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【摘要】本文针对晋煤集团寺河矿用水管理的实际情况，为解决矿井用水量监测与管理等问题进行的研究。项目研究的主要目标是构建一个高效的、灵活的、准确的水量监测与管理系统，系统可以监测企业内部各个节点的用水流量，记录用水情况，统计用水数据，分析用水曲线，计算用水费用，预测管网突发事件，及时对爆管、泄漏、恒压等问题做出处理，达到节约用水的目的。
【关键词】SCADA；供水监测；系统设计
1、引言
晋煤集团寺河矿每年用水费用余额四百万元，各部门用水情况没有一个完整的统计和规划。另一方面由于供水管网是一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系统，具有隐蔽分散又不能间断运行的特点，这使得管网日常运行管理、维护、紧急爆管漏水事故处理以及管网的更新、改造、规划的实施都有相当大的难度，靠人工管理显然已经不能满足矿井供水要求。
2、工程案例
由于本工程寺河矿生产用水量很大，节约与利用水资源具有重要意义。这就要求矿井能够高效地利用水资源，但由于矿井供水管网复杂，用水区域众多，且地下管道泄漏后不能及时发现故障点，既浪费水资源，又可能造成安全隐患。为了节约和高效利用水资源，对其网络系统进行集中监测和量化管理是矿井供水管理的发展目标。
然而，供水管网系统是一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系统，具有隐蔽分散又不能间断运行的特点这使得管网日常运行管理、维护、紧急爆管漏水事故处理以及管网的更新、改造、规划的实施都有相当大的难度，靠人工管理显然已经不能满足管网现代化管理的要求。在这种情况下，采用何种技术手段来实现供水管网的系统管理成了众多用水企业亟待解决的实际问题。在这一过程中，GIS，SCADA和管网建模是给水管网现代化管理最重要的手段之一。特别是SCADA系统(Supervisory Control AndData Aquisition systems，监控和数据采集系统)，SCADA系统以整体信息化为出发点,利用高精度的现场仪表采集到详实的现场数据，并将这些数据集中管理，筛选。提取有价值的信息，形成报警，开关阀等调控手段。同时它还可构建水费查收体系，形成自来水综合管理信息平台。
3、SCADA在水量监测监控及管理决策系统的应用
大中型企业的供水系统规模大，供水范围广，由于提供企业的生产及生活用水，因此可靠性要求高，按传统的管理方式设计，管网各个分区均需要安排人员值班，各处的值班人员保持经常的电话联系，才能了解各处的泵的运行状态、出水压力、机温、水位、流量等参数。一旦泵或仪表出现故障，派人马上维修。这种管理方法不可靠，在通讯不畅或阴雨天经常会出现各种事故，造成停止供水；工人的劳动强度大，责任重；技术落后，严重制约了大中型企业供水系统的科学化、现代化。如果将SCADA引入供水管网监控系统的工作中，将会极大程度提高企业供水的管理水平，降低能耗，节约资金。
4、监控和数据采集系统（SCADA系统）的结构以及特点
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。SCADA技术包括计算机技术,通讯技术、控制技术和传感技术。现对以上四种技术做简要介绍。
1）计算机技术。计算机技术近来发展很快,不断推出新技术、新产品,帮助SCADA系统采用新观念、新技术、新产品构建系统,实现了功能强大、可靠性强、有良好现场安装界面、易于操作和维护的给水系统管理系统。SCADA系统中计算机主要用做Master或称调度中心。在平台上可以完成生产调度相关数据采集、数据处理、数据显示和数据记录等工作,具有良好图形化人机界面,实现了企业生产过程趋势分析和控制功能,为企业给水优化调度、节能降耗提供了手段。
2）控制(Control)技术。控制设备在每一个SCADA系统中都会有若干台,且对SCADA系统可靠性和价格影响最大。SCADA系统建设形成的模式有PC+PLC模式,PC+单片机模式,全部进口PC+RTU模式等。PLC是易安装、易编程,可靠性高的技术产品。它提供高质量硬件、高水平系统软件平台和易学易懂应用软件平台,应用于顺序逻辑控制和许多复杂计算方面。在给水SCADA系统中,如自来水二级泵站多泵系统控制等方面具有优势。单片机RTU只适于做测压点终端、简单水源井控制和简单环境数据采集,而全部进口的PC+RTU模式费用昂贵,所以这两种应用较少。目前较多采用的为混合模式,即PLC和单片机RTU构成混合SCADA下位机。
3）传感技术。SCADA系统生产现场层,安装着许多传感器与执行机构,完成SCADA系统生产现场数据采集与调控命令执行。传感器可分为智能型和非智能型两类。非智能型完成电量标准化信号转换和非电量理化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器工作之外,还具有上、下限报警设置,数据显示,简单数字逻辑控制,PID调节等功能。
