珠海供水實時監控系統的設計與實現
作者：林景秀 王杭州
珠海水務集團有限公司
摘要：該文闡述了珠海供水實時監控系統的設計及實施方案，并對實現的功能、系統的建設情況進行了說明，對人才培養需求提出了建議，供同行參考。
關鍵詞：珠海水務集團，實時監控系統，大數據平臺
1、背景
珠海市水務集團有限公司下屬水廠有：拱北水廠、香洲水廠、唐家水廠、西城水廠、南區水廠、乾務水廠、龍井水廠、三灶水廠、平沙水廠等；取水泵站有平崗泵站、廣昌泵站、裕洲泵站、黃楊泵站、竹洲頭泵站、南沙灣泵站、蓮溪泵站等；加壓站有：橋西加壓站、白蕉加壓站、大鏡山調咸站等；水庫有鳳凰山水庫、大鏡山水庫、南屏水庫、竹銀水庫等。廠、站、水庫眾多，因此自動化系統也多，存在眾多不同品牌的PLC。如AB、西門子、GE、施耐德、歐姆龍、泓格等等，多種網絡協議存在，如DH+、工業以太網、Device Net、Modbus RTU、Hart、Modbus TCP/IP等。
由于各個水廠、泵站自動化系統的實施時間不一以及當時技術上的限制，各個水廠、泵站目前的自動化系統都是以單機版為主的監控系統，組態軟件也多樣化、如RSview32、WinCC、組態王等。且一般自成一體，無法與外部組合聯網，生產數據無法交流互通，這是導致各個水廠、泵站的生產監控系統成為信息孤島的主要原因。
雖然目前部分水廠、泵站通過ODBC、GPRS等方式傳送部分關鍵數據到信息中心服務器，數據寫入關系型數據庫，然后用WEB定時刷新的形式實現對數據的監視。但其以30/60分鐘為單位的處理時間顯然實時性不足，而且連接的數據量也非常有限，不能對各個車間的生產過程進行記錄，因此無法完成實時監控的任務；而且歷史記錄處理及瀏覽查詢功能不足，生產數據處理技術手段有限的情況下，無法滿足日益緊張的供水形勢，無法滿足生產調度工作要求越來越高、各廠站生產配合越來越緊密的現實需求。
因此對各廠、站生產數據的實時化、圖形化、網絡化處理，對數據的互通與共享已成為各級生產部門的迫切需求。
2、系統實現功能
2.1全面監控
將所有具備網絡條件的水廠、泵站的生產監控系統全部連接起來，以工藝流程圖形化的方式，實時動態地展示出來。底層數據采用值變通知機制，同時圖形矢量化、數據XML化，全部畫面能動態放大縮小、拖拽移動，實現美觀、易用、實用的監控功能。
2.2大容量高速度
實現用IE及專用客戶端同時訪問，精確細致、快速高效，即使用目前配置最低的電腦也能高速瀏覽。只要是內部網能通的地方，都能登陸訪問。系統容量達到500個用戶同時在線也能流暢運行,與5個用戶在線的速度一樣；系統達到無限數據點且不限客戶端數量，可以真正實現無處不在的展示方式。
2.3移動監控
實現智能手機移動監控功能，為生產管理者實現隨時隨地的數據監控。目前的APP客戶端已支持Android系統、蘋果iOS系統智能手機。實現了與PC相同的監控功能，這使監控技術提高到了一個全新的應用水平。
2.4高效歷史數據庫
提供高壓縮比的歷史數據庫，數據無須分離或篩選，2000個數據記錄，以每分鐘為單位，記錄一年容量不超過800M，可不間斷記錄10年以上。并且提供功能完善、圖形化的歷史記錄查詢方式，能動態調整X、Y軸參數，功能強大且簡潔易用。
2.5與外部數據庫連接
系統能對外部數據庫進行讀寫操作，能將自動生成的報表、手動錄入的補充報表，自動備份至外部數據庫（如：SQL Server、Oracle等），以供其它程序調用，同時也起到一個可靠備份的作用。
2.6更多的擴展功能
系統還能根據實際業務需求，不斷擴展其它功能。以不斷更新、持續改進方式使系統功能不斷完善，使用更方便。
3、實施方案
珠海供水實時監控系統是一個非常龐大的子系統，它將含概珠海市所有水廠、取水泵站、加壓泵站的實時生產過程監控。因此涉及到這些廠、站的自動化系統建設和數據采集。目前已直接連接超過70個PLC子站，3個大型數據網關（Modbus TCP/IP），全部建成估計連接PLC子站超過120個。它將為珠海水務大數據平臺提供大量的基礎數據。系統結構見圖2。
