基于KingSCADA 軟件在上海白龍港污水廠綜合監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳善超，汪 宇，趙彥卿，趙子懿

（1.北京亞控科技發(fā)展有限公司，北京 100086；2.天津天霧抑爆滅火產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，天津 300392）

上海市白龍港污水廠的污水、污泥、除臭工程項(xiàng)目是上海市重大工程項(xiàng)目，自1999 年成立以來(lái)歷經(jīng)多次擴(kuò)建和改造，其污水、污泥處理量約占上海城區(qū)1/3，屬于超大規(guī)模污水處理廠。

本次白龍港污水處理廠提標(biāo)改造工程設(shè)計(jì)規(guī)模280 萬(wàn)噸/天，采用減量達(dá)標(biāo)的方式，新增120 萬(wàn)噸/天生物處理設(shè)施和280 噸/天的深度處理設(shè)施[1]，除新增設(shè)施部分需要建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)外，原一期、二期及其他子系統(tǒng)也要進(jìn)行融合，以SCADA 為基礎(chǔ)建立全新全面的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括由PLC、儀表、成套設(shè)備組成的硬件控制系統(tǒng)和組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)組成的SCADA 綜合監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

自控系統(tǒng)SCADA 組態(tài)軟件運(yùn)行于污水處理廠中控室的工作站及服務(wù)器中，將所有工藝環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使用形象立體畫(huà)面表現(xiàn)水廠工藝流程及各種數(shù)據(jù)，并對(duì)污水廠進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的分析處理。自控系統(tǒng)組態(tài)軟件運(yùn)行在污水處理廠的中控室，對(duì)污水廠提高運(yùn)行效率、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高管理水平起著至關(guān)重要的作用[2]。

1.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

白龍港污水廠子系統(tǒng)設(shè)備多，各系統(tǒng)獨(dú)立控制，其中下位機(jī)與組態(tài)軟件年代、品牌不一，操控人員精力分散，設(shè)備的故障預(yù)測(cè)及維修與控制，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員負(fù)擔(dān)繁重。

現(xiàn)需構(gòu)建集中監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)廠內(nèi)設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理，簡(jiǎn)化人員操作流程，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，系統(tǒng)接入污泥污水除臭系統(tǒng)，廠內(nèi)分4 個(gè)片區(qū)，僅南區(qū)有32 組濾池，總數(shù)據(jù)量超過(guò)20 萬(wàn)個(gè)IO 點(diǎn)位，數(shù)據(jù)庫(kù)需滿(mǎn)足自控系統(tǒng)檢索與上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能、支持API 與自動(dòng)化接口調(diào)用，數(shù)采需滿(mǎn)足幾十個(gè)配套廠家的協(xié)議同時(shí)接入，協(xié)議如OPC、485儀表、西門(mén)子全系列、羅克韋爾全系列PLC 等。

1.3 系統(tǒng)重難點(diǎn)分析

SCADA 整合升級(jí)改造的難題較多，如：

（1）接入設(shè)備多、品牌雜、接口不一，部分設(shè)備年代已久，對(duì)接困難，數(shù)據(jù)點(diǎn)位龐大，系統(tǒng)如何保證高效的采集和存儲(chǔ)任務(wù)以及如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性；

（2）多個(gè)系統(tǒng)報(bào)警的優(yōu)先級(jí)劃分、誤報(bào)警屏蔽功能的實(shí)現(xiàn)，保障設(shè)備安全運(yùn)行；

（3）如何保障控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；

（4）污水廠規(guī)模大，工藝流程多，如何更友好直觀的監(jiān)控整廠的運(yùn)行狀態(tài)。

2 建設(shè)方案

白龍港污水廠智慧控制SCADA 系統(tǒng)按照“驅(qū)動(dòng)程序統(tǒng)一化、畫(huà)面監(jiān)控模板化、流程監(jiān)控圖元化、界面風(fēng)格統(tǒng)一化、報(bào)警處置流程化、診斷分析系統(tǒng)化”的理念進(jìn)行建設(shè)，是一個(gè)可復(fù)用、可擴(kuò)展的技術(shù)平臺(tái)。

進(jìn)一步提高污水處理生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，達(dá)到生產(chǎn)建設(shè)投資、運(yùn)行成本與智慧控制的目的[3]。

