邯郸市供水远程管控系统的构建与分析
第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景与研究意义
1.1.1 研究背景
淡水资源是十分珍贵的自然资源，是不可或缺且无可替代的天然产物。如果没有水，人类就失去了赖以生存的物质基础。近年随着经济的高速发展，水资源短缺问题日益彰显，成为当今亟待解决的现实问题之一。据关于权威机构预测，在九十年代初期，世界人均淡水拥有量是 7800m3，到 2025 年时世界人均淡水拥有量将会降低至 4800m3，约减少了 3000 吨。另外淡水资源的短缺存在区域性缺水的特点。在非洲、东南亚以及中东的很多国家，水资源十分匮乏，有些地方甚至连基本的饮用水都无法保障，解决水资源短缺问题已经成为全球所面临的一大难题。联合国环境与发展会议在里约热内卢召开时曾指出：水不仅是维持地球所有生命所必需，而且对所有经济问题都有重要意义[1]。
近几年来，我国城市化进程飞速发展，大量农村和乡镇人口迁移到城市来，使得部分城市的用水需求量大幅度提高，造成城市用水高峰期供水不足的现状。因此在市区我们不得不限水限时供应。另外随着社会发展，工业、农业、制造业对淡水资源也造成不同程度的污染，使城市供水的矛盾进一步加剧。城市供水目前所面临的现状是：一方面，随着生活水平的提高，人们对供水的质量提出了更高的要求，这也就要求我们的城市供水系统不断优化产品、改进工艺、完善设施[2]；另一方面，70%~80%的城市供水设备陈旧，大量供水管网老化。同时，传统水厂的工艺和质量也已经无法满足当今社会人们对供水系统稳定及安全性的要求。综上所述，城市供水系统亟须采用先进的技术和管理模式提高城市供水质量，以满足当今城市发展的需要。
增压泵房是为解决由于压力不足，无法到达用户用水的高度或流量，而专门研发设计的加压泵房，主要采用管道以及相应的辅助设施，按需求有计划、有目的输送到人们需要用水的地点。如何实现各个加压泵房与自来水调度中心的远程监控是我们要解决的问题。在我国有的城市是通过传统的电台传输数据，由于电波的不稳定因素容易受到地理环境影响，例如高山、森林、河流、盆地等自然环境会使通信质量变差，无法得到正确有效的数据资料。某些城市供水监控调度系统的硬件设施和软件技术相对滞后，甚至还是上世纪 90 年代的电脑和软件，并从未进行过更新升级，系统的瘫痪的问题也时有发生；有的城市供水监控系统的智能化程度较低，平时的操作指令完全是由人工手动下发，在紧急情况下不能及时处理响应，就会带来一定的隐患，甚至部分地区停水停电，不能完成监控供水与科学调度的任务。同时，还有一些城市供水公司，对于如何进行供水设施之间的通信、如何处理故障、如何诊断现实问题等方面都不甚了解，各种工艺技术也比较落后无法达到国内平均水平。这就要求我们研发一种新型供水系统，使其具有远程通信、测试、控制、故障诊断的功能。
现代的新型供水系统是一项先进的科学技术，包含多学科、多专业的交叉与融合。新型供水系统可以实时检测自来水厂的供水设备的工作运行情况。当供水设备发生故障报警时，系统可以立即检测出来，然后由系统管理员进行人工干预或者由计算机程序自动预判处理，这样保证了各个供水设备的正常运转，最终保证了厂内或临时基站中各个供水设备的工作现实稳定，达到用户满意的用水标准。
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1.2 研究综述
1.2.1 远程供水监控系统的研究现状
远程供水监控系统在国外很早就有研究展开， 1960 年时，美国及欧洲许多国家通过对水厂管道压力以及流量等参数的实时监控，实现对城市供水的管控，带来了很大的经济效益，因此与远程监控相关的科学技术也得到了迅速地发展。在欧美各国的许多水厂实现了供水系统的全面自动化，对生产工艺的每个环节实现实时监测、调节、记录和报警。该技术的引进也给他们节约了人工成本，降低了水厂的生产成本，增加了经济效益。
我国供水监控系统起步相对较晚，1980 年以前，供水公司基本采用人工抄表记录、电话报数等手段来实现监管城市供水管网输送现实。采用这些落后的方法会导致处理信息不及时致使信息延迟，对爆管漏水等突发事件的处理就不准确、不及时，有些地方漏水三天三夜都没有人发现，这造成淡水资源的白白浪费，给供水公司和人们都带来了不少损失。到了 80 年代中期，也是供水系统改革的中期，监控系统可以通过网络和各终端检测点进行数据通讯，系统会自动将各检测点收集到的数据信息制成数据报表、绘制出实时曲线发送给信息监控人员。在这个阶段供水系统仅仅是收集供水数据，但对设备的参数及运行情况还无法采集，达不到全方位监控。20 世纪 90 年代后，信息自动化的发展，使得供水监控系统也迎来了大的飞跃，它也最终实现了远程操作、全面立体化的监控。随着无线技术的迅猛发展，系统将无线与有线模式以及 PLC 技术应用在自动化系统中，使城市供水系统实现了远程监控。