4）通讯技术。通讯技术与设备选择是构建SCADA系统最丰富多彩部分,SCADA系统设计是否合理,与通讯技术选择十分重要。网络技术LAN WAN与INTranet、基于TCP/IP计算机网络互连与扩展技术,通过诸如网关、路由器等设施,成为SCADA系统管理层部分。串行互连总线如USB实现了系统高效率的系统接口,做到即插即用、热切换。各种测控总线标准如CAN,Dupline,等也正不断渗透到SCADA系统中,用于现场、仪表与智能终端之间的通讯。
5、SCADA运用在水量监控的设计
在水量监控中应用SCADA设计，应采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品；采用符合国际标准或产业标准的成熟可靠的软件产品；软件要具有良好的模块化以及标准的互联接口，便于组成各种规模的系统及产品和技术的更新换代；采用智能化自控设备，保证实时数据传递的快速、准确、有效、完整。
在建设供水SCADA时要注意以下几个方面：
（1）管网测压点、测流点的选择。管网中的测压点、测流点应具有代表性。测压点在管网末端布置得要多一些，而测流点则应靠近管网前端，末端小管径上的流量变化对管网影响不大，故DN200的管线上只设压力表，不设流量计。流量计选用超声波流量计，分移动和固定两种安装方式。固定式数量较少，用于环境条件好、重点监测的管段，移动式则便于按需要监测管段流量掌握管网运行状态。
（2）供水SCADA的功能設计。SCADA系统能够扫描RTU，对调度所需的多种参数进行实时监测，使调度人员能及时、准确地了解系统工况，为优化调度软件在“规则集”中作出选择，提供数据依据。数据种类分为模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出四种。监控终端RTU主要监控泵站内水泵、电机、闸阀等的工作状态以及压力；各监控点压力、流量及阀门的开启度等实时数据。通过遥控管网上主要阀门的开启度来优化管网压力和流量。SCADA系统可将采集到的实时数据在历史数据库中进行存储，同时还能监视从RTU返回的信息，并更新链路状态，使得操作员能够监视和识别通信故障，以便确定RTU的工作状态。
6、本工程SCADA具体设计
通过认真分析本项目所需应用的技术方法，同时结合项目现场实际应用需求，提出了以下主要研究内容：
（1）系统总体方案设计。本系统总体划分为三个层次：上位机监控中心、通讯网络和现场监控终端。该系统设计的基本原则是：实时监控、动态管理、运行稳定可靠。本系统设计将会基于此原则组建整个监控系统。
（2）系统总体功能分析。根据现场实际情况，对系统所需的要求及具备的功能进行综合分析与整理，确定系统三个层次的基础配置指标，完成系统总体功能定位。
（3）系统各层次研究。1）监控中心站设计，根据实际需要，选取合适的组态软件，实现监视管网运行参数检测、接收故障报警信息、分级报警功能、操作权限管理功能、数据库查询、趋势曲线显示、报表统计和打印功能等。2）数据传输网络设计，根据实际需要，选取合适的网络传输设备，构建实时稳定的数据传输网络，实现分散测点的数据传输。本课题的目标就是将底层的大量数据准确及时的上传到监控主机，达到有效检测，及时调控的效果。本课题将会对多种类型的通讯方案进行比较，分析有线和无线两种方案，目前经过查阅资料，综合考虑选用工业以太网作为通讯手段。3）现场监测单元设计，根据现场监测需求及系统设备选型要求，对现场监测单元进行初步设计，它主要包括包括PLC选择、模拟量采集模块、供电模块和通信模块等，结构如图2所示。通过对PLC编程实现实时采集管网的流量、压力信息，完成管网流量累积和与主机通讯功能。
（4）系统管理功能分析。针对寺河礦供水生活区管网的实际运行管理情况，研究供水管网的爆管检测定位功能，以组态王为故障报警显示界面，实现供水网络管道爆管故障的检测与定位。
7、结语
当前国外十分重视用水量监测，大部分工业监测设备较为完善，确保了工业用水管理的合理性，相比较而言国内相关工业用水量监测则不完善。虽然各个相关系统国内外都已开发出不少，但都不可以直接使用于我国相关工业单位，各地和各企业的实际情况不同，对水管理的侧重点不同，所以开发相关系统必须参考企业的实际情况，根据实际情况来具体修改和设计相关控制管理系统。
参考文献
[1]李丽,安淑凯等.计量站远程检测SCADA系统的设计分析[J].微计算机信息,2013,(04):30-31.
[2]张生.基于现场总线的水厂监控系统的设计和实现[J].上海理工大学学报,2010,(07)28-34.
[3]张桂香,张志军.PLC的选型与系统配置[J].微计算机信息,2011,(03):28-34.