（1）優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方式，提高數(shù)據(jù)采集效率

在污水處理廠監(jiān)控中，對(duì)設(shè)備狀態(tài)，水質(zhì)情況等要求能夠在畫(huà)面中實(shí)時(shí)展示，因此在數(shù)據(jù)采集上提高采集效率是十分必要的。

在數(shù)據(jù)采集層，在傳輸時(shí)采用數(shù)據(jù)塊的方式進(jìn)行組織和傳輸。在KingIOServer 中建立數(shù)據(jù)模型，然后將模型進(jìn)行實(shí)例化后產(chǎn)生具體的數(shù)據(jù)模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊中可以包含多個(gè)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的參數(shù)，如此可以從一個(gè)數(shù)據(jù)幀中解析出多個(gè)參數(shù)，極大的提高了采集速度。

（2）保障設(shè)備安全運(yùn)行

因設(shè)備運(yùn)行安全問(wèn)題較突出，生產(chǎn)運(yùn)行管理和技術(shù)分析受技術(shù)條件限制的問(wèn)題，為有效降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中的電耗、藥耗等成本消耗，通過(guò)采用工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)KingHistorain 結(jié)合關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLServer 建立完整的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)警事件數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行中的關(guān)鍵過(guò)程數(shù)據(jù)及報(bào)警信息、操作事件等，為后續(xù)事故分析、故障追溯和統(tǒng)計(jì)分析提供依據(jù)，保證污水處理廠更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行[4]。

（3）解決控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題

軟件配置充分考慮分布式及冗余方案，采用數(shù)據(jù)采集分布式加冗余，SCADA 服務(wù)器雙機(jī)冗余部署提高了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全層面在中央控制室與企業(yè)生產(chǎn)管理網(wǎng)通過(guò)加裝隔離網(wǎng)閘，將生產(chǎn)網(wǎng)與控制網(wǎng)進(jìn)行隔離，確保SCADA 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全，避免控制網(wǎng)SCADA 系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊和破壞[5]；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器配置容錯(cuò)服務(wù)器2 臺(tái)，采用工業(yè)庫(kù)冗余實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的軟硬雙重冗余方案保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全可靠存儲(chǔ)。

（4）多終端多實(shí)例多分屏無(wú)極縮放監(jiān)視方案

采用BS+CS 架構(gòu)，部署30 個(gè)CS 客戶(hù)端及50并發(fā)的BS 客戶(hù)端滿(mǎn)足集控中心及各個(gè)工藝車(chē)間監(jiān)控的需求；中控室每臺(tái)工作站多實(shí)例運(yùn)行KingSCADA工程采用四分屏顯示監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)一臺(tái)工作站能夠同時(shí)監(jiān)視4 個(gè)關(guān)鍵工藝界面；在工藝監(jiān)視界面開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)選中區(qū)域自動(dòng)縮放功能便于操作人員對(duì)局部工藝重點(diǎn)監(jiān)視。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 System topology diagram

（1）整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)由感知執(zhí)行控制層、數(shù)據(jù)傳輸交互層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層與綜合智能應(yīng)用層組成。

感知執(zhí)行控制層：主要通過(guò)水廠現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化儀表、傳感器、PLC 等設(shè)備，自動(dòng)采集提升泵、格柵機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水質(zhì)、水量等污水處理生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。通過(guò)控制閥、設(shè)備啟停等控制設(shè)備，對(duì)污水處理生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

數(shù)據(jù)傳輸交互層：通過(guò)部署集成大量驅(qū)動(dòng)協(xié)議、采集穩(wěn)定高效的KingIOServer 產(chǎn)品將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息傳輸給KingSCADA 系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一的收集、匯總、綜合處理和分析。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層：實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和處理，存儲(chǔ)于KingHistorian 工業(yè)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，為歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

綜合智能應(yīng)用層：主要實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠各個(gè)生產(chǎn)工藝段進(jìn)行實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和操作，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、報(bào)警管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理、生產(chǎn)分析等人機(jī)交互的應(yīng)用展示功能。

（2）SCADA 系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，工程師站、操作員站組成。

工程師站SCADA 與多個(gè)互為冗余的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)處理、Web 數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求，并提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警預(yù)警等功能。