系統主要由“PLC集成系統、子數據服務器系統、網絡組態中央服務器系統”等組成。其中網絡連接可以是光纖以太網、無線以太網、用4G路由器組成的網絡等。
3.1通信方式
各廠站大部分有自控系統，不同的自控系統采取不同的通訊方案。目前主要使用RSlinx OPC、KpeServer OPC這兩種通信方式進行連接，無法直接通信的使用數據網關進行轉換后再連接。通過通訊軟件、數據網關、OPC服務器等技術，將數據直接傳到集團公司的組態服務器，或先匯集至本地的數據服務器，然后再統一傳送至集團公司的組態服務器。
3.2 HMI Server中央服務器系統
網絡組態中央服務器系統主要由網絡HMI組態系統及網絡數據庫服務器系統組成，是整個實時監控系統的核心組成部分。它既要承擔數以百計來自各種客戶端的在線服務請求，更要接收處理來自各個子服務器的實時數據。中央服務器中HMI組態軟件的選擇將是整個系統成敗的關鍵。
3.3網絡HMI組態系統
應選用基于WEB平臺架構的組態軟件，確保多用戶并發訪問的速度，同時具有優秀的歷史數據庫技術。以此建立起來系統具有如下幾個突出的特點：
A、跨平臺系統架構，不依賴任何服務器環境平臺，支持多種IE及客戶端同步訪問方式，客戶端數量300個或以上，客戶端可跨平臺布署，能同時布署windows、Android、蘋果iOS等；
B、獨有的服務器內核結構，BS/CS模式同屬于一個服務器內核，項目無須發布或轉換，保存即可立刻通過IE訪問，所見即所得；
C、高效的及高壓縮比的歷史數據庫，以分鐘為時間單位可以同時記錄數以萬計的歷史數據。
D、對象矢量化，支持大圖模式，對象可以拖動、無級縮放等創新功能應用；
E、具有P2P云組態功能，
F、與外部數據庫連接功能，如SQL Server、DB2、Oracle等。
3.4子數據服務器系統（Date Server）
子數據服務器系統是分布在各個水廠、泵站或河流綜合檢測點的、水庫等地的子服務器，作為主服務器配套的子服務器群。子數據服務器根據現場的不同的PLC系統進行配置，融合多種PLC系統及解決部分PLC系統不能跨網段傳輸數據的問題。組態子服務器系統主要有四個重要的功能。
A、通過以太網連接中心服務器，以Modbus Tcp/ip或P2P或系統內部數據傳送的方式，為中央服務器提供數據,通訊速度以毫秒為單位；
B、通過各種不同的網絡方式（如有線以太網、無線以太網、4G路由等），不同的協議（如Modbus RTU、MODBUS/TCP等），與PLC系統相連；
C、可作為客戶端的子系統接入點，其系統接入性能與中心服務器相同，便于當地技術管理人員直接管理，同時各類客戶端根據權限可以跨越中心服務器直接訪問子服務器。形成多種層次的訪問/服務結構，使整個系統更具靈活性。
E、根據需要，子服務器可擴展下一層子服務器，連接更多的PLC及現場儀表系統，同時不會形響任何在用的系統，使整個系統具有足夠的安全擴展特性。
4、系統建設情況
4.1系統首頁（見下圖）
珠海供水系統中的各個水廠、泵站、水庫等，按地理位置分布其中。比較直觀，易于監控及管理，頁面可以動態無級縮放。
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4.2、水廠具體頁面
對水廠的監控，通過點擊菜單或頁面中的圖標進入即可。如下圖香洲水廠。
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4.3、流程具體頁面。點擊菜單進入次氯酸鈉消毒車間。
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4.4、拱北水廠加氯間
4.5、濾池控制設計
4.6、歷史曲線設計
4.7、數據記錄情況
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系統的功能、面頁設計，以智能化應用為目標。系統的訪問連接、狀態監控、數據瀏覽分析等操作，全部以最傻瓜式應用方式實現。
