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摘要：由于城市排水系统分布广泛，有的甚至在地下，给管理带来极大的困难，所以需要建设一套满足管理要求，性能稳定、运行可靠的管网自动化监测系统。为此，本文详细介绍了城市管网监测SCADA系统的设计，以供参考。
关键词：排水系统；在线监测系统；设计
城市排水系统分布广泛，有的甚至在地下，给管理带来极大的困难，为了改变这种局面，提升管理水平，需要建设一套满足管理要求，性能稳定、运行可靠的管网自动化监测系统。因此在plc（可编程逻辑控制器）技术的基础上，结合计算机技术、远程通信技术及网络技术，建立起了城市管网监测SCADA系统。SCADA系统能够有效监测和管理城市污水排放及排污管网情况，为管理部门提供决策资料，起到污水排放监督，保护城市环境的作用。
采用目前成熟、先进技术，建成的系统应满足：先进性、可靠性及技术通用性，经济性及可扩展性，可维护性，信息采集及时性、准确性及提高管网管理水平。
电力线载波的优点是无需另铺专用通信线路，缺点是干扰较大，通信跟踪较短；RS-485现场总线的优点是通信效率高、可靠性好等，缺点是铺设大容量系统专用线路的成本过高；公共交换电话网络虽然前期投入少，可以实现无盲区覆盖，但是长期的运营费过高， G/GPRS移动电话网也具有相同的特点；
I频段的扩频电台（2.4GHz）及微波（4GHz以上）的优点是传输距离远，传输性能高，缺点是昂贵。超短波无线电台的优点是传输距离远，便于系统使用及站点扩展，对大容量分散式SCADA系统，其性格比较高，只需维护费用而无运营费用，但初期投入较高。
由此可见，两类通信方式各有优缺点，其中有线通信具有可靠性高的优点，但是用于辅设分散RTU专用线路的造价过高；当铺设大容量SCADA系统时，无线通信具有明显优势。
因此，在城市排水管网的在线监测系统建设中，SCADA系统的通信方式采用G/GPRS，同时考虑PSTN备用接口组成在线管网及水质监测网络系统。
图1 SCADA系统组网结构图
（1）管理中心网络：管理中心网络采用100M/10M自适应以太网。
（2）管理中心组成和功能
SCADA系统的管理中心主要由主控机、副控机、数据库怎么写作器、打印机、通信前置机（2台互为热备）、工程师站、Modem池及网络交换机等组成。
管理中心主要功能如下：
a)动态显示SCADA系统中每一个RTU在排污管网中所处位置及该站点的工作状态和实时参数。
b）定时巡检/定点检测RTU，并获取RTU返回的运行状态、数据参数（污水COD、SS值及流量等）及报警码，并向监测现场RTU发送控制命令，从而控制监测现场电动闸门，实现对闸门的关闭或开启，保证合乎排放指标的污水才能排入截流干管。
c）在巡检过程中，若发现故障或参数越限，可进行声光报警，并可动态显示该站点相应的工况、实测数据及故障形式。
d）可将有关通知及报警信息通过务器在Internet网上发布，以警示有关单位做限期维护。
e）数据处理、存储及报表打印功能。
当系统的通讯方式采用GPRS无线方式时，对移动的APN进行访问时，只需通过现场RTU内置的GPRS模块，移动公司通过GPRS网络在设计监测现场RTU和管理中心RTU前置机之间建立通信链路，采用ModNet通信协议，使现场RTU随时随地与管理中心建立通信连接。
公共交换电话网络电话拨号接入方式作为备用通道在GPRS拨号不成功的情况下，控制中心的前置RTU通过外置Modem直接拨入监测现场的RTU，读取采集到的水质数据。
所有监测点RTU站均具有2条不同媒质的通信通道：G/GPRS或PSTN；所有站点的不同通信介质可实时切换，互为备份，保证系统通信的安全性、可靠性及实时性。主站对冗余通信信道的切换起控制作用，从站进行回答时需依据主站的询问。通信的主动权由主站掌握，为减少通信量、提高通信速度，从站采用逢变则报的方法进行回答。平时，主站用轮询方式采集数据。当主站需要下发控制命令时，中断当前轮询过程，直接下发控制命令。因此，控制命令下发时间仅以毫秒计。
8、监测现场RTU、监测仪表的安装及电源，
a）RTU的现场安装
采用标准的壁挂式机箱或立式机柜，RTU内部集成标准的端子接口模块，软硬件高度集成，标准化设计，使安装与维护都很方便。
b）RTU的电源：根据现场情况就近取电，采用电缆穿管敷设引入。
c）防雷措施
系统设备必须考虑充分安全、可靠的防雷措施。设备处于防雷保护范围内的点须防感应雷，在没有防雷保护装置的点采取避雷针方式防雷。
原则上，电源的末端、信号两端必须考虑防雷措施。
9、编程软件
a）SCADA系统软件
基于全开放式结构，提供最大的灵活性、可靠性和伸缩性以及快速安装和易于管理的性能并已成功应用于大量的工程项目中，具备：
①可伸缩性结构：系统采用客户/怎么写作器体系结构，其扩展相当随意灵活，而且方便；