操作員站SCADA 與對(duì)應(yīng)監(jiān)控區(qū)域的互為冗余的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接，負(fù)責(zé)該片區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求、提供該區(qū)域的生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析和報(bào)警管理等功能。

數(shù)據(jù)采集器KingIOServer 分別部署在8 臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器兩兩冗余分別對(duì)應(yīng)采集4 個(gè)環(huán)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)。

在專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)器上，主要是負(fù)責(zé)采集各光纖環(huán)網(wǎng)下各生產(chǎn)工藝段的數(shù)據(jù)，采用冗余配置，保證數(shù)據(jù)采集的安全性、完整性。數(shù)據(jù)采集器支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)采集、變量配置、在線編輯、快速增加刪除站點(diǎn)和設(shè)備。

歷史數(shù)據(jù)庫(kù)KingHistorian 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采集器KingIOServer 和KingSCADA 服務(wù)器傳輸給的數(shù)據(jù)，采用2 臺(tái)容錯(cuò)服務(wù)器雙重冗余配置，保證歷史數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。為客戶(hù)端的歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、服務(wù)器端的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

工程師站、各操作員站以及Web 客戶(hù)端操作員站用于分析和展示全廠生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)工藝畫(huà)面、報(bào)表、曲線等多種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算分析數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，以滿(mǎn)足污水生產(chǎn)與管理的需求。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

白龍港污水生產(chǎn)智慧控制系統(tǒng)包括生產(chǎn)流程工藝監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、預(yù)警報(bào)警、曲線報(bào)表、視頻監(jiān)控等功能模塊，以及事件管理、用戶(hù)管理等管理模塊，各標(biāo)準(zhǔn)模塊能快速、靈活組合使用，減小功能重復(fù)開(kāi)發(fā)、降低開(kāi)發(fā)維護(hù)周期與費(fèi)用。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，得到系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)Fig.2 System module design

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）分布式部署

KingIOServer 支持部署到不同計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，降低運(yùn)行環(huán)境的負(fù)載，提升系統(tǒng)性能，單節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，不影響其他服務(wù)正常運(yùn)行，提升可用性，可有效解決大型監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模和性能要求。

（2）多實(shí)例運(yùn)行

KingSCADA（X64）企業(yè)版采用64 位編譯技術(shù)，能夠充分發(fā)揮硬件資源；單機(jī)支持同時(shí)運(yùn)行5 個(gè)服務(wù)端工程實(shí)例，能夠分布式多實(shí)例部署采集、實(shí)時(shí)、歷史、報(bào)警、登錄、校時(shí)、事件。

（3）模型應(yīng)用

支持模型的高效復(fù)用：支持?jǐn)?shù)據(jù)模型和圖形模型，提供模型到實(shí)例化對(duì)象的船舶特性，能夠?qū)崿F(xiàn)工程的高效開(kāi)發(fā)并保障維護(hù)修改的便捷性和準(zhǔn)確性。

（4）無(wú)極縮放

開(kāi)發(fā)和運(yùn)行狀態(tài)均支持無(wú)級(jí)縮放，縮放范圍達(dá)到10%～1000%；畫(huà)面最大支持32000×32000 分辨率導(dǎo)航圖，可進(jìn)行整個(gè)廠區(qū)工藝畫(huà)面的監(jiān)視瀏覽。

（5）全面冗余

SCADA 系統(tǒng)支持雙機(jī)熱備、雙網(wǎng)絡(luò)冗余、雙IOServer 冷熱冗余、雙IOServer 雙設(shè)備冷熱冗余，采用專(zhuān)用網(wǎng)卡或?qū)Ｓ么谕ǖ罊z測(cè)心跳，保證系統(tǒng)狀態(tài)及時(shí)快速偵測(cè)，快速實(shí)現(xiàn)主/冗切換。

（6）用戶(hù)安全

SCADA 系統(tǒng)基于用戶(hù)和角色安全管理體系，支持綁定mac、IP、在線數(shù)量等；支持反向代理，提高數(shù)據(jù)通訊安全性；支持?jǐn)?shù)據(jù)通訊加密傳輸。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 工藝總覽模塊實(shí)現(xiàn)

