研華自動化產品在水源井遠程監控系統中的應用

研華（中國）公司 范文雪，盧晶晶，張克，林劍汶

水源井遠程監控系統是供水公司生產調度管理系統的一個重要的子系統。某供水公司包括4個自來水廠，每個水廠包含了多個水源井，這些水源井的分布具有如下特征：分布區域廣、地理位置分散、距離水廠和管理機關較遠且無人值守。目前，這些水源井大部分處于人工到現場操作狀況，只有少部分投入了自動化控制，但水廠與水源井通訊還處于傳統的撥號模式。這些現狀使得供水公司對水源井的監控和管理存在諸多問題，主要如下：

設備運行狀態及故障預警信息無法實時獲得。由于無人值守的場合，需要實時獲得長時間運行的設備工作狀態和故障預警信息。不借助于現代化的通訊手段，無法及時獲得這些信息，故障恢復時間長，對生產造成很大影響。

設備安全不能保障。分布于郊外的水源井，由于長期無人值守，且治安環境較差，變壓器、電纜等設施經常被盜。這些資產的被盜，會帶來一系列無法估量的損失。

生產效率得不到有效提高。由于地理分布特點，管理者無法實現現代化的調度方式，無法根據用水量的變化，實時調整供水量，經常出現供大于求或供不應求的現象發生，調度員經常疲于奔波在水源井群之間，造成人力物力浪費的同時，生產效率還得不到有效提高。

生產數據無法實時統計。缺乏現代化的統計手段，管理員往往無法準確統計自己的年、月、日報表。無法繪制出合理的用水曲線，也就無法分析供水負荷。無法準確預計用水高峰與低谷。造成供水效率降低，嚴重的情況，可能發生安全事故。同時，由于缺乏準確的、大量的生產實時數據，管理員無法對供水生產過程中的消耗數值進行統計，缺乏準確的成本計算，無法制定合理的節能政策。

為了改變這樣的現實情況，針對用戶的需求，研華公司為用戶量身定做了一套提高供水部門信息化水平的水源井遠程監控系統完整解決方案，并已投入運行。

1 系統總體目標

供水企業的業務性質與一般的企事業單位有很大的不同，它面對著千家萬戶的服務需求，管理著轄區范圍內縱橫交錯的地下/地上管網和大量設備。因此，水源井遠程監控系統必須要為安全穩定供水的嚴格要求服務，必須要為做好供水公司現代化的信息管理手段提供技術支撐。這就要求供水企業必須以整體信息化為出發點，將企業運營相關的所有數據進行集中管理，在此基礎上統一規劃，構建生產調度、管網運行、營業收費、用戶服務等專業應用系統，形成供水綜合管理信息平臺，而水源井遠程監控系統就是其中重要的一個環節。

“物聯網”概念的問世，打破了之前的傳統思維。過去的思路一直是將物理基礎設施和信息基礎設施分開。對供水生產而言，在“物聯網”時代，壓力、流量等各類傳感器、電纜、電氣設備、管線等等，所有這些將與芯片、寬帶整合為統一的基礎設施，基于物聯網絡可以對供水生產系統內的人員、機器、設備和基礎設施實施更加實時有效的協同管理和控制。物聯網概念為建立供水生產管理與預警和決策等新體系提出了新的思路和方法。

作為物聯網應用的一個重要領域，“感知供水”是通過各種感知、信息傳輸與處理技術，實現對真實供水整體及相關現象的可視化、數字化及智慧化。

其總體目標是：將水生態、管網建設、供水生產、安全管理、供水調度與營銷等綜合信息全面數字化，將感知技術、傳輸技術、信息處理、智能計算、現代控制技術、現代信息管理等與現代供水生產和調度技術及數據處理技術緊密相結合，構成供水中人與人、人與物、物與物相聯的網絡，動態詳盡地描述并控制供水生產與運營的全過程。以高效、安全、綠色供水為目標，保證供水生產的可持續增長，保證供水自然環境的生態穩定。

