基于SCADA系统的CDMA远程数据采集在供水调度中的应用
鸡西市自来水公司 李晓强 丁仕儒
一、引言
城市供水的用户涉及到各行各业，遍及到千家万户，供水系统的安全可靠运行与城市的生产和生活息息相关。供水系统的水厂和管网一旦发生自然或人为事故，如不能及时发现和有效控制，将会造成设备损坏、人员伤亡和停水，给社会带来灾难性的。因此，如何保证供水系统安全运行和发挥出更好的社会和经济效益，一直是供水行业和科研人员追求和研究的主题。
鸡西市特殊的山地城市地形和卫星城市布局，造成了供水水源位置分散、配水管线长、用户分布区域广、多级提水并且供水压差大的局面，供水企业具有分布式、集散形、网络化、全开放的特点。为了安全、优质、低耗、高效的供水，实现水量供给的最大化、水压平衡的稳定化，同时降低生产事故，必须要改变过去传统的供水调度方法方式。开发研制城市供水运行过程中的数据采集与监控系统
即SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，科学调度、指挥水工业生产、供应全过程，及时监控制水、给水各环节不安全隐患，避免生产事故和给水管网爆管等事故，进一步提高供水质量和服务质量，对加强企业的现代化管理水平、满足全市人民的生产生活需求、促进人水和谐社会的实现，都具有深远的意义。
二、系统基本结构和工作原理
1、系统基本结构
供水遥测SCADA系统由三大部分构成：主控中心（MTU）、通讯系统（CS）和远程智能终端（RTU）。
2、系统工作原理
远程智能终端（RTU）采集、发射数据，经过通讯系统(CS)将数据从远程终端传输给主控中心(MTU)，主控中心进行数据处理和发布高层控制指令，又经过通讯系统把中央控制信号传输给远程终端。
三、系统组成
1、远程智能终端(RTU)
分别设在监测现场，采集各种信号，经过处理后通过CDMA通信系统传到中心站，中心站也可以将各种控制信号传输给RTU。
GKS-100系列远程智能终端(RTU)是鸡西市自来水公司与国电南瑞科技股份有限公司采用当代最新技术研制的高性能、智能型、系列化的远程测控与通信装置，用于对远方信号、工业设备的监测、控制和通信。RTU采用小型化、独立式模块设计，既可以单独使用，也可以灵活组合，可做户外安装，防雷击，防浪涌功能强，特别适合应用于环境监测、防汛测报、管网监控、分布式电力监控、安全监测、交通信号监管以及自来水厂、污水处理厂等领域。
RTU主控单元由中央处理器、存储器、电源、实时时钟、硬件Watch Dog、信号采样与处理电路、控制信号输出电路、通信控制器、2路RS232通信口（COM1、COM2）、1路RS485扩展连接口（LinkPort）等组成，RTU支持多路模拟量或开关量的采集，进行累积处理和准确性分析，并保存在内部存储器中。接收到中心站命令或在规定的报送时间内，自动将数据信息送到中心站。RTU采用数据报告制式工作，存储容量不小于64K，遇强干扰具有自动恢复能力。
2、CDMA公用移动通信网络
《CDMA公用移动通信网络的通信系统》是由鸡西市自来水公司与国电南瑞科技股份有限公司共同开发的一套完整的SCADA通信系统。该系统由CDMA无线数据传输终端（WDT）、前置机、数据服务器等硬件设备和前置机通信软件和服务器数据库软件构成，可以为城市供水远程监控领域的各种具体的数据通信应用提供一个可以实现透明数据传输与处理的系统平台。具有以下特点：
Ⅰ.成本低廉，尤其在通信网络的规模比较大时更为明显。首先是建设投资小，网络建设中省去了大量的组网投资；其次是维护、运行费用低，网络运行过程中只需承担少量的终端维护费用，虽然需要支付一些数据通信使用费，但就目前的资费水平和网络规模估算，单就运行和维护费用一项的节省就足以对其进行补偿。
Ⅱ.网络组建的灵活性和方便性。由于CDMA移动通讯网络的基础设施已经十分完善，通信系统的组建只需要考虑中心站和外围布点的问题。在外围布点时可以充分地享受无线网络带来的地点选择上的自由性和移动通信网络的较全面的覆盖范围。在大部分地区，基本上可以不考虑布点的限制，甚至支持可移动的站点。对于复杂、易变，站点位置经常性变化的网络（城市改造、用户变更等），无线网络布点不受限制这一点更表现出它的优越性。
Ⅲ.地域范围和网络密度的适应性。目前，CDMA 移动通讯网络的基站在城市中的密度大，而在乡村中则相对较小，正好满足在城市通信终端数量大、密度高而在乡村数量少、密度小的要求。因此，基于 CDMA网络的移动数据通信系统在地域范围和网络密度方面没有问题。
Ⅳ.数据业务适应性。目前的CDMA移动网络能支持多种丰富多彩的数据通信业务，因此基于CDMA 网络的移动数据通信系统完全能满足各种城市供水SCADA系统监测监控数据应用对通信的要求。
Ⅴ.系统安全性高。基于CDMA 公用移动网络的城市供水SCADA系统采用了多种措施来提高安全性。首先，终端每一次登录网络之后都要向管理系统发送经过加密的唯一终端标识号，经终端管理系统确认的终端才可以进入系统；其次，终端在进行数据传输时采用空中加密和应用层加密进行两次加密；再次，前置机可以通过IPsec 或GRE 隧道与CDMA 移动网络建立联系。
3、主控中心站
主控中心站设在公司供水调度室，配置通信前置机、数据服务器、监控计算机、UPS电源、打印机及大屏幕液晶电视等。
1、 遥信遥测功能
