基于SCADA的供水運行故障檢測系統

周永峰

（廣州市自來水公司）

0 引言

城市供水管網是城市建設的重要基礎設施，其中，供水調度系統是保證供水管網穩定、可靠運行的關鍵。供水調度系統是指運行在調度中心的一系列計算機信息系統及通信系統，主要功能是獲取調度業務所需信息，以供調度人員實施調度與分析。各地自來水公司普遍采用數據采集與監控（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統進行供水管網的數據采集[1]。SCADA 應用于對實時控制要求不高，地域較為分散的一點對多點的數據采集、監控或調度系統。

供水SCADA系統對管網、廠站中監測點的壓力、流量進行實時監測，實時地反映供水管網的運行狀態，以作為優化調度決策的依據。因此實時監測SCADA的運行情況，檢測SCADA的故障尤為重要。SCADA的故障監測主要分為兩類：一類是通過各種算法檢測SCADA系統所監測對象的故障[2]；另一類是檢測SCADA系統，發現SCADA系統硬件和軟件存在的故障，確保數據能準時、準確地傳輸到SCADA系統中心[3]。

根據對國內外SCADA系統及其故障檢測技術的研究，以及本公司存在數據采集系統故障檢測的缺失問題，本文提出基于SCADA的供水運行故障檢測系統。利用程序開發平臺 VS2010，結合數據庫管理平臺SQL server2008，把調度三遙系統和閥門井壓力監測系統整合成SCADA系統，通過讀取系統歷史數據及對相關的服務程序進行檢測。故障檢測系統投入運行后，系統穩定可靠，能及時發現SCADA系統設備的異常運行，診斷出設備的故障類型，通知技術人員及時對故障進行處理，效果顯著。

1 廣義SCADA系統整體設計

1.1 SCADA結構

SCADA系統經調度三遙系統（狹義SCADA系統）和閥門井監測系統整合，由調度中心系統、數據傳輸系統和現場監控站點系統等組成，整個系統網絡層次從底層逐級向上可分為現場層、網絡傳輸層和中心監控層，結構如圖1所示。

1.2 SCADA組成

1.2.1 中心監控層

調度中心系統集中管理和指揮整個調度系統的運行。調度中心主要包括調度中心計算機、通訊主臺（主要是無線方式）等部分。

1.2.1.1 調度中心計算機

調度中心計算機運行調度系統軟件即上位機軟件，具體分為前臺機和后臺機。前臺機是連接通訊主臺、具有調度系統所有功能的計算機；后臺機的功能主要是運行一些后臺數據處理工作（報表等），同時也作為GPRS/CDMA接入服務器。

1.2.1.2 通訊主臺

通訊主臺主要包括電源、高速數字電臺、電臺、饋線、全向天線（或定向天線）等，用于和調度系統的各現場電臺通信站點進行數據通訊。通信主臺采用高速數字電臺（MDS電臺）。通信方式除傳統的無線數傳電臺之外，還有專線、光纖、TCP/IP及GPRS/CDMA等通信鏈路，通過其它通信網絡來傳輸數據[4]。

圖1 SCADA結構

1.2.1.3 系統軟件

調度系統軟件是整個SCADA系統的靈魂，協調各個現場數據的通訊任務；把硬件系統采集的各種數據（如壓力、流量、開停機狀態等）經過計算后，以數據或圖表的方式顯示出來，以供分析和使用，并且將數據送到DLP大屏幕拼接幕墻。

1.2.2 網絡傳輸層

在網絡傳輸層，系統采用以下通訊鏈路方式：1)調度中心與水廠的通信連接，以光纖為主通信鏈路，電臺和 GPRS為備用鏈路；2) 調度中心與加壓站的通信連接，以光纖為主通信鏈路，GPRS/CDMA作為備份鏈路，兼容支持原有電臺通信；3) 調度中心與管網監測點的通信連接采用GPRS和CDMA互為備份、GPRS和電臺互為備份、電臺和CDMA互為備份三種連接方式[5]。