作者简介
田敏（1980－），男，山西晋城人，晋煤集团寺河矿信息监控中心工作。在职硕士研究生，主要研究方向为自动化控制。
【关键词】SCADA；供水监测；系统设计
1、引言
晋煤集团寺河矿每年用水费用余额四百万元，各部门用水情况没有一个完整的统计和规划。另一方面由于供水管网是一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系统，具有隐蔽分散又不能间断运行的特点，这使得管网日常运行管理、维护、紧急爆管漏水事故处理以及管网的更新、改造、规划的实施都有相当大的难度，靠人工管理显然已经不能满足矿井供水要求。
2、工程案例
由于本工程寺河矿生产用水量很大，节约与利用水资源具有重要意义。这就要求矿井能够高效地利用水资源，但由于矿井供水管网复杂，用水区域众多，且地下管道泄漏后不能及时发现故障点，既浪费水资源，又可能造成安全隐患。为了节约和高效利用水资源，对其网络系统进行集中监测和量化管理是矿井供水管理的发展目标。
然而，供水管网系统是一个结构复杂、规模庞大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系统，具有隐蔽分散又不能间断运行的特点这使得管网日常运行管理、维护、紧急爆管漏水事故处理以及管网的更新、改造、规划的实施都有相当大的难度，靠人工管理显然已经不能满足管网现代化管理的要求。在这种情况下，采用何种技术手段来实现供水管网的系统管理成了众多用水企业亟待解决的实际问题。在这一过程中，GIS，SCADA和管网建模是给水管网现代化管理最重要的手段之一。特别是SCADA系统(Supervisory Control AndData Aquisition systems，监控和数据采集系统)，SCADA系统以整体信息化为出发点,利用高精度的现场仪表采集到详实的现场数据，并将这些数据集中管理，筛选。提取有价值的信息，形成报警，开关阀等调控手段。同时它还可构建水费查收体系，形成自来水综合管理信息平台。
3、SCADA在水量监测监控及管理决策系统的应用
大中型企业的供水系统规模大，供水范围广，由于提供企业的生产及生活用水，因此可靠性要求高，按传统的管理方式设计，管网各个分区均需要安排人员值班，各处的值班人员保持经常的电话联系，才能了解各处的泵的运行状态、出水压力、机温、水位、流量等参数。一旦泵或仪表出现故障，派人马上维修。这种管理方法不可靠，在通讯不畅或阴雨天经常会出现各种事故，造成停止供水；工人的劳动强度大，责任重；技术落后，严重制约了大中型企业供水系统的科学化、现代化。如果将SCADA引入供水管网监控系统的工作中，将会极大程度提高企业供水的管理水平，降低能耗，节约资金。
4、监控和数据采集系统（SCADA系统）的结构以及特点
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。SCADA技术包括计算机技术,通讯技术、控制技术和传感技术。现对以上四种技术做简要介绍。
1）计算机技术。计算机技术近来发展很快,不断推出新技术、新产品,帮助SCADA系统采用新观念、新技术、新产品构建系统,实现了功能强大、可靠性强、有良好现场安装界面、易于操作和维护的给水系统管理系统。SCADA系统中计算机主要用做Master或称调度中心。在平台上可以完成生产调度相关数据采集、数据处理、数据显示和数据记录等工作,具有良好图形化人机界面,实现了企业生产过程趋势分析和控制功能,为企业给水优化调度、节能降耗提供了手段。
2）控制(Control)技术。控制设备在每一个SCADA系统中都会有若干台,且对SCADA系统可靠性和价格影响最大。SCADA系统建设形成的模式有PC+PLC模式,PC+单片机模式,全部进口PC+RTU模式等。PLC是易安装、易编程,可靠性高的技术产品。它提供高质量硬件、高水平系统软件平台和易学易懂应用软件平台,应用于顺序逻辑控制和许多复杂计算方面。在给水SCADA系统中,如自来水二级泵站多泵系统控制等方面具有优势。单片机RTU只适于做测压点终端、简单水源井控制和简单环境数据采集,而全部进口的PC+RTU模式费用昂贵,所以这两种应用较少。目前较多采用的为混合模式,即PLC和单片机RTU构成混合SCADA下位机。
3）传感技术。SCADA系统生产现场层,安装着许多传感器与执行机构,完成SCADA系统生产现场数据采集与调控命令执行。传感器可分为智能型和非智能型两类。非智能型完成电量标准化信号转换和非电量理化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器工作之外,还具有上、下限报警设置,数据显示,简单数字逻辑控制,PID调节等功能。
