基于PLC的供水管网SCADA系统的研究硕士学位论文.doc

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1、分类号 密级 UDC 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 基于基于 PLCPLC 的供水管网的供水管网 SCADASCADA 系统的研究系统的研究 黄小芹黄小芹 学科专业学科专业 控制工程控制工程 指导老师指导老师 李啸骢李啸骢 教教 授授 企业导师企业导师 高革武高革武 高高 工工 论文答辩日期论文答辩日期 2011 年 月 日 学位授予日期学位授予日期 2011 年 月 日 答辩委员会主席答辩委员会主席 论文评阅人论文评阅人 广西大学学位论文广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文学位论文原创性声明原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导

2、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。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过 重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 年 月 日 学位论文使用授权说明学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存

3、论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 即时发布 解密后发布 （保密论文需注明，并在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 导师签名： 年 月 日 I 基于基于 PLCPLC 的供水管网的供水管网 SCADASCADA 系统的研究系统的研究 摘摘 要要 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，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

4、 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研究对象，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、现场控制系统和通讯系统三部分组成，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

5、靠方案。现场监控系统则采用德国西 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。 本论文详细阐述了玉林市自来水公司 SCADA 系统的设计方案及实施步 骤，对其他供水公司建立供水管网 SCADA 系统具有一定的借鉴意义。该系 统在试运行过程中稳定可靠，有效地提高了供水公司的生产效率，达到有 效合理利用水资源的目的。 关键词关键词： SCADA 系统 PLC GPRS 网络 RTU II Reserch of Water Pipe

6、Network SCADA System Based on PLC A Abstractbstract SCADA（Supervisory Control And Acquisition）System is a new information sciences,which is supported by computer technology,communication technology and automatic technology. With the used of telecommand, teleadjusting, teleindication and telemetering

7、 in the SCADA Systerm,the production inprove effectively. So in rencent years,SCADA Systerm has been widely applied in many fields of our country,especially the industial production field.Along with the increasing of population in the city ,the trational water supply system has faild to meet the dem

8、ands of the people and the factories.If the SCADA System used in water supply network ,it can improve the management level and satisfy the demands of water. This paper is talking about how to built a SCADA System in the Yulin water- supply company. It contains three parts, which is the master statio

9、n system,the PLC control system and the comunication system. The first is master station system,it can get the information of the water network through RTU and GPRS network，and it also can help the manager making the right decitions of water supply. The second is PLC control system,it let the manage

10、r knows the whole water production process directly and vividly,and it also can control the equipment automatically by PLC. The last is comunication system,it contains III the Internet, GPRS wireless network and profibus,it can help the system to transmit information.This system runs stably and effe

11、ctively in the Ylin wanter- supply company.Maybe this paper can help the other water-supply companies which want to use SCADA System. Keyword：SCADA System PLC GPRS Network RTU III 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACTABSTRACT .II 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 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 SC

12、ADA 系统的设计与开发步骤4 2.1.1 供水公司的需求分析 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1.2 管理信息分析 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1.3 系统性能分析 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1.4 系统的开发步骤 . 2.2 供水管网 SCADA 系统的架构设计.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.1 SCADA 系统的构成 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.2 SCADA 系统的主站系统设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.3 SCADA 系统的控制系统设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.4

13、 SCADA 系统的通讯系统设计错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.5 SCADA 系统的远程终端单元系统设计错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3 本章小结 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第三章 供水管网 SCADA 主站系统的实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1 SCADA 系统硬件构成及实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.1 通讯前置系统 3.1.2 工程师工作站 3.1.3 生产调度工作站 3.1.4 监控工作站 3.1.5 实时数据库服务器 3.1.6 历史数据库服务器 IV 3.1.7 WEB 服务器 3.2 SCADA 系

14、统软件构成及实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2.1 开发工具的选用与介绍 3.2.2 系统数据库的构建与实现 3.2.3 系统界面设计与功能的实现 3.2.3 系统安全性的设计与实现 3.2.3 系统的安装与调试 3.3 本章小结.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第四章 供水管网 SCADA 控制系统的实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1 STEP7 编程软件简介及设备选型 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.1 STEP7 编程软件简介 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.1.2 设备选型错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2

