發布日期：2022-04-18 點擊率：147
摘 要：分析了給排水SCADA系統中的計算機技術、通訊技術及控制技術問題，概述了給排水SCADA系統的市場構成情況，并提出完善SCADA系統的幾點建議。
關鍵詞：SCADA通訊；控制；市場；建議
計算機自動化SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)技術又稱計算機四遙(遙測、遙控、遙信、遙調)技術，在給排水行業得到廣泛的應用，取得了良好的經濟效益與社會效益，已形成了造福社會的產業規模。如何指導該技術的發展，培育好給排水自動化的市場，進而促進自動化產業的發展，是一件十分有意義的工作。為此，本文對該技術加以綜述，以起拋磚引玉之目的。
一、SCADA系統的技術分析
SCADA技術建立在3C+S(Computer、Communication、Control、Sensor)基礎上。以上四種技術近來發展很快，不斷推出新技術、新產品，同時很多舊技術和產品也無情地遭受被淘汰的命運。如何采用新觀念、新技術、新產品構建適用于給水排水的管理功能強大、可靠性強、有良好的現場安裝界面、易于操作和維護與價格低廉的SCADA系統，是給排水行業客戶的需要也是SCADA系統集成商的責任，以下就3C+S技術分述如下：
1、計算機(Computer)技術
近些年來，計算機PC技術以每一年多更新一代的速度飛速發展。強大的硬件平臺(主頻300M以上，CPU內置MMX技術、內存128M及以上、10G以上的硬盤和高速CD-ROM 及 DVD-ROM驅動器等)支持著不斷更新的視窗操作系統Windows軟件和網絡技術。功能強大的PC系統平臺，既擺脫了DOS操作的煩惱，解除了鍵盤操作PC的尷尬，使PC得到了廣泛的應用，更為構建高功能的SCADA系統創造了條件。眾所周知在SCADA系統中PC機主要用做Master或稱調度中心。近來國內外許多廠家都推出了基于Windows的 forSCADA的組態軟件。這些軟件平臺上可以完成與給排水調度相關的數據采集(提供了與多種PLC或其它智能設備通訊驅動程序Driver、動態數據交換DDE功能及 OLE 技術等等)、數據處理、數據顯示和數據記錄等工作，具有良好的圖形化人機界面，MMI具備趨勢分析和控制功能。為給排水優化調度、節能降耗提供了盡善盡美的手段。PC機的網絡功能為多級調度SCADA系統的建設和參與水廠管理提供了很多意想不到的功能。在SCADA系統中不斷更新PC軟硬件平臺，所需費用占SCADA系統建設費的比例不太大，但對提高SCADA的功能與可靠性影響較大，加強調度中心建設的投資是合算的。
目前存在的主要問題是還沒有國產專為給排水自動化的ForSCADA組態軟件問世，而通用組態軟件的購置價格較貴。組織生產規范化標準化、價格適中、功能適用于給排水的SCADA組態軟件有著廣泛的前景，也是建設中國給排水自動化系統ChinaSCADA的重要環節。
2、通訊(Communication)技術
通訊技術與設備的選擇是構建SCADA系統最豐富多彩的部分，SCADA系統設計是否合理，通訊技術的選擇十分重要。由于各種通訊技術之間融匯貫通，試圖按分類去加以說明是十分困難而又會漏洞百出的。這里，為敘述方便，只能牽強地加以分類。
（1）網絡技術LAN WAN與INTranet
我們權且把網絡技術作為SCADA通訊的一部分。基于TCP/IP 的計算機網絡互連與擴展技術，如網關、路由器、網橋、中繼器、遠程訪問服務；基于存儲器的動態數據交換技術；基于開放數據庫的訪問技術等構成控制網絡與信息。事實上這部分應是SCADA系統以上管理層部分，這里不多加敘述。
（2）串行互連總線
RS232、RS485以及USB(Universal Serial BUS)，前兩種是大家熟知的，而USB是近期推出的高效率、即插即用、熱切換的接口。
（3）測控總線標準
如Bitbus, Profibus, PROWAYC,PHOEBUS, HART, CAN, Dupline, L2, Modbus, SDS, ControlNET, FIP, SERCOS, FF, Lonworks等。
