑤ 故障保護(hù)功能，******設(shè)備運(yùn)行的安全性。
2.2 智能水位計(jì)
在本系統(tǒng)中水位的測量至關(guān)重要，是整個(gè)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，是各種動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，得以順利完成的基礎(chǔ)。為此系統(tǒng)在選用傳感器時(shí)，做了充分的比較，**后選用：麥克傳感器公司的MPM460(MPM460W/MDM460)型多功能智能壓力(液位/差壓)變送控制器
上下游水位是一個(gè)十分重要的參數(shù)，水位測量的******與否,直接關(guān)系到閘門的控制效果。在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于淤泥和風(fēng)浪等因素的影響,常常使傳感器堵塞或誤計(jì)數(shù)而產(chǎn)生較大誤差。MPM460型智能液位傳感器是壓力型傳感器,基本上不受風(fēng)浪影響，考慮到河道淤泥,采用非零位安裝法,把液位傳感器安置在淤泥面以上,在計(jì)算時(shí)把測量值加上河床到傳感器的垂直距離,從而得出實(shí)際液位值，更好地避免淤泥對液位產(chǎn)生的影響,使測量值達(dá)到很高度。的精
產(chǎn)品特點(diǎn)
·RS485半雙工通訊接口，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信號傳輸和遠(yuǎn)程調(diào)校，方便組網(wǎng)，易于與無線MODEM接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳
·傳感器分別采用擴(kuò)散硅壓阻式壓力、液位、差壓傳感器，同時(shí)在出廠前采用非線性數(shù)字修正技術(shù)進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了產(chǎn)品精度
·變送器經(jīng)過嚴(yán)格測試和篩選，性能******，電子殼體采用鑄鋁件，整機(jī)防護(hù)等級達(dá)到IP65
·現(xiàn)場可通過按鍵手動(dòng)調(diào)校和進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，操作方便
·可進(jìn)行LED測量值顯示和LED狀態(tài)信息顯示
·可提供**多五路壓力控制接點(diǎn)
·產(chǎn)品符合國家船舶檢驗(yàn)《船用電工電子產(chǎn)品型式試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，并經(jīng)天津船舶檢驗(yàn)局型式認(rèn)可合格，型式認(rèn)可證書編號TJT02230014
·產(chǎn)品系列形式多樣，有多種壓力接口和標(biāo)準(zhǔn)輸出信號供選擇，靈活方便
2.3水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備
在線PH計(jì) 用途：測量、顯示和傳輸水處理過程中的pH值和溫度。
探頭：
（1）電極：差分電極，帶雙階參比電極（接地電極和參比電極），自動(dòng)溫度補(bǔ)償；
（2）測量范圍：0~14pH/-5~95℃；
（3）靈敏度：≤0.005pH；
（4）穩(wěn)定性：每 24 小時(shí) 0.03 pH，不累積；
（5）探頭****傳輸距離：914米；
（6）防護(hù)等級：IP68；
（7）電纜線長：8米；
（8）安裝方式：浸沒式；
變送器：
（1）工作環(huán)境：-20-60℃，0~95%相對濕度，無冷凝；
（2）精度：0.1%；
（3）重現(xiàn)性：0.1% ；
（4）溫度補(bǔ)償范圍：-10～110℃，自動(dòng)溫度補(bǔ)償；
（5）顯示：LCD液晶顯示屏，可現(xiàn)場顯示PH測量值和溫度值，中文操作菜單；
（6）輸出：兩路0/4～20mA輸出（pH和溫度），繼電器；
（7）通訊：RS-232；
（8）防護(hù)等級：NEMA4X，IP66；
（9）電源：180～260VAC，50/60Hz；
（10）安裝方式：壁掛/面板/管道式安裝；
2.4 固體懸浮物/濁度分析儀
用途：用于水廠進(jìn)出水中固體懸浮物和濁度的測量、顯示和傳送。
探頭：
（1）原理：雙光束近紅外光/散射光，90°和140°檢測器，不受樣品顏色干擾；