4）通讯技术。通讯技术与设备选择是构建SCADA系统最丰富多彩部分,SCADA系统设计是否合理,与通讯技术选择十分重要。网络技术LAN WAN与INTranet、基于TCP/IP计算机网络互连与扩展技术,通过诸如网关、路由器等设施,成为SCADA系统管理层部分。串行互连总线如USB实现了系统高效率的系统接口,做到即插即用、热切换。各种测控总线标准如CAN,Dupline,等也正不断渗透到SCADA系统中,用于现场、仪表与智能终端之间的通讯。
5、SCADA运用在水量监控的设计
在水量监控中应用SCADA设计，应采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品；采用符合国际标准或产业标准的成熟可靠的软件产品；软件要具有良好的模块化以及标准的互联接口，便于组成各种规模的系统及产品和技术的更新换代；采用智能化自控设备，保证实时数据传递的快速、准确、有效、完整。
在建设供水SCADA时要注意以下几个方面：
（1）管网测压点、测流点的选择。管网中的测压点、测流点应具有代表性。测压点在管网末端布置得要多一些，而测流点则应靠近管网前端，末端小管径上的流量变化对管网影响不大，故DN200的管线上只设压力表，不设流量计。流量计选用超声波流量计，分移动和固定两种安装方式。固定式数量较少，用于环境条件好、重点监测的管段，移动式则便于按需要监测管段流量掌握管网运行状态。
（2）供水SCADA的功能設计。SCADA系统能够扫描RTU，对调度所需的多种参数进行实时监测，使调度人员能及时、准确地了解系统工况，为优化调度软件在“规则集”中作出选择，提供数据依据。数据种类分为模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出四种。监控终端RTU主要监控泵站内水泵、电机、闸阀等的工作状态以及压力；各监控点压力、流量及阀门的开启度等实时数据。通过遥控管网上主要阀门的开启度来优化管网压力和流量。SCADA系统可将采集到的实时数据在历史数据库中进行存储，同时还能监视从RTU返回的信息，并更新链路状态，使得操作员能够监视和识别通信故障，以便确定RTU的工作状态。
6、本工程SCADA具体设计
通过认真分析本项目所需应用的技术方法，同时结合项目现场实际应用需求，提出了以下主要研究内容：
（1）系统总体方案设计。本系统总体划分为三个层次：上位机监控中心、通讯网络和现场监控终端。该系统设计的基本原则是：实时监控、动态管理、运行稳定可靠。本系统设计将会基于此原则组建整个监控系统。
（2）系统总体功能分析。根据现场实际情况，对系统所需的要求及具备的功能进行综合分析与整理，确定系统三个层次的基础配置指标，完成系统总体功能定位。
（3）系统各层次研究。1）监控中心站设计，根据实际需要，选取合适的组态软件，实现监视管网运行参数检测、接收故障报警信息、分级报警功能、操作权限管理功能、数据库查询、趋势曲线显示、报表统计和打印功能等。2）数据传输网络设计，根据实际需要，选取合适的网络传输设备，构建实时稳定的数据传输网络，实现分散测点的数据传输。本课题的目标就是将底层的大量数据准确及时的上传到监控主机，达到有效检测，及时调控的效果。本课题将会对多种类型的通讯方案进行比较，分析有线和无线两种方案，目前经过查阅资料，综合考虑选用工业以太网作为通讯手段。3）现场监测单元设计，根据现场监测需求及系统设备选型要求，对现场监测单元进行初步设计，它主要包括包括PLC选择、模拟量采集模块、供电模块和通信模块等，结构如图2所示。通过对PLC编程实现实时采集管网的流量、压力信息，完成管网流量累积和与主机通讯功能。
（4）系统管理功能分析。针对寺河礦供水生活区管网的实际运行管理情况，研究供水管网的爆管检测定位功能，以组态王为故障报警显示界面，实现供水网络管道爆管故障的检测与定位。
7、结语
当前国外十分重视用水量监测，大部分工业监测设备较为完善，确保了工业用水管理的合理性，相比较而言国内相关工业用水量监测则不完善。虽然各个相关系统国内外都已开发出不少，但都不可以直接使用于我国相关工业单位，各地和各企业的实际情况不同，对水管理的侧重点不同，所以开发相关系统必须参考企业的实际情况，根据实际情况来具体修改和设计相关控制管理系统。
参考文献
[1]李丽,安淑凯等.计量站远程检测SCADA系统的设计分析[J].微计算机信息,2013,(04):30-31.
[2]张生.基于现场总线的水厂监控系统的设计和实现[J].上海理工大学学报,2010,(07)28-34.
[3]张桂香,张志军.PLC的选型与系统配置[J].微计算机信息,2011,(03):28-34.
作者简介
田敏（1980－），男，山西晋城人，晋煤集团寺河矿信息监控中心工作。在职硕士研究生，主要研究方向为自动化控制。