摘要：针对机场一期供水系统水压不稳，自动化程度低，可靠性差等问题，设计采用一套以PLC、计算机、变频器为控制核心并配以多种仪表设备和水泵机组的SCADA--数据采集与监视控制系统。该系统具有可靠性好、自动化程度高的优势，同时配以故障报警和智能监控台，体现现代智能控制理念。
关键词：SCADA数据采集与监视控制系统； 可编程控制器； 变频器； 自动供水系统
The design of an airport automatic water supply system
Abstract：As the unstable water pressure with a low degree of automation for the airport water supply system，it always makes poor reliability.The design uses a PLC，computers and some frequency converters as the core of control and it also has a variety of instrumentation and a pump unit,that is called SCADA—the Supervisory Control And Data Acquisition.This system has a good reliability,a high degree of automation,connected with failure alarm and intelligent monitoring units,it reflects the modern concept of intelligent control.
Key words: Supervisory Control And Data Acquisition; Programmable Logic Controller; inverter; automatic water supply system
1. 引言
机场的生活用水由市政供水管网供应，该供水进入机场范围后一部分直接作为生活用水供应，另一部分则流入蓄水池以保证高峰期的供水需求。一期供水工程采用的是传统人工操作无自动模式，在市政水压过低时依靠人工启动适宜台数的水泵机组并手动调节出水阀门以维持一个相对合适的水压。实践证明，该一期供水系统对市政管网水压依赖性高，电机启停频繁，自动化程度低，故障几率大，特别是在用水高峰期水压容易波动，难以控制。
随着电气自动控制行业的发展，特别是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统SCADA系统构建的日趋成熟，电气化领域已开始广泛应用SCADA在设备监视，数据采集，参数调控等方面的优势。SCADA系统针对机场供水系统的不足，可以引入PLC控制及PID变频调速机制实现自动恒压供水，配备监视报警装置后可进行手动/自动控制的切换，保障了系统的安全运行，能有效解决机场供水系统自动恒压供水的问题。
2. 供水系统组成
该系统主要包括机场调压站的及具有人机界面的中心调控室两部分。 1)调压站
调压站继续沿用一期工程中的相关设备，由封闭式蓄水池、二氧化氯消毒设备、加压设备组成，其中加压设备组采用自灌式工艺流程的半地下式泵房，配有三台专用生活用水给水泵。考虑到市政与自来水管网水压相配合，设定水泵出水口压力350KPa。通常情况下水泵机组采用两台工作，一台备用的轮换制。
2）中心调控室
中心调控室承担该供水系统的自动调控，故障处理，供水流程概况显示等操作，是SCADA系统的设备核心所在，包括PLC模块、变频器模块、UPS电源、中控室操作台、通讯模块、打印机、人机界面大屏幕监视和故障报警等系统结构单元。
系统结构见示意图如图1
图1 SCADA系统模块分解简图
3. 自动恒压供水原理
系统的感受部分有分设在各主要管网入水口的压力变送器构成。该套系统主要有以下几个工作状态：
1） 当市政自来水压力高于设定压力350KPa时，说明管网压力无需补偿，直接由市政自来
水供水，蓄水池完成基本的进水存储；
2） 当检测到市政自来水压力低于350KPa时，感受器通过模数转换模块将低压信号传送至
PLC控制台，PLC控制单元首先控制人机界面做出调压动作显示，同时通过PID算法，计算出频率偏差量△f(t),随后变频器给出相应的输出频率来控制水泵电机转速，达到调整出水压力，控制管网恒压供水的目的。此时为了保障系统安全，PLC还设置了蓄水池最低水位限制的相关监控；
3） 经过一段时间的变频调速水压补偿，管网压力重新回升至设定值附近，这是人机界面提
示工作状态良好，水压符合供应需求，调压站水泵机组维持在低速节能运行模式。 4） 从自动调控转换为手动操控。该系统正常工作时主要依靠系统预设的的各项参数自动完
成变频调速过程，但同时也配备了手动控制的转换。手动转换可以完全脱离自动控制设备，依靠旁路继电装置开合水阀，启动水泵。手动控制的部署进一步提高了系统运行可靠性。