在通信協議方面，有線鏈路、GPRS/CDMA鏈路和無線電臺支持Modbus和FT1.2。

1.2.3 現場采集層

現場數據采集主要有兩種模式：直接采集儀表數據（RTU數據終端）和采集PLC數據。

1.2.3.1 采集RTU數據終端

RTU數據終端以西門子S7-200系列小型PLC為核心，用于管網測壓、測流點或者小型的加壓站。現場儀表將物理參量信號轉化成電信號，如液位計、流量計、電壓變送器、電流變送器等，轉化后的電信號被數據輸入輸出模塊采集，并轉化為數字信號，再通過通信電臺將數據傳送回調度中心[6]。

1.2.3.2 采集PLC控制器

鑒于水廠和大型加壓站具有完善的數據采集系統，可通過終端計算機直接從廠站PLC采集數據[7]。相比RTU數據終端而言，這種方式減少了采集現場儀表數據的模塊，用計算機取代了可編程控制器。

2 故障檢測系統

隨著對SCADA系統實時監測準確性要求的提高，衍生出針對SCADA運行狀態的監控技術，即基于SCADA系統的故障檢測系統。本司原有的故障檢測軟件只能對調度三遙系統進行簡單的檢測，無法對閥門井壓力監測系統和故障的恢復進行監測，系統故障監測類型單一、系統穩定性差、檢測原理簡單，已無法滿足日常調度管理。

目前SCADA的故障主要包括通信故障、電源關閉故障、數據異常等。通常，引起通信故障的原因包括電臺通信效果、GPRS通信效果、通信模塊故障等；引起電源異常關閉的故障可能是供給端機的電源因故關閉，需由端機后備電池供電，待電池電量消耗后，端機也會因缺電不能運作；數據異常可能由設備（如PLC）故障、管網出現爆漏等引起，此外還可能由調度中心網絡狀態和數據轉換服務的故障引起。因此，有必要研發一套基于SCADA供水運行的故障檢測系統，完成各種故障檢測功能，實現24小時不間斷地對數據進行分析和監控，細化故障類型，分析故障原因，及時把故障檢測結果通知技術人員，盡快對故障進行排查維修[8]。

2.1 功能架構

SCADA故障檢測系統細化了故障原因和類型，結合數據服務器、交換機等設備的情況，分別對數據轉換、網絡狀態、通信故障、電源故障、數據異常等故障進行檢測，并把故障信息按故障等級分時段通過短信發送到相關人員手機。增加故障恢復檢測功能，實現智能故障檢測，功能架構如圖2所示。

圖2 故障檢測功能架構

2.2 各個功能檢測原理

2.2.1 數據轉換服務狀態檢測

1) 檢查數據庫更新時間，滿足30 min內數據有更新則屬正常；

2) 檢查實時數據表的最新時間，存在15 min內的數據則屬正常；

3) 當檢測到轉換服務問題時，則嘗試重啟服務，并延時5 min再進行檢測，若問題仍存在，則發送報警短信。

2.2.2 局域網狀態檢測

中心計算機用 Ping地址命令的方式檢測各服務器、網絡以及關鍵工作站鏈路是否正常，中心計算機DOS窗口使用Ping地址命令，檢測發送到目標地址的數據包是否全部接收，這些服務器和鏈路包括中心數據服務器、檢測部門的局域網絡、檢測部門至公司的網絡、各水廠至公司的網絡和工控網。

2.2.3 SCADA的多個監測點通信故障檢測

1) 區別電臺站點和基站的故障。當檢測到全部站點通訊故障，而局域網絡狀態正常，則認為基站故障，發送報警短信；

2) 區別GPRS監測點和工控網的故障。當檢測全部監測點故障，而工控網連接正常，則發送報警短信。

2.2.4 SCADA的管網單點通信故障檢測

1) 根據多監測點的故障檢測結果，判斷是否需要檢測當前監測點的通信故障。如果多監測點故障檢測結果顯示為大規模通信失敗，則在解除多點故障前，不再檢測對應單點的通信故障、電源狀態及通信率；