水源井遠程監控系統作為“感知供水”的重要環節，要充分體現在三個方面的內容。即：

（1）實現全面的感知，包括三個感知：

感知水源參數，實現主動式安全保障；

感知供水設備操作，實現供水設備的遠程無人操作；

感知供水設備工作健康狀況，實現預知維護和及時維修。

（2）實現可靠的數據傳輸，包括三方面內容：

實現無線傳輸方式的數據的可靠傳輸，保證數據的連續性和操作的可靠性；

實現無線傳輸方式的無縫連接，保證傳輸的兼容性和實時性；

實現數據傳輸的安全性。

（3）實現數據的智能化處理，包括三個方面：

數據的優化處理，實現供水控制的高效和安全；

數據信息的挖掘和處理，實現前瞻性的分析決策；

數據發布的多樣性和人性化

水源井遠程監控系統以三個感知為基礎，在構建完善的數據傳輸網絡的基礎上，對數據進行有效分析與處理，構成整個“感知供水”的重要組成部分。

2 系統設計要求

水源井遠程監控系統實現各水廠水源井的參數實時采集、數據遠程傳輸、設備遠程操作等。水源井現場具有智能電量表、電氣儀表和安全保護系統，這些都接入遠程控制單元。水廠高度集成的人機界面，提供水廠關鍵參數和水源井參數的匯總、處理和展示平臺。各水廠人機界面與集團中心人機界面聯網，實現完整的信息展示和管理的要求。需要實現的具體功能如下：

（1）實時運行參數監測

實現包括遠程水源相關的水位、出水流量、出口壓力、閥門開度等運行參數，水源井水泵運行電量參數、運行狀態、運行時間，水源井泵站其它電氣設備狀態，以及泵站周邊狀態的實時監測。通過這些實時運行參數的監測，使得水廠操作人員實時了解生產運行狀態變化，為正常調度和設備維護提供全面的信息保證。

（2）數據無線遠程傳輸

遠程水源井數據通過GPRS無線通訊的方式與水廠人機監控平臺進行不間斷地可靠傳輸。水源井與水廠之間通訊網絡層采用GPRS通信網絡層，GPRS網絡不受空間距離影響，只要有手機信號的地方，就可對數據進行傳輸，GPRS由于其成熟的網絡管理方式，及零維護費用，成為供水自動化行業里應用最多的通訊方式。

（3）就地控制與遠程控制

支持水源井水泵就地控制和遠程控制。就地控制包括水泵控制柜手動控制和現場PAC控制單元自動控制，就地控制和遠程控制水泵的啟停操作模式是可調的，手動控制具有最高優先級。通過水源井水泵的三級控制操作，可保證供水生產的不間斷和可靠運行，為生產調度提供保證。

（4）工業通訊協議

為保證組態軟件、控制器和現場智能電表的數據傳輸的統一性和開放型，采用Modbus工業通訊協議實現數據的傳輸。

（5）設備參數管理

為保證對生產設備資料的管理和維護，需要實現水源井生產設備資料、水廠設備資料的在線記錄和動態管理，并實時記錄相關設備的運行狀況等參數。

（6）故障與報警記錄

實現水源井運行模擬量參數的極限值報警處理和設備運行故障狀態的記錄，并通過人機界面進行報警提示，使操作人員及時了解并處理異常狀況。

（7）安全處理

實現水源井周邊環境參數的實時監測，并根據異常情況做出預警處理，提高現場災害預防能力。

（8）報表及打印

實現水源井和水廠各種報表生成和打印，包括值班報表，日報表，月報表等。

（9）操作記錄

實時記錄操作人員的各種操作信息是安全生產的重要環節，通過組態軟件要能記錄各種操作。

（10）動態畫面

為逼真模擬實際生產過程，水源井和水廠部分主要工作單元要實現動態畫面演示。

（11）短信報警

組態軟件要具備GPRS短信報警功能，自動將監測的報警信息通過GPRS網絡發送到相關人員手機上，便于相關人員及時了解供水調度情況，制定相關措施。

（12）IE遠程監控

實現供水公司領導在總部遠程監視現場實時運行畫面，要能夠通過瀏覽器遠程訪問和操作水廠監控畫面，提高供水生產的應急能力。

（13）手機遠程瀏覽

“感知供水”一個重要特征是無論何時何地，都可以通過各種智能終端進行數據和畫面的訪問。水源井遠程監控畫面和數據，要能實現智能手機對其遠程瀏覽，使得領導隨時隨地掌握生產運行情況。