遥信遥测功能是利用主控中心站监控计算机和远程智能终端（RTU）的高速特性，自动、连续地检测并记录和显示出水工业生产供应过程中各工艺环节的水质参数（浊度、余氯等）、过程参数（压力、水位、液位、流量、电流、电压、有功功率、电量等）、设备的运行工况（运行、停止、故障）等生产数据以及管网压力等参数。
2、 遥控遥调功能
主控中心站监控计算机和远程智能终端RTU能根据工艺条件控制要求，按规定的时间间隔周期自动地启动或停止加压泵站变频器。对水厂、水池及管网监测点阀门进行远程启停、开控制。
3、 显示功能
工艺控制显示功能主要是人机界面功能和界面功能。人机界面是指在公司主控中心站的监控计算机的显示器上动态显示水厂和泵站等工艺流程、各种设备的实时运行工况、各工序点水质参数和过程参数、显示城区管网压力参数。界面功能是指给生产和管理人员清晰、准确的操作指标和错误操作的屏蔽功能。工况显示功能可分别用文字、颜色、信号灯闪烁显示设备运行工况或故障。例如：就地手动显示“M”；自动显示“A”；运行显示绿色；停止显示红色；设备故障显示闪烁；故障情况以文字显示等。
4、 报警功能
自报式报警：当现场监测参数超越限定值时，测站主动向中心站发出报警信号。可以对出厂水压力、浊度、余氯、流量等指标设置上、下限参数报警，可设置配水井、清水池水位上、下限参数报警设备故障报警等。
报警信息的表达方式：当某一参数异常或设备故障时，可发出报警信息，如音响、屏幕报警、输入报警表、打印机打印等；可显示相应的提示信息并启示在报警数据库中。
5、 数据库管理和数据处理功能
可将采集或计算得到的数据记录在服务器SQL server数据库中，能建立生产日志数据库、生产运行数据库、报警数据库。
建立历史数据库，存储原始数据，供统计分析使用。利用在线数据和数据库中的数据进行分析、统计、计算、显示。对采集来的数据进行累计值、平均值、最大值、最小值、平均值等的分析计算，生成并存储年、季、月、日报表。计算的生产指标分别为制水量、供水量、电量、水压、单位电耗、药耗、氯耗等。
6、 曲线及报表功能
绘制实时及历史曲线，自动生成并存储运行参数报表，能通过数据交换在EXCEL中生成并修改报表，可打印各种报表。
7、 网络浏览功能及权限设置
软件设计成网络版，不仅主控中心站可监测监控，同时形成若干终端可利用计算机网络进行监测和查询主控中心站实时监控画面。设置权限等级，主控中心站可监测监控及修改设置，其他终端只能监测和查询，不能修改设置。
五.系统的经济、社会、环境效益
1、系统的主要作用和社会效益
城市供水SCADA系统服务于制水厂生产、配水管网运行、水质监测等经营管理和服务环节，应用该系统可科学调度、指挥水工业生产，能进一步提高出厂水水质、压力达标，保障满足城市用水需要，发送产品质量和服务质量；能降低电耗、药耗、氯耗等生产成本；在供水运行中的取水泵站、净水厂、加压站、配水管网、用户水表计量流程中均能实现无人抄表，减轻员工的劳动强度，减少员工人数和费用开支；24小时实时监测供水系统的运行，避免水厂发生设备事故和配水管网爆管事故，可减少漏水和防止偷水，降低产销差率，提高供水安全性，促进水开发中心的生产经营现代化管理水平。对支持地方社会经济发展，创建和谐社会，提高市民生活质量将起到至关重要的作用。
2、系统的经济效益
城市供水SCADA系统运行后，由于采取科学的城市供水，以（使用水）量定产，从原水输配到净化工艺处理，到高位水池储备调峰，再到二次供水泵站给水，实行系统化调度，科学化调整，管理费用较同期比每年能够降低307.3万元。具体情况如下：
① 制水成本每年可降低36.5万元，其中：
电耗：（0.335元/ m3-0.32元/ m3）×4.5万m3 /日×365日=24.6（万元）
药耗：（0.022元/ m3-0.02元/ m3）×4.5万m3 /日×365日=3.3（万元）。
制水人工成本：8人×900.00元/人·月×12月=8.6(万元)。
② 管理成本每年可降低270.8万元
城市供水SCADA系统运行后，小区内二级供水泵站实行无人化管理，采用变频高速电机，即满足了用户在供水压力、水量上的需求，同时节约了大量电费、减少了水量漏失，其中：
节约人工成本：小区无人看守泵站25个，运转人员40人，保留10人负责维护、巡视，减少管理人员30人，可减少人工支出30人×900.00元/月×12月=32.4(万元)。
节约电费：25个泵站×1,200.00元/月（平均）×12月=36(万元)。
降低供水成本：产销差率由原来的49%降到44%,吨水成本为2.16元/ m3，按上年日供水4.5万m3计算，可降低成本4.5万m3/日×(49%-44%）×365日×2.16元/ m3=177.4(万元)。
节约维修费用：系统运行后，由于管网压力平衡分配科学合理，爆管机率大大降低，要以节省因爆管而形成的维修费用。即使爆管也能够及早发现、马上得到处理，即减少了水量流失，又将因爆管跑水而造成的经济赔偿损失降到最低限，预计每年由此而节约费用25万元。
六、结束语
综上所述，应用CDMA的供水调度系统，它将移动数据通信技术、计算机技术、数据网络技术和自控技术等溶为一体，具有技术先进、新颖，经济和社会效益明显的特点，对供水管网在安全运行、提高供水服务质量、节能降耗、优化管理等方面起到了至关重要的作用，保障了供水系统的正常运行和管理，使企业的运转效率和管理水平跨上了一个新的台阶。