2) 通信失敗故障：單個監測點的任一參數連續5次檢測到通信失敗，則判定為通信失敗故障。

2.2.5 SCADA的管網單點電源狀態檢測

監測點的電源狀態指示連續出現4次“關”，則發短信。

2.2.6 SCADA的無線通信點的通信率檢測

每天14點，對各監測點前24 h的通信狀態進行統計，失敗率≥30%，則發短信。

2.2.7 SCADA的短期數據異常檢測

1) 當監測點的數值連續3次≤0，則發短信；

2) 當監測點的前15 min數值大于上限或者小于下限，則發短信。

2.2.8 SCADA的長期數據異常檢測

每個月運行一次，檢查一個月的壓力變化情況。首先用每日的平均壓力求一個月的平均值和標準差，并設定平均值±3個標準差為上下限。數據若超過上下限，或者連續7個點在平均值同一側，則認為壓力變化異常。

2.2.9 閥門井壓力監測點的刷新時間過長檢測

掃描閥門井壓力監測點的歷史數據最新時間，若時間超過1天，則認為是刷新時間過長，且該點當天閥門井故障未有標識，判斷為此閥門井壓力監測點刷新時間過長，標識該點閥門井故障。

2.2.10 故障恢復檢測

按照以上的故障檢測原理對數據轉換服務、網絡狀態、通信狀態、電源狀態等進行監測，一旦檢測到狀態恢復正常，判斷為故障排除，狀態恢復。

2.3 程序設計及系統調試

2.3.1 程序設計

根據檢測原理進行程序設計，數據轉換服務狀態檢測、SCADA的管網單點通信故障檢測、SCADA的管網單點電源狀態檢測、閥門井監測點的刷新時間過長檢測的數據流圖，如圖3所示。

圖3 數據流圖

根據各故障檢測原理以及檢測數據流圖，通過程序開發平臺VS2010編寫程序代碼。

2.3.2 系統調試

技術人員在監測點現場模擬故障的發生，經測試，故障檢測系統能及時檢測到各種類型的故障，且判斷準確，達到故障檢測的設計要求，滿足調度技術人員隨時發現SCADA系統故障的要求。

3 結論

基于SCADA的供水運行故障檢測系統，是利用對調度三遙系統及閥門井壓力監測系統的實時及歷史數據的檢測，結合數據轉換程序運行情況等元素進行故障檢測。故障檢測系統投入使用后，能準確及時地檢測到故障，實現智能故障檢測，保障調度系統的安全性、可靠性，為城市供水的優化調度提供堅實的基礎。

[1] 李海云.城鎮水廠自動化供水 SCADA 系統的研究與應用[D].太原:太原理工大學,2010.

[2] 翁國慶,華良.基于 SCADA/EMS的變電設備故障診斷專家系統[J].機電工程,2009,26(10):74-77.

[3] 黃延林,曹梅花,張卉.基于 SCADA 系統給水管網實時檢測爆管位置方法的研究[J].給水排水,2007,33(5):104-108.

[4] 吳錚,周劍利,申彥春.供水廠 SCADA 系統設計方案的研究[J].河北工業科技,2007,24(5):259-261,274.

[5] 朱寧西,張齊.GSM網絡短信息無線通信SCADA系統的實現[J].華南理工大學學報,2003,31(12):9-12.

[6] 羅揚艷.供水 SCADA 系統數據中心雙通信方式的實現[J].中國建設信息,2007,2:61-63.

[7] 申元甲,袁洪濤,劉穎.基于 SCADA 系統的井群遠程控制系統設計與應用[J].工業控制計算機,2007,20(2):78-79.

[8] 蔡衛峰.無線通信 SCADA 系統的實現與應用[J].電子技術應用,2002(8):61-63.