随着城市化进程的加快和人民生活水平的提高，对自来水的需求将越来越大，城市管网规模也将越来越庞大。为了满足日益增长的城市现代化的发展，建立一套先进的供水井群控制（地下取水）、自来水管网监控系统几乎成为每个自来水公司面前的一项不可缺少的工程，而基于新一代智能RTU的无线SCADA系统更是供水技改项目决策层颇为青睐的解决方案。

    为了适应城市现代化、供水信息化发展，有效地实现微机“三遥”（遥测、遥控、遥信）功能，实现供水调度的智能化和生产管理的现代化，吴忠市自来水公司在第二水厂建设项目中，设计采用基于智能RTU的无线SCADA供水系统的实施方案。

1  工程概述

    宁夏吴忠市第二水厂是一新建项目。长期以来，吴忠市市政供水由第一水厂供水。近年来随着城市规模的不断扩大，第一水厂系统供水已越来越不能满足城市工业生产、居民生活用水的需要，必须建设新的市政供水系统―第二水厂供水系统。该项目设计采用供水井泵将水输送至自来水厂，经加压泵二次加压的供水运行模式。

    吴忠市第二水厂供水系统设计水源井12组，24眼，担负着市区生产、自来水的补充和供给任务。在第一水厂设计的基础上，要求无线SCADA系统从系统的实时性、先进性、可靠性以及可开发性等方面“与时俱进”，全面实现真正的供水调度自动化，并为今后的供水信息化建设奠定坚实的基础。设计目标定位在安全、可靠、经济、实效，实现信息采集实时化，信息处理自动化、供水调度自动化，变静态管理为动态管理，供水调度员可以根据市区管网的变化和各水厂运行参数的综合分析，合理的调整水泵的运行状态和管网压力，真正达到供水系统的稳定和经济运行。

2  设计中考虑的几个关键问题

        (1)  数据的实时性问题

    基于普通RTU的无线SCADA系统，在国内应用并不少见，但总体效果并不理想。国产RTU的厂家很多，无论采用单片机＋无线MODEM一体化，还是PLC＋无线MODEM一体化，其理论数据传输送速率达9600bps，而实际负载运行时达到4800bps都有点困难。并且受天气和地理环境位置的影响较大，受电磁干扰也大，这远远不能满足工业供水及系统实时性要求。所以系统设备定位在进口RTU产品，市场上主要有ELPRO系列RTU，MOTOROLA系列RTU等。

    中国无线管理委员会规定了大多的供水系统的工作频段在220～240MHz，这决定了无线通信速率不可能很高，现在做得较好的可达19200bps，而且带宽较窄。这就要求要充分利用有限的带宽来实现数据的实时性采集。对无线调度监测系统而言，一般都是以点测或召唤应答方式进行工作，以定时轮询的方式取得各分站的数据，以实现分时利用有效的信道。但是这不是解决问题的根本办法。主要因为现在绝大多数RTU子站只能作为从站，而不能作为主站或对等节点进行数据交互式传输。

    当然有的RTU也可以对等数据传输，采用POLLING方式定时上送，这也会造成信道拥堵现象。更为严重的是，会出现信号采集死区。例如，当某一供水区发生爆管时，水压下降，若此时既无点测，又没到定时轮询时间，该区管网测压点不可能将突然下降的压力值及时传送到调度室，造成未能及时处理管网异常。

    所以在SCADA系统运行中，为了保证数据的可靠性和完整性，一方面要求实现无线对等数据传输，即双向通信，实现变化上送（REPORT）方式和定时上送（POLLING）方式相结合，变化上送可保证无线信道的最大利用率，而定时上送可保证系统数据的更新和完整性；另一方面在I/O组态中要求配置模拟量测点的限值、梯度参数，一旦越限或越梯度则可实时上传数据，避免造成因为不能实时采集到故障信息而造成更大的损失。

        (2)  系统的柔韧性问题

    系统柔韧性是当今信息科技不得不考虑的问题，作为“数字化”供水时代的今天，市政供水企业越来越注视基于WEB技术及“Infranet　+　Intranet　+　Internet”一体化供水信息管理系统技术。在未来的供水信息网除了生产管理系统外，还包括营业收费系统、表务管理系统、热线报修系统等客户服务系统（CSS），办公自动化系统（OA），管理信息系统（MIS）。当实现数据的集散控制后，要求实现TCP/IP网络协议和Internet应用技术，实现各种信息网的互联，达到数据和资源共享。

