一、數據系統采集與控制內容
主要監測控制設備有：水庫水位監測；城鎮管網壓力監測；清水池水質監測、水位監測；
1.1．系統概述
本工程自控系統方案是根據工藝流程及工藝特點而制定的。從工程的實際情況及工藝要求出發，本設計采用目前國內外******并成熟的集散型控制系統。該系統由中央控制室微機和現場終端二級組成。它集計算機技術、控制技術、通訊技術以及顯示技術于一體，通過通訊網絡將中央級監控站和若干現場子站連接起來，實現集中監測管理和分散控制。
1.2系統組成
本項目采用以監控管理計算機、可編程序控制器PLC和微波通訊總線構成的冗余計算機監控系統。整個系統由、顯示、打印，并根據工藝要求對全廠設備進行自動中央控制級和現場控制級兩大部分組成。中央控制級主要負責完成對各種現場數據的分析處理、存儲和遠程控制。現場控制級主要負責完成各種現場信號的數據采集及中控室控制信號的接收并可完成區域設備的編程控制。
在水廠綜合樓中央控制室內設置監控管理計算機和打印機。它主要完成對水廠各工藝流程段的集中操作、監視和控制功能。通過簡單的操作，可進行系統功能組態、監視報警、控制參數在線修改和調整，同各子站終端機（PLC）進行傳輸、通訊，收集各子站終端機（PLC）送來的監測信息、運行狀態和水質參數。并進行匯總、運算、處理、報警、故障分析**終完成對現場設備的優化控制。彩色LCD可直觀地顯示全廠工藝流程和全廠各工段的實況及各工藝參數趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠的運行情況，并通過計算機網絡和無線網絡向各現場子站終端機發布指令，協調各環節正常工作，******水廠安全經濟運行。打印機可定時打印班報、日報、月報、年報和實時發生的報警信號。
1.3系統設計
本系統以可編程控制器(PLC)作為現場控制中心，連接現場各控制對象；以WebAccess作為主監控界面，監視各設備的運行情況，WEB發布實現資源共享。
根據工藝特點，構筑物的布置和現場控制的分布情況，水廠A、B各設置一個PLC現場子站，采集和監控水庫現場的水位、水質、流量等參數控制壩頂取水口設備；負責全部設備的自動控制、數據采集。中央控制系統通過10/100Mbit/s以太網通訊，與現場控制站連接。根據現場需要，水廠A的監控系統采用有線網絡，水廠B因為中央控制室和PLC站相距8公里，故采用無線網絡。
控制級設二個現場子站，現場設備的運行及狀態信號通過I/O模塊采集，全部儀表的4~20mA信號就近引至相應的PLC和遠傳IO站，PLC為模塊化結構，硬件配置較靈活，軟件編程方便。
系統主要有如下幾個部分組成：數據采集、凈化設備監控、遠程數據訪問等。系統結構框圖如下所示。
系統結構框圖
二、現場數據采集系統
2.1 主控單元: 西門子S7—300PLC
根據水閘自動化控制系統數據采集監控系統的特點，采用西門子公司的全集成自動化產品設計。采用S7－300系列的CPU314作為主控單元，采用CP343-1以太網通訊模塊組成TCP/IP網絡、擴展I／O模塊等構成數據采集子系統。系統框圖如圖2所示
SIMATIC S7-300可編程序控制器采用模塊化結構設計，各種模塊之間可進行廣泛組合用于擴展，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。因此，采用它們無論在獨立運行中或相連成網絡時，都能實現復雜控制功能。軟件編程利用STEP7指令的強大功能，能夠滿足我們的各種需求。根據系統要求PLC主要使用模塊如下：
① DI模塊用于各設備的數字量采集，監控系統的運行狀態。
② AI模塊通過壓力、濁度、余氯等監測儀輸入4－20mA標準信號監測管網的壓力，濁度和余氯。
③ AI模塊通過智能水位儀輸入4－20mA標準信號測量渠道水位，清水池液位。
④ SM322模塊用于繼電器輸出，用來控制系統設備的運行。
通過PLC程序的運行，可以完成對現場設備數據采集和控制功能。