15、PLC 控制站功能的实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.1 供水管网 PLC 控制站功能 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.2.2 PLC 控制站硬件电路设计错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3 模块化编程 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.4 PLC 控制站程序设计流程与分析 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.5 本章小结 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第五章 供水管网 SCADA 通讯系统的实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1 有线系统的实现.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 无线系统的实现.错误！未

16、定义书签。错误！未定义书签。 5.3 网络系统的实现.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.4 本章小结.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第六章 供水管网 SCADA 系统远程终端单元的实现 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.1 远程信号 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2 远程测量 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.3 远程命令 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.4 远程调节 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.5 本章小结 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 V 第七章 总结及展望 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.1 总结.

17、错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7.2 展望.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 攻读学位期间发表的学术论文 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 1 第一章 绪 论 1.1 项目的背景及 意义 水是自然界一切生命赖以生存的不可替代的物质，也是社会发展不可缺少的重要 资源。而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 日益突显。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

18、 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达 2000 亿元。因此，如何高效地利用及分配水资源，以解决城市经济发展的需求并满足 人民生活的需要是城市供水公司需要迫切解决的问题。 随着城市的日渐扩大以及人口的逐步增加，城市供水公司传统的管理模式即人工 管理模式，已经无法实现高效管理水资源，以满足提高供水质量、节能降耗的要求。 因此，城市供水公司今后采用现代信息技术实现高效管理水资源是必然趋势。 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监控与数据采集）系统， 是以计算机为基础的生产过

19、程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备进行 监视和控制，能够实现数据采集、测量、各类信号报警、设备控制以及参数调节等各 项功能。将 SCADA 应用于供水系统可以高效地解决水资源的供需问题，它可以实时监 测与分析配水全过程主要设备的运行情况和运行参数，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。基于 SCADA 系统的 优势，目前国内大中型城市供水公司已经普遍采用 SCADA 系统管理供水系统提高供水 效率。 本人在该项目中主要负责 SCADA 现场控制系统中的取水泵房

20、分站的设计与实施工 作，该部分的工作内容包括对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， 在试运行期间工作正常。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 2 1.2 研究现状与发展趋势 随着现代科学技术的进步，发达国家早已将现代化信息技术引入工业生产的各个 环节，并取得了较快的发展。在我国经济建设飞速发展的今天，用现代信息技术改造 传统产业并大力倡导工业自动化，已经成为不可逆转的趋势。

21、但是，由于我国各区域 经济发展的不平衡，目前各城镇的供配水自动化水平差异较大，一些发达城镇的大型 水厂，其自动化程度很高，但是一些小城镇的水厂，尤其是落后地区的小型水厂，其 自动化程度较低，甚至是空白。虽然有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） 由于资金问题，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，但是存在安装难、维护难等问题， 若在使用过程中出现故障，经常无法修复，最终造成经济损失

22、； （3） 由于控制系统的监控以及通讯功能存在极大不足，系统无法真正有效地提高生 产效率； （4） 由于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，则应建立合理的供配水管网系统数 学模型。 因此，要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系统，这是未来的发展趋势。该综合系统包括企业生产过 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

23、其他系统建立的基础。近年来我国在供 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，最终让供水公司实现了 逐步投入资金建设 SCADA 系统的构想。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 3 1.3 本文研究的主要内容 本文将用七个章节来详细阐述供水管网 SCADA 系统的设计与实现，各章节内容如 下：

24、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、通讯系统、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

25、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 通讯系统的实现 本章主要介绍了 SCADA 系统中所采用的通讯介质、通讯方式、通讯协议以及不同 通讯系统构建方法。 第六章：供水管网 SCADA 系统远程终端单元的实现 本章主要介绍了 SCADA 系统需要远程采集和测量的信号数据以及控制命令等，并 简单介绍了系统所采用的检测仪表与电控设备。

26、 第七章 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。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 4 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 随着社会的进步，城镇人口逐渐增多，人民生活水平逐步提高，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。虽然，长期以来供水公司为保证有效供水， 已经研制出一套