许多研究学者针对供水系统的发展和改进提出了不同的见解，吴肖甫在对 PID控制算法进一步改进的基础上提出了水泵轮流变频、分级控制策略[5]，大大提高了控制准度和精度，改善供水的品质。李顺将模糊控制应用到变频调节电机转速上，对供水系统的可靠行进行了大幅度的改善[36]。孙晓松采用 C/S 与 B/S 相结合的系统人机界面作为供水系统监控的操作界面[6]，使人机交互变得简便；王德毓提出了基于 Inter 的 MGIS 系统[37]。崔福义，李圭白在 2001 年全国水处理自动化控制学术研究年会上提出，建立基于 GIS 和 SCADA 系统集成的供水管网调度系统并给出系统原型[8]。由于 GIS 具有的捕获以及管理空间数据的能力，因此建立了一种基于空间数据的分析模型。为了增加模型的准确性和实时性，将 SCADA 系统实时数据调入模型中。GIS 图形显示功能加强了模型的可视化分析能力。包胜华等采用先进的 Cited 监控软件，将系统工程应用到研究中，开发了基于区域性供水工程的计算机远程管理与监控系统[7]。
经过对上述国内外水厂监管方式和新型管理模式的研究，对新形势下供水管理系统发展趋势的探讨，发现以计算机远程监测和控制，数据库管理监控数据为基础集散自动控制的新型供水系统将是未来供水系统发展的方向。
1.2.2 存在问题
当前我国部分大型水厂，逐渐从国外引进先进的监控设备和技术。这些举措在一定程度上加速了我国供水工业的发展，并取得了一定成果。然而，我国的大部分水厂还是以人工为主，其远程监管水平比较落后。而且部分引进国外设备的水厂，采取了照搬的方法，其管理模式也和国外一样，虽然采用了庞大的自动化系统，设备技术都比较先进，但其中还存在一些问题：
(1)由于通信方案没有根据项目的实际需求制定，国内普遍存在监控中心计算机与供水现场设备之间无法高效、实时的通信，从而致使整个供水监控系统的优化程度、自动化程度大幅下降。
(2)不能有效准确的完成管网故障诊断任务，同时供水设备的远程故障诊断技术以及压力和流量的控制策略还处于探索阶段。
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第 2 章 远程数据通信设计
2.1 系统的通信设计原则
(1)标准化设计要求：
①管理和维护标准化:泵房设计尽量选用同厂家同批次的设备，尽量保持设备间通讯接口一致。
②设备及控制信息标准化：系统参数、控制对象、监测对象等方面统一标准。
③软件及通讯标准化：现场监控软件、人机界面、数据库结构、通讯协议等方面统一标准。
(2)设计的原则与策略
①设计为现场总线技术标准;。确保系统分布式控制、集中化管理的要求；结合工程实际，在系统组件硬件及软件选择方面，尽量选择开放性好、标准程度高、后期系统维护成本较低的系列化产品。
②监控系统中组态活动的相互协调由一个关系数据库来完成。数据库中数据要实现自动采集自动填充，组网方案要在分散的各个节点上实现。
③DCS 系统产品适用于控制量为连续变化的过程控制中。控制算法复杂度越高，DCS 系统的优化处理效果越明显。邯郸市远程监控系统并未用到复杂的控制算法，控制量为非连续性的数据，总体来说系统并不复杂。如果采用 DCS 系统是可以实现系统远程监控的目的的。但是，和 PLC 与工控机组合的系统相比，前者价格昂贵，实施起来过程负责。故本系统控制中心站采用组态软件和工控机结合的系统，现场控制站采用 PLC 的光纤以太网传输。
基于以上的设计原则，邯郸市远程监控系统，采用基于 FameView 组态软件的工控机实现对现场 PLC 的远程通信。通信网络以光纤以太网为主，GPRS 无线传输及 3G 无线视频传输方式为辅。
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2.2 远程数据无线通信技术分析
远程数据通信主要分为有线通信和无线通信两种方式。无线通信中主要包括短波通信、中波通信、长波通信、GSM、CDMA/GPRS 及 3G 等。常用的 GSM 技术是我国使用范围最广的一种通信方式，但其传输数据量较小且实时性较差，限制了 GSM 技术在实时控制方面的发展。GPRS 是在 GMS 上发展出来的一种通信技术，GPRS 的网络只在需要的时候进行分配工作，不需要是及时释放，通常适用于频繁的、突发的、间断性的和少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据的传输[9-11]；3G 数据传输速度较快，在泵房内传输速度平均为 2.4mb/s ，泵房外移动通信平均速率为 350b/s。其能充分的利用频段、网络通信稳定性较强，并且与有线网络可实现兼容，通常应用于连续的、大量数据无线传输的场合。
2.2.1 GPRS 通信技术
GPRS(General Pacet Radio Service)是一种基于 GSM 系统发展而来的分组数据承载业务。GPRS 融合了移动通信和数据通信两大技术的优点，从而提高了对无线通信资源的利用。由于 GPRS 是一种分组交换技术，因此，GPRS 特别适用于间断、突发或频繁、少量的数据传输以及偶尔的大数据量传输[38]。GPRS 有以下特点：
(1)永远在线：只要建立了 GPRS 连接那么设备终端就会一直保持在线，保证实时传输数据。
