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摘要
本文以張家口電廠的水源地兩次遠(yuǎn)控改造為例，闡述SCADA在此領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r。
Based on the twice ?waterhead reconstruct of Zhangjiakou power plant ,this paper introduces the application and development? of SCADA in this area.
關(guān)鍵詞
SCADA APN RTU DTU
1.概述
張家口發(fā)電廠為北京最主力供電廠，全廠8臺(tái)300MW機(jī)組。其水源地一、二期工程共26口井，分別于1989年、2000年投入運(yùn)行，提供8臺(tái)機(jī)組發(fā)電用水及消防、生產(chǎn)和全廠職工生活等用水。水源地供水系統(tǒng)設(shè)備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)是直接關(guān)系到全廠安全發(fā)供電以及全廠職工生活保障的大問(wèn)題。能夠進(jìn)行可靠的啟停控制及各種參數(shù)的及時(shí)準(zhǔn)確反饋是確保供水設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。水源地井位啟停控制及電流反饋設(shè)備均是80年代初技術(shù)及產(chǎn)品，部分為電纜控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很多環(huán)節(jié)都存在著很多問(wèn)題。再加上設(shè)備本身質(zhì)量差、絕緣強(qiáng)度低，所以導(dǎo)致多次發(fā)生電氣事故，存在的主要問(wèn)題如下：
- 水源地各井位具有地理上分散、空間遠(yuǎn)距離，現(xiàn)有20口井位控制系統(tǒng)采用長(zhǎng)距離架空電纜遠(yuǎn)方控制，最長(zhǎng)的控制電纜約5.05公里，由于電纜距離長(zhǎng)加上風(fēng)吹日曬，控制電纜的老化狀況極為嚴(yán)重。由于電纜絕緣老化，以至于啟一臺(tái)泵，多臺(tái)水泵聯(lián)啟，停一臺(tái)泵多臺(tái)水泵聯(lián)掉。由于二次電纜線路沿途經(jīng)過(guò)的地面情況復(fù)雜，經(jīng)常遭受雷擊損壞，導(dǎo)致深井泵控制失靈。
- 目前由于控制電纜絕緣損壞嚴(yán)重，已經(jīng)沒(méi)有備用通道，重新敷設(shè)控制電纜費(fèi)用較高。而且現(xiàn)還有6口井不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制，需運(yùn)行人員到就地進(jìn)行啟停操作，故障時(shí)經(jīng)常造成越級(jí)跳閘，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。
- 掉泵及泵電機(jī)運(yùn)行出故障不知道，改造后提高了對(duì)此的響應(yīng)速度。
- 現(xiàn)對(duì)井位的各種運(yùn)行參數(shù)除電流外其他都無(wú)法監(jiān)視，設(shè)備改造后，將對(duì)井位電機(jī)電流、電壓、溫度、壓力以及流量等運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視。
- 中心泵房處機(jī)電設(shè)備（10KV段，380V段，各升壓泵出口電動(dòng)閥）尚無(wú)監(jiān)控，改造后此部分一起并入總的監(jiān)控系統(tǒng)。
- 廠區(qū)對(duì)水源地處設(shè)備運(yùn)行狀況了解方式傳統(tǒng)落后（通過(guò)電話詢(xún)問(wèn)方式），改造后廠區(qū)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)均可查詢(xún)水源地處設(shè)備運(yùn)行狀況。
2.改造方案
（１）簡(jiǎn)介
水源地井群監(jiān)控系統(tǒng)采用北京大唐興業(yè)國(guó)際控制技術(shù)有限公司的DT-MCS遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)為集傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的高科技遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠成功的解決人工遠(yuǎn)程啟動(dòng)停止水源井水泵的不便與危險(xiǎn)，同時(shí)大大地提高了測(cè)量精度，使運(yùn)行人員在中心泵房通過(guò)計(jì)算機(jī)可隨時(shí)直觀地監(jiān)視和控制水源地各井位泵運(yùn)行狀況。從根本上解決了運(yùn)行人員工作多年的問(wèn)題——掉泵不知道，變壓器被盜無(wú)報(bào)警；另外，通過(guò)水源地到生產(chǎn)廠區(qū)的光纖電纜的鋪設(shè)，可將水源地各井位運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)綇S區(qū)網(wǎng)控中心，網(wǎng)控人員視情況，通過(guò)權(quán)限的設(shè)置，可對(duì)水源地各井位進(jìn)行控制，提高水源井整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行管理水平。
（２）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)現(xiàn)功能
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
水源地中心泵房為本系統(tǒng)的控制中心，由工控機(jī)、系統(tǒng)監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備共同構(gòu)成中心主站，水源地各井位泵房為分站，中心泵房統(tǒng)領(lǐng)各分站，通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的通訊，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各井位泵的遠(yuǎn)程集中監(jiān)視和控制。