以上多種測控總線標準正不斷地滲透到SCA DA系統之中，特別是現場、儀表與智能終端之間的通訊應用十分廣泛。
（4）無線通訊
如微波、擴頻通訊、衛星通訊、銥星通訊、超短波通訊、短波通訊、GSM、CDMA、雙向無線尋呼等。
以上無線通訊有些是公共數據網的應用，一般情況下應用最多的是超短波200MHz的通訊。特別應指出的是，正在發展的雙向無線尋呼為構成給排水SCADA中的測壓終端，水源井群和城市排水網SCADA系統的通信將會有十分重要的作用，是既可靠又廉價的通訊手段。
（5）有線通訊
公共數據網PSDN ISDN和BISDN，特別是BISDN綜合寬帶數據網與光纖入戶工程的增值業務，將極大地方便城鎮給排水SCADA系統中通訊功能的建設，例如，測壓點、水源井、污水監控站等。
自建有線網，一般采用雙絞線作介質。各PLC 廠商和通訊廠商都分別制定了封閉和開放的有線通訊系統協議，并有相應的產品供應，如以色列RAD公司的6DC型M ODEM、GE fanuc的Genius BUS 以及西門子的L2 等，都為SCADA系統提供了良好的通信手段。在凈水廠和污水處理廠內的SCADA系統中得到廣泛的應用。
（6)載波通訊技術
電力載波技術爭論許多年，近日有文章報道西門子公司有相應的載波通訊設備出售，相信該技術會有較好前景。在凈水廠、污水處理廠內的SCADA中加以應用，不用布線即可構成系統。
（7）光纖通訊
光纖通信以其高帶寬，高抗干擾性在信息通訊中得到廣泛應用。在SCADA系統中也已具備了應用條件。德國赫斯曼公司HIRSCHMANN生產的OZD485，用于光電485協議轉換，可適用于：Partyl－ine，SINEC、L1、L2，Uni telway，GEbus，Modbus+，BitBus，PROFIBUS，PNET，CAN等多種協議。其多模設備，售價只幾百馬克。可見，光纖通信在SCADA中的應用已達到實用水平。
如何構建良好的SCADA系統，通訊技術的選擇舉足輕重。現在各種通信技術發展很快，公共通信技術在市場的發展中逐步建立了可靠而廉價的平臺。SCADA系統集成商要緊跟先進技術，才能提出最好的通訊方案。
3、控制(Control)技術
本文所指控制設備為SCADA系統的 Slave，或稱下位機，遠方終端RTU和現場測控智能裝置，也可以是專用的RTU、智能儀表和智能控制器以及PLC系統等統稱下位控制單元。控制設備，在每一個SCADA系統中都會有若干臺，對SCADA系統的可靠性和價格影響最大。近十多年來給排水SCADA系統建設形成了不少模式，如PC+PLC 模式，PC+單片機模式，全部進口的 PC+RTU模式等。
（1）PC+PLC模式
這里只談控制部分，即PLC。各廠家和各種型號的PLC都是一個系列化產品的系統平臺，既有自己封閉的網絡又有開放接口。僅控制功能而言，PLC是嚴謹、方便、易安裝、易編程，可靠性高的技術產品。它提供高質量的硬件、高水平的系統軟件平臺和易學易懂的應用軟件平臺(用戶平臺)，應用于順序邏輯控制和許多復雜計算方面是盡善盡美的。而且規模越大在經濟上越合算。在給排水SCADA系統中，如自來水凈水過程控制，污水處理過程控制，自來水二級泵站多泵系統控制和遠程調水中多泵閥的控制等方面具有無可爭議的優勢。PLC的缺點在給排水SCADA中也暴露無遺，這表現在模擬量數據采集的高價位，人機界面高價位和中小型PLC 數據無法實現歷史事件追憶(SOE)功能等方面，在給排水SCADA系統中的應用受到限制。在SCADA調度系統中，無法忍受做一個測壓點終端只監測一個模擬量而采用PLC的資源浪費，應當因地制宜地采用PC+PLC 構建SCADA系統。
（2）PC+單片機模式