具體功能如下:
① 凈化系統及輔助清水池的設備、液位控制，并對設備運行狀態等進行監視。
② 智能水位儀的控制，并接收處理當前水位信號。
③ 管網在線檢測監控。
④ 手動與自動的切換及操作。
⑤ 故障保護功能，******設備運行的安全性。
2.2 智能水位計
在本系統中水位的測量至關重要，是整個自動控制的關鍵，是各種動作實現，得以順利完成的基礎。為此系統在選用傳感器時，做了充分的比較，**后選用：麥克傳感器公司的MPM460(MPM460W/MDM460)型多功能智能壓力(液位/差壓)變送控制器
上下游水位是一個十分重要的參數，水位測量的******與否,直接關系到閘門的控制效果。在實際運行過程中,由于淤泥和風浪等因素的影響,常常使傳感器堵塞或誤計數而產生較大誤差。MPM460型智能液位傳感器是壓力型傳感器,基本上不受風浪影響，考慮到河道淤泥,采用非零位安裝法,把液位傳感器安置在淤泥面以上,在計算時把測量值加上河床到傳感器的垂直距離,從而得出實際液位值，更好地避免淤泥對液位產生的影響,使測量值達到很高度。的精
產品特點
·RS485半雙工通訊接口，能夠進行數據信號傳輸和遠程調校，方便組網，易于與無線MODEM接口，實現數據無線遠傳
·傳感器分別采用擴散硅壓阻式壓力、液位、差壓傳感器，同時在出廠前采用非線性數字修正技術進行了補償，提高了產品精度
·變送器經過嚴格測試和篩選，性能******，電子殼體采用鑄鋁件，整機防護等級達到IP65
·現場可通過按鍵手動調校和進行參數設置，操作方便
·可進行LED測量值顯示和LED狀態信息顯示
·可提供**多五路壓力控制接點
·產品符合國家船舶檢驗《船用電工電子產品型式試驗規程》的有關規定，并經天津船舶檢驗局型式認可合格，型式認可證書編號TJT02230014
·產品系列形式多樣，有多種壓力接口和標準輸出信號供選擇，靈活方便
2.3水質監測設備
在線PH計 用途：測量、顯示和傳輸水處理過程中的pH值和溫度。
探頭：
（1）電極：差分電極，帶雙階參比電極（接地電極和參比電極），自動溫度補償；
（2）測量范圍：0~14pH/-5~95℃；
（3）靈敏度：≤0.005pH；
（4）穩定性：每 24 小時 0.03 pH，不累積；
（5）探頭****傳輸距離：914米；
（6）防護等級：IP68；
（7）電纜線長：8米；
（8）安裝方式：浸沒式；
變送器：
（1）工作環境：-20-60℃，0~95%相對濕度，無冷凝；
（2）精度：0.1%；
（3）重現性：0.1% ；
（4）溫度補償范圍：-10～110℃，自動溫度補償；
（5）顯示：LCD液晶顯示屏，可現場顯示PH測量值和溫度值，中文操作菜單；
（6）輸出：兩路0/4～20mA輸出（pH和溫度），繼電器；
（7）通訊：RS-232；
（8）防護等級：NEMA4X，IP66；
（9）電源：180～260VAC，50/60Hz；
（10）安裝方式：壁掛/面板/管道式安裝；
2.4 固體懸浮物/濁度分析儀
用途：用于水廠進出水中固體懸浮物和濁度的測量、顯示和傳送。
探頭：
（1）原理：雙光束近紅外光/散射光，90°和140°檢測器，不受樣品顏色干擾；
（2）測量范圍：固體懸浮物：0～50g/L，濁度：0～1000NTU；
（3）精度：測量值的±1%；
（4）重現性：1%；
（5）響應時間：<1秒，可調整；
（6）形式：316不銹鋼材質，具有自診斷功能和機械式刮片自清洗功能；
（8）工作溫度：2℃～40℃；
（7）防護等級：IP68；
（8）電纜長度：8米；
（9）安裝方式：浸沒式或管道式；
變送器：
（1）工作溫度：-10℃～40℃；
（2）顯示：LCD液晶屏，圖形和數字顯示，具數據存貯記錄功能；
（3）探頭輸入：雙通道；
（4）輸出：兩路0/4~20mA，繼電器；
（5）服務端口：RS232；
（6）通訊協議：MODBUS、Profibus DP (選配)；
（7）防護等級IP65；