結(jié)構(gòu)示意圖：
2.系統(tǒng)工作原理
在水源地各個(gè)井位安裝一臺(tái)遠(yuǎn)方遙控箱，控制箱內(nèi)核心設(shè)備為RTU(Remote Terminal Unit)、DTU(Data Transmit Unit),RTU采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息， DTU將此信息從控制箱經(jīng)移動(dòng)公網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)，最終傳至泵房監(jiān)控服務(wù)器，服務(wù)器將獲得的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，分析，轉(zhuǎn)發(fā)，輸出等動(dòng)作。正常的系統(tǒng)操作在泵房的客戶(hù)端和網(wǎng)控的客戶(hù)端。
3.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)接入方式
數(shù)據(jù)中心部分的網(wǎng)絡(luò)接入方式的選取在整個(gè)無(wú)線超遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程中占尤為重要的一環(huán)，選好則將事半功倍。
1).一期的網(wǎng)絡(luò)接入方式（一期僅上了3個(gè)泵站）
針對(duì)一期無(wú)光纜接入計(jì)劃，而泵房又無(wú)直撥外線（接入直撥外線要由網(wǎng)通拉幾公里的電話線），經(jīng)協(xié)商我們采用了中國(guó)移動(dòng) GPRS APN 業(yè)務(wù)。如下圖
實(shí)際的物理鏈路簡(jiǎn)化為下圖
APN(Access Point Name)，即“接入點(diǎn)名稱(chēng)”，是用來(lái)標(biāo)識(shí)GPRS的業(yè)務(wù)種類(lèi)。本系統(tǒng)中每個(gè)無(wú)線設(shè)備均內(nèi)插一張APN無(wú)線上網(wǎng)卡，這樣每套含卡的設(shè)備在移動(dòng)公網(wǎng)內(nèi)均有一固定IP地址。因具有相同接入點(diǎn)名稱(chēng)的卡其IP在同一網(wǎng)段下，由此，數(shù)據(jù)中心對(duì)各下位站點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的串口透明訪問(wèn)了。
采用此方式后系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)中心有線網(wǎng)絡(luò)接不入的問(wèn)題，使水源地系統(tǒng)在中國(guó)移動(dòng)公網(wǎng)內(nèi)自成一個(gè)小型局域網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)自身出不去，外網(wǎng)進(jìn)不來(lái)，保證了系統(tǒng)的內(nèi)外隔絕，保證了數(shù)據(jù)的安全與系統(tǒng)的穩(wěn)定。
2).二期網(wǎng)絡(luò)接入方式
我廠水源地二期改造網(wǎng)絡(luò)接入方式為光纜接入。
光纜加固定IP保證了數(shù)據(jù)中心的帶寬，因加了硬件防火墻且屏蔽了無(wú)用端口，同樣保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全與穩(wěn)定。
4.現(xiàn)場(chǎng)硬件部分
本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)分為兩類(lèi)：遠(yuǎn)方各井位和中心泵房處
1).遠(yuǎn)方各井位
遠(yuǎn)方每口井位都放一遠(yuǎn)程控制箱,結(jié)合系統(tǒng)功能，其內(nèi)核心設(shè)備為RTU和DTU.
現(xiàn)場(chǎng)控制器RTU
現(xiàn)場(chǎng)控制器RTU是系統(tǒng)最核心的硬件，它的優(yōu)劣直接決定著系統(tǒng)品質(zhì)的高低。本系統(tǒng)所采用的RTU北京大唐控制產(chǎn)的DT-M104，它是一微機(jī)監(jiān)控、保護(hù)單元，是針對(duì)高低壓電力監(jiān)控保護(hù)、配網(wǎng)監(jiān)控保護(hù)、用電監(jiān)控保護(hù)；化工、油田集轉(zhuǎn)油站、水源井、揚(yáng)水泵站遠(yuǎn)程控制等存在眾多三相用電的場(chǎng)合而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一種專(zhuān)門(mén)適用于三相交流電監(jiān)控、保護(hù)的測(cè)控、保護(hù)單元。
DT-M104功能特點(diǎn)
＊三表法測(cè)量準(zhǔn)確測(cè)量三相交流電壓、電流、有功、無(wú)功、頻率、功率因數(shù)、零序電流、零序電壓等電參量，快速數(shù)據(jù)刷新速度100次/S。測(cè)量數(shù)據(jù)刷新25次/S,也可以接成兩表法使用，兩表法下無(wú)法進(jìn)行負(fù)序保護(hù) 。
＊具有4路獨(dú)立的開(kāi)關(guān)量輸出，可以作為遙控、跳閘或者告警。
＊6路開(kāi)關(guān)量輸入，也可以作為脈沖量輸入。
＊4路隔離直流采樣,可以接各種變送器；
＊2路RS232/RS485通信接口，支持MODBUS規(guī)約。
＊FFT算法，可計(jì)算1－7次諧波。
＊三相異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)電流保護(hù)、不平衡（負(fù)序過(guò)流）保護(hù)、接地（零序過(guò)流）保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、反時(shí)限過(guò)負(fù)荷（熱過(guò)載）保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、故障范圍判別等。