這里只講與控制有關的單片機(下位機)。十多年來單片機構成給排水SCADA系統下位機是主流。由Z80單板機經8031、8098過渡到目前主流為80C196的單片機。各種科研單位及公司研制的單片機構成SCADA系統的 RTU，始終沒有改變目標設計的模式。在這種方式下單片機RTU的軟件采用互相保密(甚至同一單位內部也互相保密)的封閉式做法。這種封閉既造成了難以維護的缺點又破壞了單片機的資源，還造成了單片機RTU不廉價的怪現象。據悉，迄今為止每一個單片機裝置的售價都在數千元之巨，而一片單片機CPU 才幾十元人民幣。當然較之PLC與進口RTU相比，單片機還是價位最低的。單片機RTU只適于做測壓點終端、簡單的水源井控制和簡單環境的數據采集。還應當指出的是，目前國內各廠家用單片機做的RTU，只支持有線RS232、RS485和無線200MHz通訊，很少有人考慮其它高效率通信協議的接口應用問題。迄今為止，還沒有適用于給排水SCADA的按系統平臺設計的商品化的單片機RTU產品。十多年來，單片機RTU 的廣泛應用給SCADA用戶培養了一大批應用與維修人員。這些人員是給排水SCADA發展的寶貴資源，是給排水自動化產業大軍的一部分。
（3）PC+進口RTU模式
據悉一個進口RTU完成一個測壓點的數據監測，有的要6萬元人民幣之巨，這是一個怪現象，不多加評述。
（4）混合模式
采用PLC和單片機RTU構成混合SCADA下位機，是目前大多數系統的做法。
（5）現場測控智能執行機構
現場測控智能機構在SCADA系統中有許多種類。在給排水SCADA中使用最多的是變頻調速裝置，該裝置對完善給排水工藝，加強工藝可控性及節能降耗等方面都有著很好的作用。現場測控智能還包括壓力調節器等等，應歸類在傳感裝置中，現場測控智能裝置一般在SCADA系統的Slave控制之下。有些直接與上位 PC 機通訊構成系統。
控制技術作為SCADA系統的重點工作，迄今為止沒有一個規范的做法，更沒有標準化的產品。在具體構建SCADA系統時它主要由承建者和設計者的水平、好惡與利益決定。另外，技術的不斷發展更新，也是造成沒有標準化、規范化的原因之一。做好SCADA系統下位機平臺的規范化與標準化是建設高質量低價位SCADA系統的關鍵。
4、傳感(Sensor)技術
在給排水SCADA系統的生產現場層，安裝著許多傳感器與執行機構，完成SCADA系統的生產現場數據采集與調控命令的執行。
傳感器可分為智能型和非智能型兩類。非智能型完成電量的標準化信號轉換和非電量的理化數據向標準化電量信號轉換。智能型傳感器除完成上述非智能型傳感器的工作之外，還具有上、下限報警設置，數據顯示，簡單數字邏輯控制，PID調節等功能。最新的智能傳感器大都具有某種現場總線功能，可以與SCADA的上位 PC 或下位控制單元通訊，構成SCADA系統。在給排水SCADA中常用的傳感器主要有：水位、壓力、流量、溫度、濕度、濁度、余氯、BOD、COD、電壓、電流、功率、電度、cosφ、流動電流儀以及接近開關、限位開關、水位開關、繼電器等。前幾年，國產傳感器普遍沒有過關，給排水SCADA的傳感器還是國外傳感器廠商的天下。
近來給排水傳感器市場推出了大量的國產高質量的產品。可以說，傳感器是SCADA國產化最高也是最成功的環節。
二、給排水自動化SCADA的市場概述
給排水自動化市場由供需雙方構成。供方主要由從事SCADA系統集成及相關的廠商構成，需方為各自來水公司、污水處理廠及與給排水相關的大型廠、礦和政府機構等。
1、需方市場構成
我國現有城市600多個，每個城市都具有一個給排水自動化市場，還有數百座發電站和大型聯合企業及廣大鄉鎮，都構成廣大的給排水自動化市場。需方是市場原動力，需方購買給排水SCADA系統的動力大致如下：
（1）法律原因
給水(自來水)：有"水法"制約，必須達標。SCADA系統是實現水質達標的重要手段之一。
排水：國家制定了相關法律，污水必須達標排放，而SCADA系統是實現達標排放的重要手段之一。
（2）經濟原因
一個系統設計完整，設備選型慎重、科學，系統集成良好，質量可靠的SCADA系統，可為排水SCADA的需方在減員、節能、降耗、加強管理等方面帶來良好的經濟效益。
（3）公司形象
很多用戶考慮公司形象建立SCADA系統。
（4）投資方要求
現在很多凈水廠和污水處理廠及大型廠礦為外商投資，在原設計中已有SCADA系統，受投資方要求建SCADA系統。
2、供方市場構成
面對廣大的需方市場和復雜的需方購買原因，勢必造成復雜的供方市場。供方是市場競爭的動因和參與人。供方市場權且按設備供應商構成的一級市場與系統集成商構成的二級市場分類。