27、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水。近年来， SCADA 系统在供水管网中得到广泛采用，相比其他的现代自动化化控制系统，它具有明 显优势。 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 的生产过程如图 2.1 所示。 水源取水净水输配水用户 图 2.1 自来水生产过程框图 由上图可知，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

28、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） 输配水过程：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，如图 2.2 所示。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 5 图 2.2 自来水生产流程图 在自来水生产过程中，以净水厂的生产工艺最为复杂，其工艺流程如图 2.3 所

29、示。 净水出厂原水 混凝沉淀过滤消毒 图 2.3 净水厂工艺流程框图 从上图中可知，净水工艺包括混凝、沉淀、过滤和消毒四个过程，而每个工艺过 程都会直接影响最终的水质，传统的人工管理方式只能够满足小规模的用水需求，但 随着城镇规模的迅速扩大和生产工艺日益复杂，传统的人工监控与调度方式已经难以 满足要求，若在自来水生产中引入 SCADA 系统，则可以大大提高生产效率，达到高效 利用水资源的目的。因此，在设计 SCADA 系统时应首先做好需求分析，确定系统建设 目标。本系统的建设目标是： （1）对自来水公司生产过程与日常对外服务过程中所产生的信息和数据进行科学 的整理，努力提高对供水管线的管理水平

30、； （2）要求系统能够存储全部管网图形和属性信息，并可随时更新，能方便对管网 信息进行双向查询，能对自来水爆管事故提出应急方案与工程意见； （3）探索利用系统对自来水漏水区进行预测，对水质污染源的查询提供线索在 此基础上逐步实现管网平差与自来水优化调度功能； （4）系统的建立力求达到用户受益、企业受益、职工受益的总体目标。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 6 2.1.1 供水公司的需求分析 本文以玉林市自来水公司城北水厂为研究对象，我们将根据该公司的预算资金及 需求，设计经济适用的供水管网 SCADA 系统，实现对整个供水系统的自动监控、预测、 管理

31、以及优化调度。 2.4SCADA 系统设计前，先了解该供水公司的制水工艺流程，玉林市城北水厂生产工艺 流程框图如图 2.4 所示。 2.4玉林市城北水厂生产工艺流程框图图 玉林市城北水厂制水工艺流程如图 2.5 所示。 2.5 玉林市城北水厂制水工艺流程图 从以上两幅流程图中，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： 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 7 （1） 取水过程：该过程是通过取水泵抽

32、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，并需 要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，并需要监控静态管事混合器和加氯机。 （3） 混凝沉淀过程：需要监控混合、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：需要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

33、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、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

34、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、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。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管

35、网 SCADA 系统的研究 8 （1）数据采集功能 根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，要求系统对自来水管网及各水厂能 够数据采集以下信息：合理分布在自来水管网上的测压信号（管网压力） ，各水厂泵的 运行参数、电源供电情况、耗电量、当前功率因素、水厂进/出水量、原水浊度、出厂 水浊度、余氯、PH 值等。 （2）数据传输功能 将现场采集到的数据，或直接或通过各生产调度分系统，实时地传递到生产调度 中心主系统。 （3）数据显示及分析功能 生产调度中心主系统将获得的个类信息及数据，经过分析、加工直观地、动画地 显示出来，供生产调度指挥人员使用。 （4）报警功能 系统可对各水厂机泵运行异常，如电压

36、、电流的不足或过载等，管网压力不足或 超限进行及时报警。 （5）历史数据的存储、检索、查询及分析功能 根据公司生产调度中心调度生产指挥，和检索、查询及分析历史数据的需求，系 统应具备实现历史数据的存储、检索、查询及分析功能。 （6）报表显示及打印功能 系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并可随时打印。 （7）遥控功能 根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，系统操作人员可在生产调度中心实 现对有关水泵实现开停遥控。 （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 本系统是在 GIS（城市供配水管网地理信息系统）基础上开发的，在该系统的设计

37、及建设当中，应满足以下原则： （1）可靠性原则 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 9 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

38、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”的思想及方法来构建该系统，从而保证系 统结构具有科学性和合理性。 （5）开放性原则 开放性原则指系统应具有强大的兼容性及拓展性，若开发系统软件时采用面向对 象技术和控件技术，今后能方便地重构和搭建系统，同时也便于系统不断地扩充和完 善。 （6）完备性原则 完备性原则指系统中的各种数据应是全面的、完整的，