（14）適應惡劣環境的能力

水源井遠離市郊，工作環境溫差變化大，現場供電不穩定，而且雨季多雷雨天氣，這就要求控制單元要能適應零下40℃和很強的抗干擾能力。

3 系統方案架構

水源井遠程監控系統建設采用分層式架構，充分體現模塊化、平臺化、網絡化特征，既保證了水源井監控系統各項功能，又充分考慮了將來供水公司建立完整的“感知供水”信息系統的要求。水源井遠程監控系統架構圖如圖1所示。

圖1 水源井遠程監控系統架構圖

水源井遠程監控系統架構充分體現了物聯網的體系架構：

（1）感知層：包括水源井現場采集層和現場控制層。采用研華高性能高可靠的可編程自動化控制器APAX系列PAC產品，實現了本地數據采集和生產設備的控制。研華PAC產品可方便的連接現場智能電表和遠程傳輸設備。

（2）傳輸層：網絡傳輸層采用GPRS無線傳輸，采用研華EKI系列工業等級GPRS網關，將PAC數據可靠實時傳輸到水廠監控軟件，同時，將水廠操作指令快速可靠下達到水源井現場，實現了水源井遠距離可靠通訊。

（3）管理層：管理層包括水廠監控層和集團管理調度層，全部采用研華基于網絡的組態軟件WebAccess實現人機畫面展示和操作，同時實現水源井人機界面的網絡遠程訪問和智能設備的遠程瀏覽。

4 系統特點

水源井遠程監控系統全部采用研華自動化產品實現，每種產品都有其鮮明的特點。

（1）WebAccess組態軟件

WebAccess完全基于Web瀏覽器的獨特開發環境，使其具有強大的網絡擴展應用功能。

雙機冗余和雙重數據備份功能：水廠采用兩臺監控主機(SCADA Node)互為冗余的架構保障監控的穩定性。冗余分主、從兩臺監控主機，正常工作模式下由主機負責從下層各站收集數據和上傳發布。從機負責監聽主機狀態，當發現主機出現異常（如死機），從機將自動接替主機的全部工作，收集/發送數據。而從機工作時，也會隨時監聽主機，當主機恢復正常時，他會自動將全部工作再轉回主機。整個過程全部自動完成，用戶不需任何手動調整任何內容。且從機工作期間的這段數據，會自動補充到主機當中，以確保主機的數據是最完整的。這樣確保了意外情況發生時，不會造成整個監控系統無法工作的情況。在系統中現場采集到的數據除在集團總服務器端存于關系型數據庫之外，在水廠各自的WebAccess監控主機中同樣有備份，保證了當網絡出現故障時，無論在現場或在上層管理部門，都可以任意查看曲線、報表等歷史數據。如果一旦總服務器系統造成嚴重損失，無法挽回歷史數據時，還可以將各底層備份的數據恢復上去，以保證數據的完整性。

實時監控：WebAccess水廠監控主機將實時顯示從現場層送上來的現場重要數據（如：電量參數、水位、壓力、流量和設備狀態等），并將數據以圖文并茂的形式顯示于監控頁面中，監控人員可以根據屏幕顯示對現場的情況進行實時監視，掌握現場設備的運行情況，當現場發生任何變化（如有報警信息產生）WebAccess將隨之變化并發出警報信息。在監控層的操作人員將第一時間內得到現場的警報信息，警報信息的表現方式除可以在屏幕上會有動畫/閃爍/列表等提示外，還可以以網絡/短信等方式通知不在現場的管理人員。同樣如果操作人員對某一設備進行操作，其操作指令也會在監控畫面上顯示，對應設備會按照命令作出相應的變化，如啟停水源井電泵，在監控畫面上有啟停的動作，相應的一些參數或狀態改變也會在畫面上一起顯示。

多樣式的報警信息：當系統有報警產生時，操作員可以根據人機畫面在線報警欄中的信息提示得知警報，進入“報警摘要”畫面中，不同的報警信息也會有不同的報警顯示形式，WebA ccess提供多媒體語音報警、動畫閃爍報警、彈出窗口報警、發送E-MAIL報警等，可以實現全方位的報警信息通報。在線報警欄中的報警信息，在每一個監控頁面都是相同的，無論現場還是遠程監控站，而且所有站點的報警信息是全局聯動的，可以讓操作人員最短時間內發現報警信息，解決故障。

