基于污水收集的SCADA系统设计与实现

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 3.09MB 57 页 15积分
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I
摘 要
SCADA系统是工业应用中的监督控制及数据采集系统，主要目的是对地域
分散的目标进行监视和远程控制，它的应用领域很广，在给排水领域已经获得广
泛的应用。城市污水管网是城市污水输送的血管，起着分流污水，分配流量，保
证污水输送安全的重要作用。SCADA系统在污水采集系统中的应用能够极大地
提高污水网管理的效率，同时减轻操作员的负担，使污水管网保证完全高效运行。
SCADA系统主要包括主终端单元(MTU)，远程终端单元(RTU),以及RTU和MTU
间的通信网络，其中RTU的数据采集，现场控制和RTU与MTU间的通信网络配
置处于重要的地位。因此，SCADA系统的实时数据库技术对数据采集的支持，
污水泵站系统运行工艺的设计，主站和从站单元的网络结构的架设及通信协议的
选用都显得极为重要，这些都是SCADA系统能否安全高效运行的必要条件。
SCADA系统采用的实时数据库对实时数据采集的支持以及实时事务的限时
处理保证了数据可靠安全的应用；SCADA系统中采用的数据传输方式可分为有
线通信和无线通信两种。由于大部分站点在地域上分散，不利于建立有线传输网
络，因此本文采用了经济高效的无线传输GPRS作为数据传输介质，即物理层由
GPRS实现，在协议层我们使用了通用的工业总线传输协议MODBUS协议，以
MODBUS协议帧格式发送和解析数据传输包。GPRS在SCADA系统中的应用保
证了SCADA系统在工控领域的广泛应用。
通过 SCADA 系统在实际现场的应用，作者看到了 SCADA 系统给整个污水
采集管网带来的便利和高效，同时也发现了无线传输网络在安全性上的一些不
足，并提出一些解决方法，这为以后 SCADA 系统在污水领域的应用提供了广泛
的实际应用价值。
关键词：污水采集 SCADA 系统 GPRS 实时数据库 MODBUS
协议.
II
ABSTRACT
SCADA system is applied in supervisory control and data acquisition of
industrial system, to monitor and take remote control of geographically dispersed
target, its application area is wide and has been used widely in drainage. Urban
sewage pipe network is the blood vessels of urban sewage conveyance, has great
efforts on distributing flow and ensuring the safety of pipe net. The application of
SCADA in sewage collection system could greatly improve the efficiency of sewage
network management and release the burden of operators. SCADA system includes
the main terminal unit (MTU), Remote Terminal Unit (RTU), as well as the
communication between the RTU and MTU. In SCADA data acquisition , on-site
contril and communications is at an important position . Therefore, the RTDBMS
support to data collection ,control process of pumping station and the communication
structure are obviously extremely important, they are necessary conditions for security
and efficiency of SCADA.
The support of real-time DBS and real-time transactions in SCADA ensures the
reliability and security of sewage collection system, the data transmission in SCADA
could be divided into wireless and wired communication. As the geography dispersing
of most of sites, we used wireless transmission GPRS as data collection medium in
physical layer, and general industrial FieldBus Transfer Protocol, MODBUS, in
protocol layer, therefore we could use MODBUS protocol frame format to send and
parse data packets. GPRS in SCADA ensures that the wide range of industrial control
apply of SCADA.
According to the actual work, we conclude the convenience and efficiency of
SCADA in sewage collection network, but also found some deficiencies on GPRS
security and propose some solution which will offer great practical values in future of
sewage field.
Key Word：Sewage Collection, SCADA, GPRS, RTDBS, MODBUS
Protocol.