    可扩展性是系统柔韧性的另一方面。随着城市化进程的加快和居民的增加，供水的地域范围和规模也在不断地的扩大，供水调度系统的功能要求不断升级。在对原有供水调度系统进行扩展的时候，往往由于系统的可扩展性差而导致大量淘汰原有设备，造成原有投资的浪费，增加了扩展成本。或者由于决策时无法接受这种浪费和高成本，放弃高性价比的产品，选择已经相对落后的同类产品用于扩展，结果导致投资产出比低下，使系统无法充分发挥作用。为了避免这种情况的发生，在建立城镇供水调度系统时必须要充分考虑系统的可扩展性，作为无线SCADA系统也要求具有良好的柔韧性，即根据供水管网规模实时增加无线RTU子站，在系统上要求有足够的可扩展性。一般情况下无线RTU子站数不会超过128个。如果更大的供水管网规模怎么办，采用什么方式解决，这是供水系统“与时俱进”的问题。

        (3)  设备的可靠性问题

    可靠性是指设备在指定条件下，在指定时间周期里，完成其预定功能的能力。是指在一定的运行时间里出现故障次数的概率。可靠性的好坏由各部件(包括设备硬件和软件)本身的可靠性以及将各部件整合时的合理性所决定。一般采用平均无故障间隔时间（MTBF）衡量。

    不同供应商的无线RTU产品所采用的元气件的性能和整体设计制造、整合能力有很大差异，因此产品的性能存在着巨大差异。目前市场上无线RTU又可以分为集成一体化式和分立式两种。前者为专业性的公司生产，提供的是无线RTU的整体MTBF指标。而分立式由不同厂家的产品组合而成，方式多样。由于存在太多的不确定因素，确定无线RTU的整体MTBF指标会比较困难。而MTBF指标的高低直接影响着设备运行后的管理和维护成本。

    在设备选型过程中，为了保证设备的利用率，一方面要求各部件MTBF指标大大超过系统的运行时间，同时要求系统整合后MTBF时间应不低于8000小时。具体到RTU子站，要求选用低功耗的RTU，并要求采用休眠工作方式工作。

        (4)  系统可维护性问题

    可维护性是指系统在给定的使用条件下，当发生故障后，恢复其全部功能及正常工作状态的能力。一般采用平均故障修复时间（MTTR）进行衡量。

    在设计中要求RTU设备具有故障自诊断功能，能在第一时间确定发生故障的位置，并在上位计算机中显示。可以大大缩短故障确认时间。

    准备工作包括备件的准备，维修计划的制订，维修人员的安排，维修设备的准备等。采用专业性公司集成一体化的无线RTU，由于接口少，备件容易准备且售后服务可以有保证。提高管理水平，加强备件管理，缩短制订计划和人员安排的时间。

    修理时间由维护人员的专业技能，设备拆装和修理的难易程度所决定。设备修理的专业要求高的对维护人员的要求就高，人员培训费用和人员流失风险也高。修理时间也会较高。可带电热插拔的设备，由于拆装方便，可节省维护时间。

        (5)  供水信息化建设

    城市供水体系是一个由城市人群生产生活过程产生的、物理位置分散、分布参数多、生产过程及结果透明度高的开放型系统。系统设计、软硬件设备选型都要坚持开放性。只有坚持开放性原则，充分利用各种社会资源，才能节省投资。根据以上技术特点，基于TCP/IP网络协议和WEB应用技术的SCADA结构模型―基于WEB技术及“Infranet+Intranet+ Internet”一体化供水信息管理系统是比较理想的。在选择模型上应选用系统稳定性好、维护量小的B/S，不宜采用平面型多层次的网状C/S结构。未来的供水信息网除了生产管理系统外，还包括营业收费系统、表务管理系统、热线报修系统等客户服务系统，办公自动化系统，信息管理系统。当实现数据的集散控制后，要求实现TCP/IP网络协议和Internet应用技术，实现各种信息网的互联。本工程中这是第二期工程，但要按照自来水公司信息化建设规划纲要总体规划进行实施。

3  GPRS解决方案的几点考虑

    勿庸置疑，GPRS大幅提高了频谱的利用和开发，在移动数据服务和语音数据服务中有其独有的优势，但仍存在许多不完善的地方。

    (1)  有限的蜂窝站容量。GPRS的应用会冲击现有的网络容量。仅有有限的射频资源允许用来开发新的用途，达到一个目的就达不到另一个。GPRS对容量的影响取决于留给GPRS应用的时隙多寡。GPRS可以动态管理频道配置，可在信号流量高峰期时使用短消息传送以减少频道的负荷。