數據記錄顯示：WebAccess提供實時曲線、歷史曲線對數據進行顯示記錄，以方便用戶根據曲線走勢進行系統分析；還提供報表查詢、打印功能，有值班報、日報、月報，同時也可以根據需要，輸入起始時間、終止時間和采集頻率的不同而來查詢相應時間段的數據報表。還可以通過高級選項設定查詢數據的顯示類型，如最大值、最小值、平均值等。用戶可以直接將報表輸出打印或發送E-MAIL到指定郵箱。發送報表格式為HTM L格式，可以輕松將報表導出到EXCEL等工具軟件進行處理加工。數據服務器既可以是WebAccess自帶的Access數據庫，也可以采用SQLSERVRE、ORACLE等關系型數據庫，WebAccess可以通過ODBC的指向來完成數據庫的設定，在數據的采集整理過程中寫入指定的數據庫中，方便用戶在需要時調取數據，進行分析處理

Internet 訪問功能

支持3A訪問：由于水源井監控點和不同水廠的地域分散性，WebAccess系統軟件基于Internet來實現信息交互、綜合與共享，實現統一的人機界面和跨平臺的數據庫訪問，真正做到局域和遠程信息的實時監控，數據資源的綜合共享，以及全局事件快速的處理和一體化的科學管理。WebAccess支持3A訪問（AnywhereAnytimeAnyplace，任何地點，任何時間，任何位置），也就是說水廠生產情況的管理不一定在中控室進行，可在任何授權人員方便的地方進行。而且WebAccess打破了傳統的價格觀念，開放了管理層的網絡擴展。讓管理層不需要支付額外的費用，便可隨意增加系統中遠程訪問監控數量，為未來管理層網絡擴展提供了廣闊的免費空間。

支持遠程故障診斷與報警：一旦將傳統的監控系統延伸到因特網上，供水各管理人員即便是在千里之外也可以完成他的職責。通過因特網，不僅可以完成監控職責，而且還可以進行遠程故障診斷，可以通過因特網持續了解自己設備的運轉情況，當設備運行在非正常狀態時，可以立即采取措施避免事故發生，同時可以減少運行管理費用。

支持智能終端：WebA ccess系統的另一特點是支持Pocket PC（掌上電腦）和智能手機等智能終端，通過網絡技術接入WebAccess系統，瀏覽系統結構，了解系統工作狀況，顯示被控設備狀態參數，并且可以在授權的情況下對運行參數做調整。這大大方便了出差在外的管理人員隨時隨地掌握現場信息。

事件記錄

WebAccess對系統運行中的操作、數據變化、報警等提供分類的信息查詢功能。

運行記錄：系統運行中的多種操作如泵的開關、用戶的登陸退出、打開關閉監控畫面等都可記錄在“運行記錄”中。操作員也可以通過ODBC記錄查詢運行記錄。

報警記錄：系統運行過程中產生的報警信息都會被記錄，記錄內容包括：報警點、產生時間、報警值、報警類型、報警限定等，用戶可以在線打印報警記錄信息，為用戶分析報警產生原因，查找事故來源提供有利依據。同樣，操作員也可以通過ODBC記錄查詢報警記錄。

權限設定：由于生產監控系統上升到Internet互聯網，系統安全性的問題也是不容忽視的。WebAccess的多疊式網絡安全架構起到了關鍵的安全屏障功能，整個系統中任何監控中心或現場站的操作人員，在進入現場與遠程監控界面時，都需要各自不同的用戶名、密碼，而其使用的用戶名、密碼就直接決定了操作人員能夠監控界面的內容及是否擁有監控和控制的權力。而全部用戶名、密碼的分配以及權限劃分工作都由監控中心的WebAccess工程節點負責配置。WebAccess監控軟件提供五個用戶權限等級。每個用戶權限等級又分37個區域，每個區域有128個等級，通過交叉組合，可以指定哪些人員只可以查看某幾幅畫面，以保護系統數據不受隨意修改。

與上層管理系統的集成：WebAccess的采集節點提供API接口，上層管理系統可以編寫簡易的API程序從采集節點讀取、寫入整個系統中的任何I/O點的數據。同時還提供標準的ODBC數據接口，WebAccess提供的兩種接口可以讀取現場的全部實時數據和歷史數據，實現與上層管理信息系統的數據共享。