目录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论................................................................................................................. 1
§1.1 课题来源背景............................................................................................... 1
§1.2 SCADA 系统概述 ..........................................................................................1
§1.3 SCADA 系统国内外发展现状 ......................................................................2
§1.4 本课题的内容和任务................................................................................... 4
第二章 分布式网络系统设计..................................................................................... 5
§2.1 分布式污水泵站综述.................................................................................... 5
§2.1.1 污水泵站工艺..................................................................................... 5
§2.1.2 分布式污水泵站系统......................................................................... 6
§2.2 分布式网络系统总体设计............................................................................ 6
§2.3 MODBUS 网络设计 ..................................................................................... 7
§2.3.1 MODBUS 协议综述 ............................................................................ 8
§2.3.2 MODBUS-RTU 协议........................................................................... 8
§2.3.3 MODBUS RTU 工程应用 ................................................................... 9
§2.3.4 MODBUS-TCP 协议 ..........................................................................13
§2.4 GPRS 网络设计.......................................................................................... 17
§2.4.1 GPRS 特点及性能分析 ..................................................................... 17
§2.4.2 采用 GPRS 技术的数据传输方式 .................................................... 19
§2.4.3 GPRS 在污水采集 SCADA 中的应用 ..............................................20
§2.4 本章小结..................................................................................................... 22
第三章 污水采集控制系统总体设计....................................................................... 24
§3.1 控制系统总体设计..................................................................................... 24
§3.1.1 系统功能机构设计........................................................................... 24
§3.1.2 分控站系统功能............................................................................... 25
§3.1.3 中控站系统功能............................................................................... 25
§3.2 沪淞路分控站设计..................................................................................... 26
§3.2.1 沪淞泵站简介和控制流程............................................................... 26
§3.2.2 沪淞泵站控制工艺描述................................................................... 27
§3.3 庙前泵站分控站设计.................................................................................. 32
§3.3.1 泵站简介及控制系统的组成............................................................ 32
§3.3.2 庙前泵站控制工艺设计................................................................... 32
§3.4 本章小结..................................................................................................... 35
第四章 SCADA 系统功能设计 .................................................................................36
§4.1 SCADA 系统概述 ........................................................................................36
§4.2 实时数据库的设计..................................................................................... 38
§4.2.1 实时数据库概述............................................................................... 38
§4.2.2 实时数据库的设计思想................................................................... 39