（1）SCADA 設備供應的一級市場
一級市場包括計算機及外圍設備硬件供應商；計算機及控制器軟件設備供應商；通訊設備供應商；控制設備供應商(PLC等)；傳感器及執行機構供應商；線纜與機箱機柜供應商；電子器件供應商；電源供應商等。
（2）系統集成商(自動化工程承包商)構成的二級市場
國外SCADA系統的專業代理集成； 從事系統互連的系統集成； 科研單位自己開發軟硬件裝置的工程承包商；
需方用戶自己承包的SCADA系統集成； 轉包商。
系統集成商中有許多有實力的，不斷發展的公司，也有許多是魚目混珠的單位，這些集成商承建的自動化系統差異十分巨大，這里不加以評述。
三、搞好SCADA系統的幾點建議
1、充分利用社會資源建設SCADA系統
眾所周知，計算機(PC)技術與通訊技術已構成了巨大的社會資源。這包括數以萬計的PC 軟硬件平臺、有線電話(PSDN、ISDN)、無線電話(GSM、CDMA)、衛星通訊、廣電網(BISDN) 、INTernet、INTranet 以及各種通訊總線、協議等。
給排水SCADA系統建設要盡可能地利用上述資源，這包括：
利用不斷發展升級的 PC 軟硬件平臺，構建SCADA調度中心； 利用WAN技術與公共通訊網構成多級SCADA調度系統； 利用INTernet技術與防火墻技術，在網上對SCADA調度進行遠方瀏覽與操作； 利用BISDN增值業務和無線雙向尋呼業務作為SCADA遠方智能控制單元的數據通訊； 在網上學習瀏覽SCADA新技術、新設備、新經驗。
2、SCADA系統集成的建議
我很贊成COTS(Commercial off The shelf)的做法，意為采用商品化的產品和技術。這是采用社會化大生產方式集成SCADA系統的方式，也是構建最合理、最可靠、最廉價的SCADA系統的方式，所采用的技術包括：
（1）調度中心軟件應徹底淘汰由集成商自編的軟件，改用基于Windows95以上平臺的forSCADA組態軟件。這樣多系統的互相移植與互連、升級、功能擴充、冗余、熱備份、數據庫、優化手段、上網等功能可一次性解決，擺脫了某些系統集成商的暗箱操作，使系統維護由自己或社會進行。
在盡量采用公共通訊網仍然不足以解決問題的情況下，應選擇專業化、商品化的產品，構建SCADA通訊網。很多科研單位自行研發的通訊設備因小批量、手工制造，質量很差，早應淘汰。只有規模生產才有規模效益。
（2）對構成SCADA系統影響最大的是現場控制單元設備 PLC 或 RTU：
對較復雜的順序控制應選用 PLC，但要注意該PLC要具備與上位機組態軟件相適應的驅動程序和適用的通訊接口。從一般意義上看，各種 PLC 沒有質量差別。
模擬量數據采集和簡單控制應充分調查供方市場，并進行相應的技術分析，盡量采用能與上位機進行通訊的智能儀表。
對選用單片機構成的RTU或PCU應注意選用市售的商品而非科研單位自己使用的東西。市售商品應包括如下特點：按規模生產、有標準、有規模、有廠牌按系統平臺設計(即有系統軟件和應用軟件，應用軟件應按梯形圖編程)、能提供全部軟硬件文檔、負責培訓等售前售后服務、有適用的通訊接口并完整提供接口使用方法。
建議不采用進口高價位RTU。 構建的SCADA系統的設計與實現，不能依賴某特定的供應商提供的軟硬件平臺。
3、對SCADA系統設備制造商的建議
（1）生產SCADA系統中應用的設備應注意開放性原則，包括：
標準化：程序設計、通信、網管、界面、接口等按國際標準兼容；
可移植性：應用程序可在多種平臺上互相移植；
可伸縮性：設計的系統規模應按需要而伸縮；
可互操作性：不依賴特定供應商的平臺。
（2）選用最新技術與產品：大規模集成電路的發展使原來需多個元件完成的工作，已集成在一個芯片上。選用高功能的CPU是降低造價與提高可靠性的捷徑。同時還要注意新的總線協議、標準的應用。
（3）加強軟件的研制投入：建設一個自動化系統，硬件采用商品化的產品，除現場安裝之外，絕大部分工作是開發軟件。加強不同應用領域和應用環境的軟件研制的投入，形成自己的NOWHOW是企業發展的關鍵。
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