(2)按数据流量计费：由于 GPRS 的联网方式在没有数据传输的情况下即使保持在线也不会产生费用，只需要向运营商支付数据流量费即可。
(3)高速的数据传输速率：GPRS 的传输速率在不同环境下的传输速率比较稳定，即便是恶劣环境都可以保持可用的数据传输速率。
(4)方便、快捷的组网：可通过专门的移动网络接入 Inter，不需要重新架设网络，组网灵活，网络维护方便。
(5)防雷击：由于 GPRS 的发射功率较小，在防雷击方面就有很大的优势，不会因为数据传输导致雷击，损坏设备。在供水系统中，对于在室外的供水监控系统尤其重要，具有一定的安全性。
水厂生产最重要的就是供水管网，而由于供水管网分布在整个城市中，所遇到的环境也是多种多样的，因此在数据的采集过程中系统采用无线通信方式。由 2.3远程通信技术的介绍可知，GPRS 网络特点是需要时间分配，不需要时间进行释放的，适用于频繁的、突发的、间断性的和少量的数据传输。这一特性比较适宜城市供水监控系统中分散于市区的各个管网测压点的数据传输要求。结合邯郸市原管网测压点也是采取 GPRS 网络进行远程通信，对其改造成本比较低而且采用GPRS 网络传输管网压力数据效果很好，能满足系统要求。故供水管网采用 GPRS无线网络传输信号。
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第 3 章 城市供水远程监控系统的网络设计与实现.................................................. 16
3.1 系统的需求分析 ................................................................. 16
3.2 工业以太网在工业领域应用技术 ........................................................ 17
3.2.1 以太网产生和发展 ................................................. 17
3.2.2 工业控制中的以太网应用 ............................................... 18
3.2.3 光纤以太网 ................................................. 19
3.3 系统的总体结构设计 ........................................................ 20
3.4 远程数据采集与监控系统的实现 .................................................................. 21
3.4.1 邯郸市自来水厂信息调度中心以太网实现 ........................................ 22
3.4.2 两水厂监控子网实现 ............................................ 23
3.4.3 管网测压点的 GPRS 无线通信设计 .................................................... 24
3.5 远程视频监控系统设计 .......................................................... 24
3.6 恒压变频控制的 PID 优化........................................................... 26
3.6.1 基于遗传算法的 PID 控制......................................................... 26
3.6.2 改进的遗传算法优化 PID 控制器参数................................................. 28
3.6.3 计算机仿真 .......................................................... 31
3.7 本章小结 .............................................................. 32
第 4 章 城市供水远程监控系统的软件实现
邯郸市远程监控系统平台选用 FameView 组态软件。该软件运行在公司信息调度中心的服务器上。操作人员可通过 IE 浏览器访问组态软件的画面和数据。登陆各自账号，在权限内实现远程监控供水系统的部分环节。
4.1 远程监控系统的功能需求
邯郸市自来水公司下辖有邯郸市马头自来水厂和邯郸市铁西水厂。公司具有30 万立方米/日的供水能力。其中，邯郸市马头水厂建设规模日处理净水 10 万立方米。邯郸市铁西水厂是一座现代化水厂，占地面积 90 亩，总供水能力达到 20万立方米/日。