    (2)  传输延迟。GPRS封包数据向各个方向传输，最终到达同一目的地。这种传输途径使被传输数据包有可能在射频链中遗失或损毁。GPRS标准涵盖了无线封包技术这一特征并采用数据整合和再传方法，但可能造成潜在的传输延迟。

    (3)  没有储存和发送功能。SMS的存储和发送引擎是SMS中心的核心，也是SMS服务的主要功能。GPRS标准中未提及任何存储机制，除SMS与GPRS的互相链接。

    根据供水设计的独立性规划，以及GPRS的技术特点和无线RTU的优势，综合比较后选用了无线RTU的设计方案。这种选择一方面解决了形成独立的供水系统无线局域网，另一方面可以很好的实现未来供水信息化的需求。

4  系统决策方案

    从宏观上考虑，吴忠第二水厂供水信息化建设采用分二步走的战略。第一步实现基于智能RTU的无线SCADA供水调度系统；第二步实现基于WEB技术及“Infranet+Intranet+ Internet”一体化的供水信息管理系统。

    针对上述分析，该厂在第一步战略中，选用了澳大利亚ELPRO系列智能RTU，实现无线SCADA供水系统的改造和建设。该RTU主要具有如下特点：

    (1)  从数据实时性方面，真正实现了REPORT方式和POLLING方式相结合，有效了解决了数据实时性和完整性问题。可通过I/O组态避免管网压力采集死区。

    (2)  从系统柔韧性方面，可有效实现系统的扩展。它可通过设定系统地址满足市政供水规模扩大的需要。每个系统地下最多可设定96个RTU子站。

    (3)  从系统可靠性方面，ELPRO智能RTU子站MTBF高达80000小时，这是RTU一体化后的MTBF。此外由于系统采用了独特的抗干扰屏蔽专利技术，大大提高了无线系统的可靠性。

    (4)  从系统可维护性方面，采用了一体化技术，标准化DIN导轨安装，带电可插拔接线端子，多种科学的供电方式，这些专用特点都有效提高了系统的可维护性。

    (5)  从信息化建设上看，ELPRO一直致力于供水系统的信息化建设，先后生产出了基于MODBUS、PROFIBUS、DF1和ETHERNET的中心调度机，这一点对实现供水信息网的网络拓扑结构大有裨益的。

    此外，该系列智能RTU还具有五级中继功能，这大大节约了中继设备成本；在RTU子站供电方式上，采用科学的供电方式，交直流供电、电池供电和太阳能供电三种方式，这给现场的设备安装供电带来更多的解决方案。

    基于智能RTU的无线SCADA供水调度系统主要由两层控制实现，上位系统主要由一套工程师站，一套操作员站、中央调度机及交换机等构成；现地控制系统主要由二级泵房现地工作站、水源井远程终端工作站RTU12套、城市管网测压RTU12套组成，其中二级泵房现地工作站选用Modicon Quantum系列PLC和一套通信前置机，兼作现场人机交流界面。

图1系统网络图

    系统网络如图1所示。系统集控制、数据采集功能为一体，采用“集中管理、分散控制、数据共享”的原则，由中央监控工作站和现场分散控制站组成全厂的工业控制网络，完成整个水厂的生产过程控制、工艺流程显示、设备运行状态的检测及故障报警。中央控制室配备有大屏幕模拟屏。

    数据采集实现原理：原始数据由PLC和RTU采集进来打包后传送给现场控制站，由现场控制站通过以太网/总线传向中央控制站，中央控制站将数据通过动态数据交换赋值给图控软件，图控软件在人机界面显示及生成实时数据库的同时，通过ODBC将数据送SQL数据库。

5  结语

    在整个项目决策过程中，ELPRO中国公司与吴忠市政供水决策层进行紧密的合作和探讨，一方面就新一代智能RTU的发展趋势和无线SCADA系统在供水行业的应用作了全面分析和综合把握，并针对第一水厂SCADA控制系统存在的问题寻求出良好的解决方案。本决策方案正在实施过程中。可以预期，基于新一代智能RTU的无线SCADA系统将会翻开吴忠市供水行业的新的篇章。