＊線路三段過(guò)流速斷保護(hù)，反時(shí)限速斷保護(hù)，自動(dòng)重合閘可以通過(guò)正序和負(fù)序電流的計(jì)算，了解當(dāng)前電動(dòng)機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，防止電網(wǎng)事故導(dǎo)致相序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的電動(dòng)機(jī)燒毀。
2).數(shù)據(jù)通信設(shè)備GPRS DTU
系統(tǒng)DTU選擇為北京計(jì)算中心的MD600G,它是一款超高性能、超穩(wěn)定、適用于在氣候條件惡劣的地區(qū)使用、配備完善本地和遠(yuǎn)程調(diào)試功能的GPRS DTU產(chǎn)品。提供單獨(dú)的RS232配置/本地調(diào)試串口及標(biāo)準(zhǔn)RS232/485數(shù)據(jù)接口，與用戶(hù)設(shè)備即插即用；硬件設(shè)計(jì)符合電工電子產(chǎn)品低溫GB/T2423.1、高溫GB/T2423.2的要求，MD600G可以快速連接RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)串口到Internet遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)透明傳輸。
DTU具體的配置工作如下：
a.配置接入點(diǎn)名稱(chēng)(APN方式)
b.配置數(shù)據(jù)中心
c.配置數(shù)據(jù)中心端口
d.配置傳輸協(xié)議
e.配置串口相關(guān)信息（波特率，起始停止位數(shù)，校驗(yàn)位，流控等）
3）井位硬件回路配合
泵主回路示意圖
2)泵控制回路
現(xiàn)場(chǎng)控制器RTU數(shù)字輸出端子接井位就地控制柜內(nèi)控制回路（繼電器常開(kāi)點(diǎn)并聯(lián)在就地控制柜內(nèi)啟動(dòng)按鈕上，繼電器常閉點(diǎn)串聯(lián)在就地控制柜內(nèi)停止按鈕上——保證原系統(tǒng)功能不受影響），控制器模擬輸入接三相電壓、三相電流，泵溫度、等相關(guān)信號(hào)參量，由無(wú)線收發(fā)設(shè)備通過(guò)中國(guó)移動(dòng)無(wú)線公網(wǎng)將采集井位信息傳至中心泵房控制中心主站。
5.中心泵房處機(jī)電設(shè)備監(jiān)控
中心泵房處有10KV段，380V段，蓄水池2個(gè)，升壓泵6臺(tái)，電動(dòng)門(mén)，聯(lián)絡(luò)門(mén)若干，監(jiān)控參量包括電壓，電流，流量，壓力，液位，設(shè)備的啟停，故障等。
設(shè)備選型
結(jié)合本部分的功能需求，系統(tǒng)最終選擇了北京易控微網(wǎng)的不同側(cè)重的RTU(均有232口和485口),具體如下：
STC101：8DI,8DO,8AI
STC101：16DI
STC102：16DO
STC103：16AI
STC201：3U,3AI,3DO,6DI
380V段電壓電流及開(kāi)關(guān)狀態(tài)的接入： STC201， STC102， STC103
10KV電壓及開(kāi)關(guān)量的接入： STC201(3U,3I,3DO,6DI)
電動(dòng)門(mén)，聯(lián)絡(luò)門(mén)： STC101， STC102
壓力流量液位等4——20mA接入： STC-1
現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)RTU通過(guò)485總線設(shè)備相連，共同經(jīng)過(guò)485/232轉(zhuǎn)換器A53連至監(jiān)控服務(wù)器串口。
6.系統(tǒng)軟件：
本系統(tǒng)軟件分為兩部分：數(shù)據(jù)接口軟件和組態(tài)軟件。
數(shù)據(jù)接口軟件
數(shù)據(jù)接口軟件名稱(chēng)為Mserver（廠家提供）,其功能為一軟協(xié)議轉(zhuǎn)換器。通過(guò)對(duì)其的配置，使它映射出對(duì)應(yīng)下位子站的虛擬串口。它接收有線網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議信息，將其轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)控箱內(nèi)RTU發(fā)出的原本格式及信息。這樣組態(tài)軟件通過(guò)其虛擬的這些串口，經(jīng)由物理介質(zhì)可透明和遠(yuǎn)方各泵站控制箱相連接。
組態(tài)軟件
本系統(tǒng)選用工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件——力控V6.0
力控6.0產(chǎn)品在數(shù)據(jù)處理性能、容錯(cuò)能力、界面容器、報(bào)表等方面，具有方便、靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它提供的各種工程、畫(huà)面模板、可嵌入各種格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的圖片，方便了畫(huà)面制作，大大降低了組態(tài)開(kāi)發(fā)的工作量。另外，高性能實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，強(qiáng)大的分布式報(bào)警、事件處理，支持報(bào)警、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲(chǔ)，恢復(fù)功能，全新的、靈活的報(bào)表設(shè)計(jì)工具，豐富的報(bào)表操作函數(shù)集、支持復(fù)雜腳本控制，支持通過(guò)移動(dòng)GPRS、CDMA網(wǎng)絡(luò)與控制設(shè)備或其它遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)通訊，支持控制設(shè)備冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控服務(wù)器冗余、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控客戶(hù)端冗余等功能，使得系統(tǒng)整合起來(lái)尤為輕松自如。