（8）電源：230±10%VAC，50/60Hz；
（9）安裝方式：壁掛或面板安裝；
2.5 清水池液位監測設備
靜壓傳感器供電電源：24VDC
輸出信號：4～20mA、1～5V、0～10mA、0～20mA、0～5V、RS485；
量程范圍：0～0.5m…200m水柱；
補償溫度：0～80℃
介質溫度：0～100℃
環境溫度：0～85℃
材 質：全不銹鋼
綜合精度：0.1、0.3、0.5級可選
零點溫度漂移：±0.03%FS/℃
靈敏度溫度漂移：±0.03%FS/℃
過載壓力：200%FS
長期穩定性：≤0.2%FS/年
2.6 管網壓力監測設備
恒流供電：推薦1.5mA
恒壓供電：推薦10VDC
測量范圍：0～20kPa…100Mpa
補償溫度：-10～70℃
工作溫度：-40～125℃
輸入阻抗：3kΩ～6kΩ
介質兼容性：與316L不銹鋼兼容的介質
充灌液：硅油
零點輸出：±2mV
滿量程：≥100mV（典型）
零點溫度漂移：±0.02%FS/℃
靈敏度溫度漂移：±0.02%FS/℃
過載：200%FS(10MPa以下)；150%FS（25MPa以上）
響應時間：≤50μm（上升到90%FS）
長期穩定性：≤0.2%FS/年
2.7 Zigbee系統介紹
u 網絡數據采集模塊（SC88436B 可與移動網絡或計算機連接）；
u 使用抗干擾DSSS技術，2.4G免費頻段，3822個信道；
a) 每個信道帶寬1 Mhz ；
b) 波特率：250kbps,125kbps,……19.2kbps,…..1.2 kbps(可調)；
c) 原機配有10厘米長鞭狀防水天線，可選用50厘米或120厘米長
全向高增益天線，或120 x 240 x 40 mm 的板狀天線，對應相同
SC8836B模塊雙向實測可視通信距離：3000-- 8000米，視使用天
線，及天線架設高度，以及環境而定；與SC8836a 實測可視通信距離250米（接受）/1500米（發射），天線離地高度3米；與SC8836b 實測可視通信距離1500米（發射）/2000米（接收）；
d) ****發射功率100毫瓦（20dBm）;****發射電流350mA;****接收電流26mA; ****功耗（使用5 V電源時）< 2 瓦；
e) 供電電壓：2.7 – 5V 或220 AC市電；
f) 接收靈敏度 -105 dBm - 13 dBm 信噪比增益 = -118dBm；
g) 控制單片機：Atmega88或Atmega 128L。
u 用戶可根據自己需要對使用頻率，波特率，發射功率等進行選擇調整。
2.8 監控系統軟件設計
主控制室采用WebAccewss作為上位監控軟件，WebAccess作為一種網際組態軟件,是**********基于瀏覽器的人機界面（HMI）和 監控及數據采集（SCADA）軟件。 WebAccess 具有以下的主要特點：
2.8.1 網絡上的客服端（Client）能組態與監控遠方的設備
通過標準的瀏覽器（如IE 6.0）與客戶端插件相結合，使用者就能監控遠方的自動化設備，而且******數據傳輸是實時（real-time）的；動態的控制畫面也隨數據傳輸。
2.8.2 Active X 控件
插件程序是一Active X控件，它可以在瀏覽器（IE 6.0）上執行，所以您看到的是動態圖畫。
2.8.3 內建自動化設備驅動程序
該軟件包內嵌硬件設備驅動程序。這些支持的自動化設備包含各廠牌的PLC，數據采集IO，直接數字控制器（DDC），分布式控制系統（DCS）等。目前市場上各大品牌的PLC均包括在內。
2.8.4 分散架構的SCADA節點
SCADA節點直接連結自動化設備，每個SCADA節點都是獨立的，透過網絡可以分散架構在工廠的各角落，或世界各地。SCADA節點提供報警、各種記錄、報表、動態圖形等，它有自己的數據庫。
2.8.5 中央數據庫服務器