4. SCADA系统功能的实现
4.1 系统功能
控制中心由两台互为热备用的PC工作站组成，可在线均分计算任务，工作性能由于主从备用。该控制中心主要包括管理功能和控制功能两大块。管理功能即生成整个供水系统的工艺流程，供水调控的动态图，反应实时数据，完成报警、历史记录的显示存储、报表打印等功能。控制功能即在基于数据图形和操作菜单的方式上，操作人员通过键盘鼠标或直接由预设指令下达各项调度控制指令。其中管理功能按一下三个层面叙述：
1）现场测控层：现场测控层有8个PLC分站，光纤环形以太网交换机及各项检测仪表等组成，用于完成数据的采集，主要是压力变送器对管网压力的实时反馈机制以以及液位变送器对蓄水池上下限水位的系统安全监测机制；
2）中间监控管理层：中间监控管理层主要完成的是分散信息的汇总，它将各现场PLC分站和仪表采集的各种工艺数据汇总后呈递给主控台调度中心。中控层接收到主控指令后控制相应的执行机构自动运行；
3）主控台调度中心：主控台PC机主要完成系统的运行状态分析，随时处理下级反馈数据，并给出相应的主控指令，同时在大屏幕上实现数据的动态显示。作为控制中枢，必须保证通讯的不可中断。 4.2 系统通讯
系统各项功能实现的速度及可靠性有赖于系统的通讯方式，SCADA目前主要有无线和有线两种通信方式，考虑到无线电台之间存在设备更新和纠错能力问题，我们采用更成熟的有线网通讯技术。SCADA系统采用冗余通讯的信息交互机制，主要是指采用光纤型工业以太网结构，实现系统各控制层面之间的便捷访问和数据交互。由于工业以太网具有高速冗余的安全特性，最大网络重构时间为0.3秒，这一分辨时限足以满足供水调度的时差设定限度。同时采用光纤作为通信介质，抗干扰性好，确保了通信高速可靠。
下图是SCADA系统的通信网络结构图（图2）
图2 SCADA系统通信网络结构图
5.硬件选择
1）两台PC主控机：
选用戴尔Dell Precision T1500 2）可编程控制器的选择：
PLC选用西门子公司的S7-300和S7-200系列，其中S7-300负责通过工业以太网读取压力变送值并存储在ROM存储卡中，同时通过MPI多点接口实现与人机界面（ＨＭＩ）的通信并通过CPU中的PROFIBER-DP接口与控制主线相连，用于传输调速指令至泵房控制子站的S7-200控制单元（S7-300硬件组态设定如图2），
图2 S7-300硬件组态设定
由S7-200模块控制泵房电机的具体变频调速过程。S7-200采用cpu226型带EM235模
拟量模块，I/O地址分配表见表1
接口 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 控制线 1泵自动控制 1泵运行 1泵故障 1阀全开 1阀全关 2泵自动控制 2泵运行 2泵故障 接口 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 控制线 2阀全开 2阀全关 3泵自动控制 3泵运行 3泵故障 3阀全开 3阀全关 变频器运行 接口 I2.0 I2.1 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 控制线 变频器故障 变频器自动控制 1泵启停中继 2泵启停中继 3泵启停中继 变频器启停中继 1阀开中继 1阀关中继 接口 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 RA RB M0 控制线 2阀开中继 2阀关中继 3阀开中继 3阀关中继 总管压力 变频器频率 变频器控制 表1 S7-200 CPU226 I/O地址分配表
3）变频器的选择：
选用德国西门子公司MDV5500/3变频器，当操作台选择开关置于“自动”时，变频器由PLC控制指令自动控制；当操作台置于“手动”档时，变频器由旁路装置中的可变电阻控制。 4）压力变送器的选择：
为了提升系统可靠性，DBS 316A压力变送器，该变送器性能远优于一般压力传感器 5）人机界面——触摸屏的选择：
触摸屏用的是西门子产品，型号为TP270-10、10.4英寸真彩色触摸屏，用以完成工作状态显示，开关显示，动态数据显示，报警显示等功能。 6）工业以太网网卡和通信处理器的选择：
网卡选用CP1613，带微处理器的PCI以太网卡，可以将PG/PC连接到以太网网络并实现时钟的网络同步；
通信处理器选用能够在以太网上独立处理通信数据的CP343-1模块 7）打印机：
选用型号为佳能 LBP 3500，打印速度每分钟15页，符合系统需求 8）不间断电源UPS：
选用美国APC UPS 3KV/60min
6. 结束语
随着电气控制技术的日渐成熟，采用SCADA系统具有集自动控制，网络通信，实时监控等诸多优点，已广泛应用与工业调控及日常生活的各行各业，在电气控制，特别是监控与自动调度领域具有不可取代的地位。本设计的数据采集于监视系统满足机场供水自动化控制需求，能很好地实现自动供水系统的运作。
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