3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
1).電氣參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視
實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的各個(gè)井位的狀態(tài)及具體參數(shù)，包括：泵的狀態(tài)啟停、運(yùn)行、故障、3相電流、3相電壓、3相功率、總功率、功率因數(shù)、頻率。
2).泵實(shí)際運(yùn)行效果監(jiān)視
實(shí)時(shí)監(jiān)視泵的出口壓力，母管流量，以及深井泵電機(jī)的實(shí)際溫度。
3).井位地理信息功能
系統(tǒng)總界面按每個(gè)泵站實(shí)際方位成比例顯示，使操作者對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及當(dāng)前運(yùn)行狀況一目了然。
4).調(diào)配控制功能
在中心泵房通過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用界面遠(yuǎn)程控制泵電機(jī)的工作狀態(tài)（啟、停）。泵的保護(hù)功能，三相異步電動(dòng)機(jī)的反時(shí)限過(guò)負(fù)荷（熱過(guò)載）保護(hù)、不平衡（負(fù)序過(guò)流）保護(hù)、啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、接地（零序過(guò)流）保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)。
5).歷史紀(jì)錄功能
a.將系統(tǒng)的必要狀態(tài)（啟、停、故障報(bào)警等）進(jìn)行記錄，運(yùn)行人員可查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)。
b.對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)線路故障（超載、堵轉(zhuǎn)、缺相、欠載等）或泵溫度等參數(shù)超標(biāo)報(bào)警并顯示、記錄到位,可設(shè)置、更改運(yùn)行參數(shù)功能，可輸出聲光報(bào)警。
6).報(bào)表功能
按水源地的運(yùn)行需求，系統(tǒng)自動(dòng)生成管理所需要的各種報(bào)表，可將報(bào)表進(jìn)行打印并具有報(bào)表轉(zhuǎn)發(fā)功能。
7).軟件的用戶(hù)管理
a.添加刪除用戶(hù)
b.修改注冊(cè)用戶(hù)的信息和權(quán)限。
8)冬季配電箱具有空調(diào)自動(dòng)加熱功能
本功能確保了現(xiàn)場(chǎng)控制箱電子元器件在嚴(yán)冬的穩(wěn)定運(yùn)行（-10℃加熱，-5℃停止加熱）從而保證了整個(gè)系統(tǒng)在惡劣條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。
9）井位供電系統(tǒng)異常報(bào)警
井位變壓器被盜屬于供電系統(tǒng)異常范疇，由此當(dāng)井位變壓器被盜時(shí)，系統(tǒng)可輸出聲光報(bào)警。
10）其它功能
本系統(tǒng)軟件具備多種標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，通過(guò)光纖電纜可將監(jiān)視及控制功能傳輸?shù)綇S區(qū)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)監(jiān)視及控制功能。
4.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用
目前通訊車(chē)間與張家口移動(dòng)通信了解網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)用，由于系統(tǒng)通信鏈路使用GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信令通道，不占用系統(tǒng)話路資源，系統(tǒng)運(yùn)行的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)較為低廉，其標(biāo)準(zhǔn)費(fèi)用為：
水源地各井位（26口井）采用50M/20元， 水源地各井位（26口井）全部實(shí)現(xiàn)集中控制后，每月支付中國(guó)移動(dòng)公司720元，全年共需要支付8640元網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。
5.結(jié)語(yǔ)
本水源地SCADA系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái)（一期：2007年1月，二期：2007年10月）,運(yùn)行狀況一直穩(wěn)定良好，控制功能很好的滿(mǎn)足了實(shí)際生產(chǎn)生活的需要，降低了原有的操作難度和成本，提高了本部門(mén)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少了勞動(dòng)力數(shù)量和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，為我廠外圍附控的自動(dòng)化和信息化建設(shè)開(kāi)了先河。
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