工程節點就是中央數據庫服務器，它將保存SCADA節點的資料、圖形，所有在網絡上的客服端及SCADA節點都由中央數據庫服務器控制與管理。包含登錄，下載，安全管理等。
2.8.6 工程節點的Web服務器
工程節點是用Microsoft IIS（Internet Information Server）作為網絡管理，客服端及SCADA端的初始連接，就是由工程節點完成。注意！工程節點是****的中央Web服務器，它也扮演冗余系統的
角色（Redundant）。
2.8.7 強力的安全系統
在網絡上監視及控制，很多人可能認為不安全，其實這是多慮的。因為WebAccess采用的是多疊式的安全體系，如：進入時，就需遠程存取代碼。使用者帳號及密碼。將使用者類型分5級，各級之間權力不同，有的只能看，有的能更改點的值。將監控點（tag）分34區（area），分127級（level）。沒有授權的區及等級，則不能更改該點的值,另外還有Windows 2000內建的安全系統。
2.8.8 報警處理
WebAccess提供完整的報警系統，每個點都可配置報警處理，分為High-High， High， Low，Low-Low，四種及參考點報警、急速變化報警二種。報警處理都有一定的格式報表，只要依實際需求填寫就可產生相關報警報表。
2.8.9 數據記錄及歷史驅勢圖
數據記錄圖就是歷史驅勢資料圖，一般橫軸是時間，縱軸是點的值。也可配置成 X-Y圖（X-YPLOT）。
2.8.10 用Tcl語言的腳本（Script）程序
Tcl語言能控制 IO，且簡單易學。描述功能就是用Tcl語言寫出程序，除了用以控制外圍的IO，尚可定制圖形顯示、數學與邏輯運算，這種功能比PLC程序還好用。
2.8.11 攝像
若相機具有IP地址，則可將遠方設備圖像立即傳回，用以監控工廠的一切。監視影像與監視各種顯示動畫是相同的，但影像是更生動。
2.8.12 SCADA節點的冗余系統
這是軟件的備援系統，當SCADA節點主機當機時， 冗余系統立即啟動。其實主機及冗余系統都是同時動作，但只由主機通訊，主機當機時，冗余系統接替主機工作。
本系統通過安裝在工控機上的通訊處理器和PLC進行通訊，實時監測現場數據。WebAccess在系統中承擔了數據管理、報警、趨勢、數據記錄及中文報表等工作。操作員通過操作終端詳細了解設備運行情況，實時監控現場設備。根據系統的要求，通過WebAccess編寫了良好的用戶界面。水位狀態，閘門的啟閉狀態，閘門的真實位置都可以在計算機屏幕上一目了然地生動地再現。控制系統界面做到了簡潔易讀，且操作簡單，圖中顏色能夠隨著閘門位置，水位的水位變化而相應變化。視頻信號同時嵌入到WebAccess中，可以實時監看水情，查詢錄像信息。
該系統實現的主要功能有：
(1) 控制工藝流程，實時數據的顯示，包括顯示管網狀態，水庫水位信號與運行狀態信號等。
(2) 接收上位機運行指令，根據上位機下發指令進行水廠凈化設備、泄洪渠監控設備的控制。并動態顯示其操作過程。
(3) 閘門啟、閉運行自動記錄功能，數據報表的生成，編制打印運行日志、月志、年統計表。
(4) 故障記錄查詢及報警功能。
(5) 用戶安全等級的設定。
(6) 實時數據庫及歷史數據庫的運用。
(7) 嵌入式視頻廣播系統
2.9 PLC編程軟件
采用國際標準IEEE61131-3的編程方式，多種語言和多種方式混合編程，如梯形圖、功能塊圖、順序功能塊圖等，多種編程語言可靈活的用于同一個工作表中；帶有故障自診斷功能，在系統運行的過程中故障診斷軟件不斷地監視系統運行的狀態。
該軟件應具備完善功能，如PID控制運算、中斷設定、浮點型數據運算、功能塊用戶自定義、二重化及其設置、故障自診斷、在線監測等，能******滿足本水廠的實際控制需要。
具有開放性和擴展性，使系統易于升級和進一步開發。
支持多種通訊方式和協議，使系統具有較好的開放性。
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