§4.2.3 数据采集接口................................................................................... 41
§4.3 SCADA 系统冗余设计 ................................................................................42
§4.4 历史数据库的设计...................................................................................... 44
§4.5 报警系统的设计.......................................................................................... 45
§4.6 系统通信安全策略...................................................................................... 47
第五章 总结与展望................................................................................................... 50
参考文献..................................................................................................................... 52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................... 54
致 谢......................................................................................................................... 55
第一章 绪论
1
第一章 绪论
随着经济和社会的飞速发展，人们认识到环境的污染愈来愈严重，而其中
水污染直接威胁到所有生物的生存。由于城市规模的不断扩大，城市污水产量大
幅提高，城市污水泵站数目越来越多，结构越来越复杂，并出现各种突发情况，
因此需要对城市污水采集实施实时全程监控，以确保污水输送的安全。加强污水
采集自动化技术的研究，以提高我国污水处理工业的综合竞争力，成为我国工业
发展中的重要课题。
§1.1 课题来源背景
本课题来源于上海市松江污水厂污水收集泵站自动化系统建设。为了解决
松江污水厂的污水处理问题，根据松江区排水总体规划，对松江区污水厂的十三
个泵站实施自动化改造，实现集中监控，分散控制[1]。（泵站的一些具体数据，
比如日流量）。该自动化工程包括十三个分站：庙前泵站；西其昌泵站；通波塘
泵站；施贤路泵站；玉树路泵站；荣乐路泵站；乐都路泵站；通波泵站；方塔北
路泵站；育新河泵站；黄墙港泵站；蒋泾桥泵站；谷阳路泵站。各个分站控制本
地设备，并要求与庙前中控室进行通讯，实施集中监控。
§1.2 SCADA 系统概述
SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集
与监视控制系统。SCADA 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系
统、石油、化工等领域的数据采集 与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电
力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA 系统是以计算机为基础的生产过
程控制与调度自动化系统[2]。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现
数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
SCADA 系统已经广泛应用在污水调度中，它能对供水设施和管网输配系统
进行全面动态检测，掌握供水设施的实时动态运行状态，保障污水采集的质量和
安全，已成为污水采集不可或缺的工具和技术手段。它在提高污水采集的可靠性，
安全性和经济效益，实现科学调度，提高调度效率和管理水平等方面有着不可替
代的作用。
SCADA 系统在污水泵站的应用是指采用智能仪表，PLC 或 RTU[3]，计算机对
污水泵站进行数据扫描，管理检测，远程控制以保证污水采集系统安全，经济，
基于污水收集的 SCADA 系统设计和实现
2
高效的运行。SCADA 技术又称为计算机四遥：遥测、遥控、遥信、遥调。本课题
松江污水采集泵站 SCADA 系统采用基于 GPRS 无线数传技术采集分布于十三个远
程泵站数据，从而监测泵站设备的运行状况，通过远程控制保证各个泵站节点实
时高效安全运行，并能帮助管理层加快决策[4]，快速诊断出系统故障状态，从而
实现污水采集系统的自动化和现代化。
§1.3 SCADA 系统国内外发展现状
与不断增加的污水排放量相比，我国目前城市管网覆盖率还相当低；不少
城市的排水管网盲点较多并且日益老化，堕待完善和更新；根据国民经济和2010
年社会发展总体纲要及2008年奥运申办报告要求，到2010年城市管网普及率要达
到50%。因此从这方面讲，我国的污水处理还处于发展阶段，从自动控制系统来
看，为了降低污水处理成本，达到减员增效的目的，就必须提高污水处理的自动
化水平，一方面提高系统运行的可靠性，另一方面通过自动化水平的提高，将劳
动力解放出来。国外借助网络通讯技术已经实现了一批人同时管理几个污水处理
厂，这也为我们提供了借鉴经验，同时由于我国已加入了WTO,随着国外资本的
进入，也向我国污水处理行业提出了挑战。而运营成本的降低，归根到底是管理
和高科技的竞争，自动化控制系统是实现这一竞争的根本保证。
进入 21 世纪，自动化与工业控制技术更深层次的渗透计算机通信与网络技
术[5]。首先，现代工厂与智能传感器、控制器、执行器分布在不同的区域，它们
之间的通信需要数据通讯网络来实现，这是网络环境下典型的计算机控制系统。
其次，计算机通信网络的管理与控制也要求引入更多的控制理论与策略。
以现场总线为代表的网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用。
使系统具备了更加强大的网络通讯功能，正在逐渐被大型生产企业所认识，基于
现场总线的过程网络控制系统得到广泛的推广。但现场总线因为其标准不统一、
通信协议不透明、信息难集成等弊端遇到自身发展的瓶颈。在现场总线系统中，
客户应用程序从数据源获取数据时，由于软硬件的不一致性，不同设备需要不同
的驱动程序，两个应用程序通常不能同时访问同一设备，导致了驱动程序的不一
致性。所以一种现场总线仅能在一定应用范围内发挥优势，并不适合所有控制现
场，在工业控制系统中仍存在多种总线并存的现象，用户仍要面临现场总线的选
择、集成以及不同协议系统之间的信息交互问题。因此，在今后一段时间内，实
现异构网段集成，利用多种现场总线共同完成测控任务是现实而必要的。
在设计异构网络化控制系统时也需要考虑多方面的因素。例如大量传感器、
启动器、驱动器、I/0 部件、变送器、变换器、阀门等设备接口开发及转换;各类
组态、监控、HMI 以及 SCADA 系统等软件的兼容性及扩展性;异构数据库管理
摘要：

I摘要SCADA系统是工业应用中的监督控制及数据采集系统，主要目的是对地域分散的目标进行监视和远程控制，它的应用领域很广，在给排水领域已经获得广泛的应用。城市污水管网是城市污水输送的血管，起着分流污水，分配流量，保证污水输送安全的重要作用。SCADA系统在污水采集系统中的应用能够极大地提高污水网管理的效率，同时减轻操作员的负担，使污水管网保证完全高效运行。SCADA系统主要包括主终端单元(MTU)，远程终端单元(RTU),以及RTU和MTU间的通信网络，其中RTU的数据采集，现场控制和RTU与MTU间的通信网络配置处于重要的地位。因此，SCADA系统的实时数据库技术对数据采集的支持，污水泵站系...

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