在工藝總覽中分4 個(gè)工藝區(qū)塊：A 區(qū)-西北片區(qū)；B 區(qū)-除臭系統(tǒng)；C 區(qū)-高密池與擴(kuò)建部分；D 區(qū)-西南、南部片區(qū)。總覽全廠工藝并直觀展示關(guān)鍵參數(shù)及區(qū)塊報(bào)警狀態(tài)。廠區(qū)平面圖如圖3 所示。

圖3 廠區(qū)平面圖Fig.3 Plan of factory area

4.2 工藝監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)

工藝監(jiān)控功能主要完成白龍港污水廠智慧控制系統(tǒng)的各污水處理工藝段生產(chǎn)流程和相關(guān)核心數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在這類(lèi)界面中系統(tǒng)用戶(hù)可以直觀地了解到廠內(nèi)所有（權(quán)限內(nèi)畫(huà)面）的重要數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻監(jiān)控能夠?qū)Ω魃a(chǎn)流程的運(yùn)行狀態(tài)做到了如指掌。在畫(huà)面中可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停設(shè)備和參數(shù)調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程啟停等設(shè)置用戶(hù)操作權(quán)限和系統(tǒng)日志，無(wú)權(quán)限的用戶(hù)無(wú)法進(jìn)行設(shè)置，保證控制的安全性，并將遠(yuǎn)程控制、設(shè)置操作生成事件，做到可追溯查詢(xún)。

（1）以直觀的3D 底圖呈現(xiàn)高密池工藝泵、閥等設(shè)備狀態(tài)、頻率、啟停時(shí)間，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水瞬時(shí)流量、進(jìn)出水累計(jì)流量、進(jìn)出水水質(zhì)等。

（2）鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)停策略與輪換機(jī)制設(shè)定。

（3）流量平衡分析與異常流量情況監(jiān)視。

4.3 趨勢(shì)曲線及拐點(diǎn)分析實(shí)現(xiàn)

可實(shí)現(xiàn)對(duì)拐點(diǎn)產(chǎn)生的原因進(jìn)行追溯，記錄拐點(diǎn)解決方案，積累拐點(diǎn)應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)。在拐點(diǎn)分析系統(tǒng)中記錄解決措施及相關(guān)處理痕跡資料，經(jīng)年累月，不僅提高了污水廠應(yīng)對(duì)拐點(diǎn)的處理處置能力，還有效保證了日常運(yùn)行。數(shù)據(jù)分析界面如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析Fig.4 Data analysis

4.4 報(bào)警管理模塊實(shí)現(xiàn)

支持用戶(hù)單點(diǎn)報(bào)警、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)配置；實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)報(bào)警不同等級(jí)報(bào)警的區(qū)分，實(shí)時(shí)報(bào)警自動(dòng)彈窗展示，如圖5 所示，與水廠智能控制指令進(jìn)行智能聯(lián)動(dòng)報(bào)警，減少誤報(bào)警；支持報(bào)警歷史記錄查看。

圖5 實(shí)時(shí)報(bào)警彈窗Fig.5 Real-time alarm pop-up

4.5 系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)用戶(hù)管理，用戶(hù)權(quán)限配置管理，可自由配置單個(gè)頁(yè)面權(quán)限。實(shí)現(xiàn)變量管理，對(duì)變量進(jìn)行增刪改查，相關(guān)頁(yè)面的變量會(huì)進(jìn)行修改。

5 結(jié)語(yǔ)

白龍港污水廠監(jiān)控軟件采用了北京亞控科技發(fā)展有限公司的工業(yè)組態(tài)軟件KingSCADA，KingHistorain，KingIOServer 融合了組態(tài)、分布式數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、Web 發(fā)布、OPC 功能，實(shí)踐證明，KingSCADA 以其友好的界面、強(qiáng)大的功能，滿(mǎn)足了大型污水處理廠對(duì)工藝過(guò)程監(jiān)控和管理的需求。同時(shí)也為將來(lái)越來(lái)越多的中大型污水廠進(jìn)行擴(kuò)建及升級(jí)改造過(guò)程中解決大點(diǎn)數(shù)、多設(shè)備、高并發(fā)等應(yīng)用場(chǎng)景提供建設(shè)思路。