②开放性：内置近多种协议，支持各种I/O设备；采用标准的NetBIOS网络通讯。可采用多种连网方式，如双绞线、同轴电缆、光缆等。
③软件设计、系统组态、实时采样等均采用模块化设计，在不影响操作的情况下，允许全部或部分应用程序进行修改；支持ODBC、OPC、API、DDE等标准数据交换方式及ActiveX控件；
④冗余功能：支持I/O通讯冗余、I/O设备冗余、怎么写作器冗余、及LAN冗余；
⑤分布式数据库：由于任何计算机都可访问任何I/O怎么写作器的数据，故能集中或分散的对报警、趋势、报表进行处理。可实现1＋N冗余，负荷自动均衡，无扰切换；同时支持多种关系型数据，包括Oracle、SQLServer、dBASE等；
⑥为防止越权操作，保护系统的安全，可将用户操作权限设置多个级别的。
b）编程软件
基于Windows编程构成高效、灵活的开发环境，符合IEC61131-3标准，在不用掌握复杂的高水平的计算机语言知识的前提下，就可设计出强大的应用功能。多种编程语言都可应用于该编程软件，这些编程语言既包括功能块图（FBD）、结构文本图（ST），又包括梯形图（LD）、流程图语言（FC），此外还有顺序功能图（C）、指令集（IL）等。
结束语
虽然SCADA系统在各大城市排水领域得到大量的建设，但是由于各种原因系统功能没能得到充分的发挥及发展，需要进一步完善。
文献参考
龚汝平, 杨健. 城市排水在线监测系统设计研究[J]. 西南给排水, 2012, 34(3).
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：排水系统；在线监测系统；设计
城市排水系统分布广泛，有的甚至在地下，给管理带来极大的困难，为了改变这种局面，提升管理水平，需要建设一套满足管理要求，性能稳定、运行可靠的管网自动化监测系统。因此在plc（可编程逻辑控制器）技术的基础上，结合计算机技术、远程通信技术及网络技术，建立起了城市管网监测SCADA系统。SCADA系统能够有效监测和管理城市污水排放及排污管网情况，为管理部门提供决策资料，起到污水排放监督，保护城市环境的作用。
采用目前成熟、先进技术，建成的系统应满足：先进性、可靠性及技术通用性，经济性及可扩展性，可维护性，信息采集及时性、准确性及提高管网管理水平。
1、SCADA系统构成
系统采用分散测控、集中管理的方式，整个系统由三部分组成，分别是监控中心、通信介质以及远程测控终端（R摘自：毕业论文www.udooo.com
TU） 。作为SCADA系统的核心，监控中心的作用是对整个系统的运行进行控制管理；RTU采用微处理器或数字信号处理的可独立运行的智能测控模块，其功能是采集与处理各种远端现场数据，控制现场执行机构的以及与远程控制中心的通信。2、通信介质
数据传输介质包括有线传输和无线传输两大类，其中公共交换电话网络属于有线传输方式，此外还有电力线载波、RS-485现场总线等；无线传输方式包括超短波无线电台、I扩频电台、G/GPRS移动电话网以及卫星通信网等，每种方法各有其特点。电力线载波的优点是无需另铺专用通信线路，缺点是干扰较大，通信跟踪较短；RS-485现场总线的优点是通信效率高、可靠性好等，缺点是铺设大容量系统专用线路的成本过高；公共交换电话网络虽然前期投入少，可以实现无盲区覆盖，但是长期的运营费过高， G/GPRS移动电话网也具有相同的特点；
I频段的扩频电台（2.4GHz）及微波（4GHz以上）的优点是传输距离远，传输性能高，缺点是昂贵。超短波无线电台的优点是传输距离远，便于系统使用及站点扩展，对大容量分散式SCADA系统，其性格比较高，只需维护费用而无运营费用，但初期投入较高。
由此可见，两类通信方式各有优缺点，其中有线通信具有可靠性高的优点，但是用于辅设分散RTU专用线路的造价过高；当铺设大容量SCADA系统时，无线通信具有明显优势。
因此，在城市排水管网的在线监测系统建设中，SCADA系统的通信方式采用G/GPRS，同时考虑PSTN备用接口组成在线管网及水质监测网络系统。
3、GPS时钟同步
由于系统覆盖地域面广，信息采集及控制需要严格的时钟同步，保证信息收发的准确性。GPS时钟同步系统能够使运行维护人员的工作负担得到减轻，这是因为其能够使设备或信号的动作顺序和时间正确的反映出来，有利于分析故障或事故原因。4、系统总体结构
主要由三部分构成：监控中心、RTU及传输介质网络，SCADA系统组网结构如图1所示。图1 SCADA系统组网结构图
5、系统功能
系统通过远程RTU采集管网各测控点的数据，主要为污水COD、SS值及流量等，根据需要，可以增加适当站点的视频数据。经过管网管理系统处理后在显示屏直观显示各测控点状态，并可通过相关标准对监测点污水的排放进行控制。（1）管理中心网络：管理中心网络采用100M/10M自适应以太网。