（2）測量范圍：固體懸浮物：0～50g/L，濁度：0～1000NTU；
（3）精度：測量值的±1%；
（4）重現(xiàn)性：1%；
（5）響應(yīng)時(shí)間：<1秒，可調(diào)整；
（6）形式：316不銹鋼材質(zhì)，具有自診斷功能和機(jī)械式刮片自清洗功能；
（8）工作溫度：2℃～40℃；
（7）防護(hù)等級：IP68；
（8）電纜長度：8米；
（9）安裝方式：浸沒式或管道式；
變送器：
（1）工作溫度：-10℃～40℃；
（2）顯示：LCD液晶屏，圖形和數(shù)字顯示，具數(shù)據(jù)存貯記錄功能；
（3）探頭輸入：雙通道；
（4）輸出：兩路0/4~20mA，繼電器；
（5）服務(wù)端口：RS232；
（6）通訊協(xié)議：MODBUS、Profibus DP (選配)；
（7）防護(hù)等級IP65；
（8）電源：230±10%VAC，50/60Hz；
（9）安裝方式：壁掛或面板安裝；
2.5 清水池液位監(jiān)測設(shè)備
靜壓傳感器供電電源：24VDC
輸出信號：4～20mA、1～5V、0～10mA、0～20mA、0～5V、RS485；
量程范圍：0～0.5m…200m水柱；
補(bǔ)償溫度：0～80℃
介質(zhì)溫度：0～100℃
環(huán)境溫度：0～85℃
材 質(zhì)：全不銹鋼
綜合精度：0.1、0.3、0.5級可選
零點(diǎn)溫度漂移：±0.03%FS/℃
靈敏度溫度漂移：±0.03%FS/℃
過載壓力：200%FS
長期穩(wěn)定性：≤0.2%FS/年
2.6 管網(wǎng)壓力監(jiān)測設(shè)備
恒流供電：推薦1.5mA
恒壓供電：推薦10VDC
測量范圍：0～20kPa…100Mpa
補(bǔ)償溫度：-10～70℃
工作溫度：-40～125℃
輸入阻抗：3kΩ～6kΩ
介質(zhì)兼容性：與316L不銹鋼兼容的介質(zhì)
充灌液：硅油
零點(diǎn)輸出：±2mV
滿量程：≥100mV（典型）
零點(diǎn)溫度漂移：±0.02%FS/℃
靈敏度溫度漂移：±0.02%FS/℃
過載：200%FS(10MPa以下)；150%FS（25MPa以上）
響應(yīng)時(shí)間：≤50μm（上升到90%FS）
長期穩(wěn)定性：≤0.2%FS/年
2.7 Zigbee系統(tǒng)介紹
u 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊（SC88436B 可與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)連接）；
u 使用抗干擾DSSS技術(shù)，2.4G免費(fèi)頻段，3822個(gè)信道；
a) 每個(gè)信道帶寬1 Mhz ；
b) 波特率：250kbps,125kbps,……19.2kbps,…..1.2 kbps(可調(diào))；
c) 原機(jī)配有10厘米長鞭狀防水天線，可選用50厘米或120厘米長
全向高增益天線，或120 x 240 x 40 mm 的板狀天線，對應(yīng)相同
SC8836B模塊雙向?qū)崪y可視通信距離：3000-- 8000米，視使用天
線，及天線架設(shè)高度，以及環(huán)境而定；與SC8836a 實(shí)測可視通信距離250米（接受）/1500米（發(fā)射），天線離地高度3米；與SC8836b 實(shí)測可視通信距離1500米（發(fā)射）/2000米（接收）；
d) ****發(fā)射功率100毫瓦（20dBm）;****發(fā)射電流350mA;****接收電流26mA; ****功耗（使用5 V電源時(shí)）< 2 瓦；
e) 供電電壓：2.7 – 5V 或220 AC市電；
f) 接收靈敏度 -105 dBm - 13 dBm 信噪比增益 = -118dBm；
g) 控制單片機(jī)：Atmega88或Atmega 128L。
u 用戶可根據(jù)自己需要對使用頻率，波特率，發(fā)射功率等進(jìn)行選擇調(diào)整。
2.8 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
主控制室采用WebAccewss作為上位監(jiān)控軟件，WebAccess作為一種網(wǎng)際組態(tài)軟件,是**********基于瀏覽器的人機(jī)界面（HMI）和 監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集（SCADA）軟件。 WebAccess 具有以下的主要特點(diǎn)：