邯郸市供水远程监控系统从系统功能上划分的话，其主要系统由邯郸市马头自来水厂子系统、邯郸市铁西自来水厂子系统、分布在邯郸市区 100 多处的管网压力子系统及视频监控子系统组成。
(1)马头和铁西自来水厂数据采集子系统，按其功能可分为取水分站、加药站、过滤池和供水泵房。其中取水分站主要负责从水源取水和排污；加药分站负责混凝、反应、沉淀及消毒；过滤池负责过滤；供水泵房负责加压送水。如图 3-3 所示，水厂子系统的现场数据有：
①模拟量。供水管道的出水压力、流量值、浊度值、PH 值、水位值和余氯值等。
②脉冲数字量。公司信息调度中心要通过与 PLC 通信，实现对变频器的调节，进而远程控制水泵机组的供水频率。
③开关量的采集与处理。公司信息调度中心采集的开关量包括，水泵机组的开启/关闭现实、设备的故障信号以及系统控制方式信号等。
(2)输水管网测压子系统。该子系统由分布于邯郸市区的 100 多处输水管网的测试点组成。其通过 GPRS 无线传输，将输水管测试点的压力值、余氯值、PH 值和流量值远程传输给公司信息调度中心。
(3)视频监控子系统。该系统的中心平台选用深圳宏电自主研发的 iscan 视频监控平台。iscan 视频监控平台是基于 3G 无线网络的视频监控平台。在水厂泵房里将 H3201（3G 视频服务器需安装，有 3G 服务 SIM 卡及 SD 卡）通过串口与高速球形摄像机相连。然后借助移动运营商的 3G 网络将现场的视频传给远程监控中心。
(4)信息调度中心监控平台设计包括三部分。首先是基于 FameView 组态软件的工业计算机监控平台的搭建；其次是 FameView 与数据库 SQL Server 数据通信设计；最后系统监控组态界面化设计。
①基于 FameView 组态软件的工业计算机监控平台的搭建。平台搭建要考虑两方面。一方面是监控计算机的选用。邯郸市监控系统平台要实现对水厂现场供水情况的远程监控目的要求，因此要求计算机能够适应极端的工业控制环境。结合以上两点，邯郸市监控计算机选用能够抗电磁干扰、抗震动，适应高温度、高湿度的华研工控机 IPC610H；另一方面，FameView 组态软件是北京杰控公司开发的一款工业远程监控系统软件。以 WindowNT、Windows2000 为平台，通过 ODBC接口与数据服务器相连。软件的功能：一方面实现对现场数据处理、汇总并以图形化的方式展现给用户；另一方面通过发送控制指令，以实现对现场设备及运行参数的远程控制。系统能及时将报警信号呈现出来，如图 4-1 所示。并作相应的自动化控制。
②FameView 与数据库 SQL Server 数据通信设计。公司信息调度中心设有一台数据服务器，本系统采用 SQL Server 数据库。水厂现场终端设备以 TCP/IP 网络协议，将采集到的各个关键数据写入到 SQL Server 数据库，以便于客户端通过应用程序来访问数据。
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总结与展望
邯郸市供水远程监控系统是一个综合化的信息监控平台。将供水过程中的取水分站、加药分站、过滤池、送水泵房及管网测压点等重要供水单元纳入到了监控网络中。该系统以实现生产过程可视化、关键数据共享化和重点场所监控化为原准则。设计了邯郸市供水远程监控系统。本文主要完成以下工作：
(1)首先通过对远程数据通信技术分析比较，结合邯郸市供水监控系统的需求分析，设计了一种以光纤以太网为主，GPRS 和 3G 无线通信方式为辅的远程数据通信网络结构。
(2)结合项目的实际情况，分别设计了信息调度中心、两水厂监控子网、管网测压点及视频监控，四部分的详细通信方案。
(3)依据项目的需求分析，结合关系数据库原理，用 E-R 建模方法，设计了供水远程监控系统的关系数据库模型。(4)对 FameView 组态软件进行二次开发，设计了图形界面的人机操作模式，实现了远程监控现场设备和远程查看视频的功能。
城市供水远程监控系统从系统功能上划分的话，其主要系统由远程数据采集与监控系统和远程视频监控系统两部分组成。马头水厂监控子网、铁西水厂监控子网、各个管网测压点和信息管理中心局域网，共同构成了邯郸市自来水公司的远程数据采集与监控系统。其中信息管理中心对整个供水系统的进行远程监控。两个水厂的局域网通过光纤组成一个工业以太网，PLC 控制器、监控计算机等设备以 TCP/IP 协议实现监控子站和信息管理中心的数据采集与共享。
当然，本文对城市供水远程监控系统的设计存在一定的不足。由于影响数据传输的因素众多且负责。系统设计也存在问题，主要归纳如下：
(1)随着城市高层建筑的快速增加，高层住宅用户的供水量加大，现有的城市水网压力值随之改变，下一步研究需根据城市水网供水的变化趋势，研究具有二次加压供水系统的恒压供水的压力设置方法。
(2)无线通讯网络还不太稳定，数据传输速度比较慢。在优化网络设置及提高数据访问速度方面仍需要改进。
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参考文献（略）