39、且能够最大限度地满足系 统各项功能的需要。 （7）规范性原则 规范性原则指系统各项功能应符合供水公司供配水管网的管理要求，信息编码应 遵循行业标准、地方或国家颁布实施的规范。 （8）可操作性原则 可操作性原则指系统应有良好的用户界面，用户操作简便、易学易懂、灵活且符 合供水行业的实际工作模式。 （9）先进性原则 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 10 先进性原则体现在设计系统和硬件配置时，应充分考虑到系统今后的发展和升级， 让系统具备一定的扩展能力，尽量采用先进的应用系统技术。 2.1.4系统的开发步骤 本供水管网 SCADA 系统的开发将分可行性研究

40、分析阶段、初步设计阶段、详细设 计阶段、系统实施阶段、系统测试阶段、系统运行维护阶段六个步骤进行，开发系统 时不是完全按照这六个阶段的先后顺序直线进行的，而是发现一个环节出现问题或者 不足之处时，都要回到相应的阶段进行修改和完善。SCADA 系统设计与开发步骤流程如 图 2.6 所示。 图 2.6 SCADA 系统设计与开发步骤流程图 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 11 2.2 供水管网SCADA系统的架构设计 2.2.1 SCADA 系统的构成 在供水管网中引入 SCADA 系统可以实时有效地对供水过程进行监控与管理，本系 统结构如图 2.7 所

41、示。 图 2.7 SCADA 系统结构图 从上图中可知，SCADA 系统主要包含三部分：第一部分是主站系统（上位机） ，包 括管理层、数据存储分析层及 SCADA 监控层，负责监控现场控制系统；第二部分是现 场控制系统（下位机） ，负责采集相关数据（如管网水压情况等） ，以及对现场设备 （如水泵）的控制；第三个部分数据通信网络，负责主站网络系统内部的通信，现场 控制系统网络内部的通信，以及主站系统与现场控制系统之间的通信。虽然 SCADA 系 统的这三个组成部分功能不同，但是在 SCADA 系统中采用的“集中管理、分散控制” 的构思，保证了各系统能够独立运行，并具有较强的安全性。因此，这三者有

42、效的集 成构成了具有强大功能的 SCADA 系统，实现了对整个供水过程的有效监控。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 12 2.2.2 SCADA 系统的主站系统设计 SCADA 系统的主站系统一般包括硬件系统部分及软件系统部分。硬件系统包括由计 算机组成的工程师工作站、管理者工作站、操作员工作站、WEB 服务器、数据库系统、 通讯前置系统等。各部分的功能如下： （1） 工程师工作站：负责组态制作及系统的维护工作； （2） 生产调度工作站：负责进行生产调度管理，确保系统正常运行； （3） 监控工作站：负责监控整个生产过程，为生产调度中心提供现场信息，并

43、根据 调度指令控制现场设备； （4） WEB 服务器：提供网上信息浏览服务； （5） 数据库系统：保存历史数据、实时数据的服务器； （6） 通讯前置系统：主要用于解析各种不同的通讯协议，完成数据转发和处理，包 括计算机、MONDEN、串口、网络接口、防雷设备、机架等。 开发 SCADA 软件系统常用的系统平台及工具有：Windows、UNIX、Linux 操作系统 平台，Oracle、Sybase、SQL Server 数据库平台，VB、VC+开发语言。本 SCADA 软件 系统的开发基于 Windows 操作系统平台，采用 VB.net 进行前台开发，SOL Server 进行 后台数据维护

44、，可以实现预测及优化算法，并具有人机对话环境、精致的动态图形界 面。 SCADA 主站软件管理系统包括 8 个管理子系统，结构如图 2.8 所示。 图 2.8 SCADA 主站软件管理系统框图 （1） 地形图库管理子系统 地 形 图 库 管 理 子 系 统 管 网 数 据 库 管 理 子 系 统 管 网 数 据 管 理 子 系 统 管 网 报 警 管 理 子 系 统 管 网 事 故 处 理 子 系 统 管 网 维 护 管 理 子 系 统 管 网 通 讯 管 理 子 系 统 管 网 生 产 调 度 子 系 统 SCADA 主站软件管理系统 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SC