2.8.1 網(wǎng)絡(luò)上的客服端（Client）能組態(tài)與監(jiān)控遠(yuǎn)方的設(shè)備
通過標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器（如IE 6.0）與客戶端插件相結(jié)合，使用者就能監(jiān)控遠(yuǎn)方的自動(dòng)化設(shè)備，而且******數(shù)據(jù)傳輸是實(shí)時(shí)（real-time）的；動(dòng)態(tài)的控制畫面也隨數(shù)據(jù)傳輸。
2.8.2 Active X 控件
插件程序是一Active X控件，它可以在瀏覽器（IE 6.0）上執(zhí)行，所以您看到的是動(dòng)態(tài)圖畫。
2.8.3 內(nèi)建自動(dòng)化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
該軟件包內(nèi)嵌硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這些支持的自動(dòng)化設(shè)備包含各廠牌的PLC，數(shù)據(jù)采集IO，直接數(shù)字控制器（DDC），分布式控制系統(tǒng)（DCS）等。目前市場上各大品牌的PLC均包括在內(nèi)。
2.8.4 分散架構(gòu)的SCADA節(jié)點(diǎn)
SCADA節(jié)點(diǎn)直接連結(jié)自動(dòng)化設(shè)備，每個(gè)SCADA節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的，透過網(wǎng)絡(luò)可以分散架構(gòu)在工廠的各角落，或世界各地。SCADA節(jié)點(diǎn)提供報(bào)警、各種記錄、報(bào)表、動(dòng)態(tài)圖形等，它有自己的數(shù)據(jù)庫。
2.8.5 中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
工程節(jié)點(diǎn)就是中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，它將保存SCADA節(jié)點(diǎn)的資料、圖形，所有在網(wǎng)絡(luò)上的客服端及SCADA節(jié)點(diǎn)都由中央數(shù)據(jù)庫服務(wù)器控制與管理。包含登錄，下載，安全管理等。
2.8.6 工程節(jié)點(diǎn)的Web服務(wù)器
工程節(jié)點(diǎn)是用Microsoft IIS（Internet Information Server）作為網(wǎng)絡(luò)管理，客服端及SCADA端的初始連接，就是由工程節(jié)點(diǎn)完成。注意！工程節(jié)點(diǎn)是****的中央Web服務(wù)器，它也扮演冗余系統(tǒng)的
角色（Redundant）。
2.8.7 強(qiáng)力的安全系統(tǒng)
在網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)視及控制，很多人可能認(rèn)為不安全，其實(shí)這是多慮的。因?yàn)閃ebAccess采用的是多疊式的安全體系，如：進(jìn)入時(shí)，就需遠(yuǎn)程存取代碼。使用者帳號及密碼。將使用者類型分5級，各級之間權(quán)力不同，有的只能看，有的能更改點(diǎn)的值。將監(jiān)控點(diǎn)（tag）分34區(qū)（area），分127級（level）。沒有授權(quán)的區(qū)及等級，則不能更改該點(diǎn)的值,另外還有Windows 2000內(nèi)建的安全系統(tǒng)。
2.8.8 報(bào)警處理
WebAccess提供完整的報(bào)警系統(tǒng)，每個(gè)點(diǎn)都可配置報(bào)警處理，分為High-High， High， Low，Low-Low，四種及參考點(diǎn)報(bào)警、急速變化報(bào)警二種。報(bào)警處理都有一定的格式報(bào)表，只要依實(shí)際需求填寫就可產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警報(bào)表。
2.8.9 數(shù)據(jù)記錄及歷史驅(qū)勢圖
數(shù)據(jù)記錄圖就是歷史驅(qū)勢資料圖，一般橫軸是時(shí)間，縱軸是點(diǎn)的值。也可配置成 X-Y圖（X-YPLOT）。