圖2 水源井遠程監控人機畫面示意圖

（2）APAX系列PAC控制器

為適應將來水廠信息化要求，水源井控制系統要具有模塊化、靈活性和伸縮性，能夠適應不同的需求，并且可以根據客戶的特殊需求，做出個性化的控制方案。研華APAX系列PAC控制器充分考慮了這些特點，極大地滿足了用戶需求。

數據采集與控制功能：水源井PAC控制器提供了高精度高可靠性數據采集模塊，控制器實現了數據處理、本地控制和接收遠程控制信號的功能。

控制的靈活性：體現在水源井PAC本地控制與其它控制（遠程控制、手動控制）的靈活切換上，每一種控制方式都可獨立運行；也體現在當遠程通訊出現故障時，PAC可實現數據的本地存儲，當通訊恢復正常時，將存儲的數據發送到遠程監控系統，實現生產數據的完整性。

模塊化和可擴展性結構：APAX系列PAC 控制器CPU模塊和IO模塊采用模塊化架構，統一放置在相同類型的底座上，而且底座可擴展，可任意放置，底座之間可以分開放置，通過網線進行連接，具有靈活的可擴展性能。

開放型：APAX系列PAC具有多個RS-485和以太網口，支持標準的工業通訊（如Modbus，OPC）協議和自定義協議，可與主機組態軟件、與現場各種智能設備進行方便地連接。

故障自診斷功能：APAX系列PAC對CPU單元和IO單元具有強大的系統自診斷與故障報警功能，通過軟件獲取系統狀態信息，并遠傳到監控界面，幫助用戶了解現場控制單元的運行情況。

支持多種開發手段：APAX系列PAC支持高級語言編程（如VS.Net和eVC++）和IEC 61131-3語言編程（LD、FBD、SFC、ST、IL），使得用戶可以靈活選擇自己的開發方式。

支持本地人機界面展示：APAX系列PAC基于W inCE或XPe系統，提供VGA接口，方便用戶自行開發簡易的人機界面，實現本地的簡單人機畫面操作功能。

易于維護：可通過網絡遠程監視PAC運行狀態和遠程升級固件，所有模組支持帶電拔插，這些都極大方便了用戶對控制產品的維護。

適應嚴苛環境的高可靠性：APAX系列PAC控制器及其IO模塊采用PLC產品遵循的IEC標準設計、測試和生產，具有優秀的防電磁干擾和抗震動能力，支持-40~85℃的寬溫工作范圍，特別適合于水源井野外工作溫差變化大、供電不穩定、雷電較多的惡劣環境。

圖3 APAX PAC及其IO模塊示意圖

（3）EKI系列GPRS網關

研華EKI系列GPRS產品基于GPRS/CDMA網絡，為工業用戶提供TCP/IP之上的無線數據傳輸通道，使遠程工業控制得以實現。

數據無線遠傳功能：完成遠程水源井串口設備（PAC）到中心控制系統間的無線數據通訊，實現了實時可靠的數據傳輸。

GPRS 無線網絡與中心軟件的連接：監控中心先向Internet 運營商申請ADSL 等寬帶業務。監控中心采用公網動態IP+DNS 解析服務，客戶先與DNS 服務商聯系開通動態域名，監控點先采用域名尋址方式連接DNS 服務器，再由DNS 服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用。

支持多種功能，靈活實現用戶需求：支持GPRS/CDMA網絡，支持串口靈活配置，支持DC、M odbus、自定義協議轉換功能，支持多串口通信速率，支持遠程升級功能等。

使用方便：用戶無需二次開發，建設周期短，很容易地覆蓋廣大區域。

成本優勢：充分利用現有公網，建設費用低；網絡無需維護，無本地與長途的區別，按流量計費。

圖4 GPRS組網模式示意圖

5 運行情況

該供水公司水源井遠程監控系統方案全部采用研華自動化產品，既實現了統一性，又保證了便于維護。從調研到設計、從開發到施工、到最終投入運行，僅用了2個月的時間，就實現了眾多水源井的遠程監控，至今運行穩定可靠，并實現了各種智能終端對水源井信息的網絡遠程訪問，充分體現了“感知供水”全面感知、可靠傳輸、智慧處理的特征，對供水公司實現全面感知和智慧管理的新型水務信息系統開了一個良好的開端。

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