45、ADA 系统的研究 13 地形图库管理子系统主要负责开发 SCADA 系统的监控界面，开发人员可以利用该 系统建立地形图库，亦可将所需数据信息以图形、报表等直观方式呈现给管理人员， 以实现对当前系统的工作情况、生产调度情况的实时监控。在该系统中，管理人员有 权输入并编辑图形和数据信息，并可以检索、查询和比较相关数据信息，最终达到全 面了解和详细分析管网信息的目的。 （2） 管网数据库管理子系统 数据库管理子系统包含实时数据库系统、历史数据库系统和关系数据库系统。实 时数据库系统主要负责存储实时采集到的数据信息，以方便管理人员随时可以掌握实 时数据信息；历史数据库主要负责历史数据的存储、检索、查

46、询及分析工作，以帮助 管理人员了解及分析过去的工作情况；关系数据库主要负责建立相关数据信息之间的 关联关系。 （3） 管网数据管理子系统 数据管理子系统主要负责完成数据信息的采集、传输、显示、分析、打印等功能。 数据采集系统主要负责采集控制中心所需的数据信息，例如管网水压信息、水泵的运 行参数、能耗、进出水量、PH 值、余氯、浊度等；数据传输系统主要负责将采集到的 数据信息实时传送给控制中心，可采用有线或无线方式；数据处理系统主要负责将获 取到的各种数据信息进行分析以及加工，以形象、生动、直观的方式呈现给控制中心， 以帮助管理人员监控远程现场设备，管理人员也可根据需要可以将数据信息以图形或 报

47、表的方式打印存档。 （4） 管网报警子系统 报警子系统主要负责监控水泵运行情况及水压是否正常，若水泵电压、电流出现 不足或过载、水压不足或超限的情况，系统则会自动报警。 （5） 管网事故处理子系统 事故处理子系统包括火灾事故处理及爆管事故处理两个模块。在城市突发火灾情 况下，火灾事故处理模块帮助消防部门寻找到距离失火点最近且可用的消防栓。若供 水管网出现突发爆管漏水事故时，爆管事故处理模块能够根据爆管点制定出有效的处 理方案，排除故障。 （6） 管网维护子系统 管网维护子系统主要负责维护系统内软硬件的正常运行，以保证系统的正常工作。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCAD

48、A 系统的研究 14 （7） 管网通讯子系统 管网通信子系统负责将现场采集到的数据信息传输给控制中心服务器，供其他系 统使用。 （8） 管网生产调度子系统 生产调度子系统利用数学模型优化管网控制系统，合理调度各个水泵站的水泵组， 以达到科学有效调度水资源的目的，系统数学模型的建立一般基于历史数据。 2.2.3 SCADA 系统的现场控制系统设计 SCADA 系统的现场控制系统一般由现场监控站、PLC 控制分站及通讯网络三部分 所组成，该系统部分的设计包括以上三部分，PLC 控制分站在整个现场控制系统中起 到承上启下的作用，其性能将直接影响整个控制系统，其设计流程如图 2.9 所示。 图 2.9

49、 现场控制系统 PLC 控制分站设计流程框图 本系统的现场控制系统设计框图如图 2.10 所示。 广西大学工程硕士学位论文 基于 PLC 的供水管网 SCADA 系统的研究 15 如图 2.10 现场控制系统设计框图 在设计现场控制级时，必须考虑以下三个方面：一，保证系统的正常运行；二， 投入资金有效合理；三，在满足以上两个条件的前提下，应具有一定的前瞻性，今后 若生产工艺发生改变，PLC 控制分站应有一定的拓展空间，因此 PLC 控制分站的设置 以及选型非常重要。 2.2.4 SCADA 系统的通信系统设计 通信系统在 SCADA 系统中极为重要，它可以保证系统数据信息的实时可靠传输以 及控制命令的准确传达。一个大中型的 SCADA 系统一般包含多层次的通信网络，且通 信形式多种多样。对于本 SCADA 系统而言，应根据该供水公司的生产工艺流程以及