2.8.10 用Tcl語言的腳本（Script）程序
Tcl語言能控制 IO，且簡單易學(xué)。描述功能就是用Tcl語言寫出程序，除了用以控制外圍的IO，尚可定制圖形顯示、數(shù)學(xué)與邏輯運(yùn)算，這種功能比PLC程序還好用。
2.8.11 攝像
若相機(jī)具有IP地址，則可將遠(yuǎn)方設(shè)備圖像立即傳回，用以監(jiān)控工廠的一切。監(jiān)視影像與監(jiān)視各種顯示動(dòng)畫是相同的，但影像是更生動(dòng)。
2.8.12 SCADA節(jié)點(diǎn)的冗余系統(tǒng)
這是軟件的備援系統(tǒng)，當(dāng)SCADA節(jié)點(diǎn)主機(jī)當(dāng)機(jī)時(shí)， 冗余系統(tǒng)立即啟動(dòng)。其實(shí)主機(jī)及冗余系統(tǒng)都是同時(shí)動(dòng)作，但只由主機(jī)通訊，主機(jī)當(dāng)機(jī)時(shí)，冗余系統(tǒng)接替主機(jī)工作。
本系統(tǒng)通過安裝在工控機(jī)上的通訊處理器和PLC進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)。WebAccess在系統(tǒng)中承擔(dān)了數(shù)據(jù)管理、報(bào)警、趨勢、數(shù)據(jù)記錄及中文報(bào)表等工作。操作員通過操作終端詳細(xì)了解設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)的要求，通過WebAccess編寫了良好的用戶界面。水位狀態(tài)，閘門的啟閉狀態(tài)，閘門的真實(shí)位置都可以在計(jì)算機(jī)屏幕上一目了然地生動(dòng)地再現(xiàn)。控制系統(tǒng)界面做到了簡潔易讀，且操作簡單，圖中顏色能夠隨著閘門位置，水位的水位變化而相應(yīng)變化。視頻信號同時(shí)嵌入到WebAccess中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)看水情，查詢錄像信息。
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有：
(1) 控制工藝流程，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示，包括顯示管網(wǎng)狀態(tài)，水庫水位信號與運(yùn)行狀態(tài)信號等。
(2) 接收上位機(jī)運(yùn)行指令，根據(jù)上位機(jī)下發(fā)指令進(jìn)行水廠凈化設(shè)備、泄洪渠監(jiān)控設(shè)備的控制。并動(dòng)態(tài)顯示其操作過程。
(3) 閘門啟、閉運(yùn)行自動(dòng)記錄功能，數(shù)據(jù)報(bào)表的生成，編制打印運(yùn)行日志、月志、年統(tǒng)計(jì)表。
(4) 故障記錄查詢及報(bào)警功能。
(5) 用戶安全等級的設(shè)定。
(6) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及歷史數(shù)據(jù)庫的運(yùn)用。
(7) 嵌入式視頻廣播系統(tǒng)
2.9 PLC編程軟件
采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE61131-3的編程方式，多種語言和多種方式混合編程，如梯形圖、功能塊圖、順序功能塊圖等，多種編程語言可靈活的用于同一個(gè)工作表中；帶有故障自診斷功能，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中故障診斷軟件不斷地監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。
該軟件應(yīng)具備完善功能，如PID控制運(yùn)算、中斷設(shè)定、浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)運(yùn)算、功能塊用戶自定義、二重化及其設(shè)置、故障自診斷、在線監(jiān)測等，能******滿足本水廠的實(shí)際控制需要。
具有開放性和擴(kuò)展性，使系統(tǒng)易于升級和進(jìn)一步開發(fā)。
支持多種通訊方式和協(xié)議，使系統(tǒng)具有較好的開放性。