（2）管理中心组成和功能
SCADA系统的管理中心主要由主控机、副控机、数据库怎么写作器、打印机、通信前置机（2台互为热备）、工程师站、Modem池及网络交换机等组成。
管理中心主要功能如下：
a)动态显示SCADA系统中每一个RTU在排污管网中所处位置及该站点的工作状态和实时参数。
b）定时巡检/定点检测RTU，并获取RTU返回的运行状态、数据参数（污水COD、SS值及流量等）及报警码，并向监测现场RTU发送控制命令，从而控制监测现场电动闸门，实现对闸门的关闭或开启，保证合乎排放指标的污水才能排入截流干管。
c）在巡检过程中，若发现故障或参数越限，可进行声光报警，并可动态显示该站点相应的工况、实测数据及故障形式。
d）可将有关通知及报警信息通过务器在Internet网上发布，以警示有关单位做限期维护。
e）数据处理、存储及报表打印功能。
6、通信方式
监控中心利用GPRS或PSTN网络，以广播方式或点对点方式向RTU发送命令。采用广播方式时，RTU接收命令并执行，如校对时间等命令；采用点对点方式时， RTU首先确认站点编号，再根据命令格式进行相应操作的执行，如控制路为开/关等，向监控中心返回COD、SS值、流量及故障码数据帧等。当系统的通讯方式采用GPRS无线方式时，对移动的APN进行访问时，只需通过现场RTU内置的GPRS模块，移动公司通过GPRS网络在设计监测现场RTU和管理中心RTU前置机之间建立通信链路，采用ModNet通信协议，使现场RTU随时随地与管理中心建立通信连接。
公共交换电话网络电话拨号接入方式作为备用通道在GPRS拨号不成功的情况下，控制中心的前置RTU通过外置Modem直接拨入监测现场的RTU，读取采集到的水质数据。
7、数据采集网络
采用轮询下的逢变则报IEC870—5协议。所有监测点RTU站均具有2条不同媒质的通信通道：G/GPRS或PSTN；所有站点的不同通信介质可实时切换，互为备份，保证系统通信的安全性、可靠性及实时性。主站对冗余通信信道的切换起控制作用，从站进行回答时需依据主站的询问。通信的主动权由主站掌握，为减少通信量、提高通信速度，从站采用逢变则报的方法进行回答。平时，主站用轮询方式采集数据。当主站需要下发控制命令时，中断当前轮询过程，直接下发控制命令。因此，控制命令下发时间仅以毫秒计。
8、监测现场RTU、监测仪表的安装及电源，
a）RTU的现场安装
采用标准的壁挂式机箱或立式机柜，RTU内部集成标准的端子接口模块，软硬件高度集成，标准化设计，使安装与维护都很方便。
b）RTU的电源：根据现场情况就近取电，采用电缆穿管敷设引入。
c）防雷措施
系统设备必须考虑充分安全、可靠的防雷措施。设备处于防雷保护范围内的点须防感应雷，在没有防雷保护装置的点采取避雷针方式防雷。
原则上，电源的末端、信号两端必须考虑防雷措施。
9、编程软件
a）SCADA系统软件
基于全开放式结构，提供最大的灵活性、可靠性和伸缩性以及快速安装和易于管理的性能并已成功应用于大量的工程项目中，具备：
①可伸缩性结构：系统采用客户/怎么写作器体系结构，其扩展相当随意灵活，而且方便；
②开放性：内置近多种协议，支持各种I/O设备；采用标准的NetBIOS网络通讯。可采用多种连网方式，如双绞线、同轴电缆、光缆等。
③软件设计、系统组态、实时采样等均采用模块化设计，在不影响操作的情况下，允许全部或部分应用程序进行修改；支持ODBC、OPC、API、DDE等标准数据交换方式及ActiveX控件；
④冗余功能：支持I/O通讯冗余、I/O设备冗余、怎么写作器冗余、及LAN冗余；
⑤分布式数据库：由于任何计算机都可访问任何I/O怎么写作器的数据，故能集中或分散的对报警、趋势、报表进行处理。可实现1＋N冗余，负荷自动均衡，无扰切换；同时支持多种关系型数据，包括Oracle、SQLServer、dBASE等；
⑥为防止越权操作，保护系统的安全，可将用户操作权限设置多个级别的。
b）编程软件
基于Windows编程构成高效、灵活的开发环境，符合IEC61131-3标准，在不用掌握复杂的高水平的计算机语言知识的前提下，就可设计出强大的应用功能。多种编程语言都可应用于该编程软件，这些编程语言既包括功能块图（FBD）、结构文本图（ST），又包括梯形图（LD）、流程图语言（FC），此外还有顺序功能图（C）、指令集（IL）等。
结束语
虽然SCADA系统在各大城市排水领域得到大量的建设，但是由于各种原因系统功能没能得到充分的发挥及发展，需要进一步完善。
文献参考
龚汝平, 杨健. 城市排水在线监测系统设计研究[J]. 西南给排水, 2012, 34(3).
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。