當系統建設完善后，每個生產單位、生產流程狀況都可以處在監控當中，只要有互聯網就可以實現監控。
5、更高層次的應用
幾十個類似的生產單位，通過實時監控系統，對生產流程的數據進行記錄，然后根據需要提取到數據倉庫中，將形成一個龐大的基礎數據庫，然后再進更高層次的智能、智慧應用。
因此珠海供水實時監控系統，在完成系統內各水庫、水廠、泵站、管網、加壓泵站、二次供水系統、用戶水表等生產設備設施的實時動態監控外，也完成了龐大基礎數據的存儲及提取，為日后智慧水務大數據平臺建設起重要作用。
6、系統完善
由于各個水廠、泵站自動化系統軟件硬件的多樣化，供水實時監控系統在整合各個自動化系統的過程中，存在一些不足。如為了統一數據接口，配置的數據網關的類別較多，管理起來難度很大，同時數據傳輸穩定性也存在一定的問題。因此各個水廠、泵站自控系統建設或改造時，建議盡量采用同一品牌帶以太網通信的PLC系統，減少因轉協議太多帶來的故障，降低系統的維護難度及成本，同時進一步提高系統的穩定性。
7、人才隊伍培養
供水實時監控系統的建設，及建成后能否處在良好使用狀態，人才培養及利用是關鍵因素之一。公司最高領導層應有足夠的重視，并直接關切，盡早規劃才能有效解決。
7.1系統管理人才
要求精通下述各類子系統建設及管理，熟悉各種業務流程、各種生產工藝流程、管網管理及項目管理知識，具有良好的協調溝通能力等。
7.2數據庫使用及管理人才；
數據庫管理是重要的技術人才，是日后大數據平臺能否正確使用、安全運行關鍵。要求要熟悉數據庫編程、維護管理等相關技術，特別是掌握Oracle、DB2、SQL Server等使用技術，這將關系統到各個子系統到大數據平臺接口的定義及日常維護管理。
7.3應用系統建設及管理人才；
應用系統建設管理人員，應熟悉各類網站構建及建設管理，熟悉各類腳本語言，如主流的HTML、PHP、JSP、ASP及.net，JavaScript和 VBScript等。是各種應用系統建設流程管理、質量把控的關鍵。
7.4網絡及服務器（硬件）使用及管理人才；
要求熟悉網絡系統原理，熟悉服務器系統的構建，熟悉機房管理，能進行日常維護。
7.5自動化系統建設管理、儀器儀表使用及管理人才。
這層專業人才，含概了水廠、泵站、管網、二次加壓泵站等所有生產單位、節點的自動化系統的建設及管理、數據采集系統、儀表使用及維護管理。主要是電氣自動化、電子技術類專業的人才。保證底層系統的穩定運行、數據精確計量，大數據平臺的建設才具有實質意義。
8、結束語
供水實時監控系統作為大數據平臺部分，是實現供水企業生產信息化、一體化監控的重要平臺之一，是大數據平臺建設的基礎，它將有效整合目前各個水廠、泵站子系統孤立存在的局面，解決各子系統互聯互通的問題。
在實施過程中，應充分考慮各生產單位的實際使用需求、使用習慣，并加強新系統的培訓及使用貫徹力度，共同參與完善。使系統的每一部分功能建成都能獲得良好的應用體驗，獲得各個生產單位的認可及支持。
目前珠海供水實時監控系統的各個部分建設良好，獲得廣泛的認同及應用，對生產起到良好的輔助作用；為供水系統的節能運行，科學調度起到積極的作用。并且具備良好數據集合基礎，為日后大數據平臺的實施提供良好的技術支持。
由于作者時間及水平有限，淺顯的研究及分析難免有不足及疏漏，敬請同行們不惜批評指正。
參考文獻
[1] 《電氣控制與可編程序控制器應用技術》李鳳閣、佟為明等編著，機械工業出版社；
[2] 《MicroLogix 核心控制系統》錢曉龍、趙舵等編著，機械工業出版社；
[3] CANVIEW組態軟件 聯機手冊。
作者1簡介：
姓名：林景秀； 姓別：男；出生年月：1973年8月
學歷：本科（計算機應用專業）；畢業學校：西南科技大學
職務：珠海市水務集團有限公司城區制水分公司/生產技術辦主任
職稱：技師、助理工程師
辦公地址：珠海市香洲區拱北粵海中路2083號
郵政編碼：519020
作者2簡介：
姓名：王杭州；姓別：男；
職務：珠海市水務集團有限公司/供水業務部總經理
職稱：高級工程師
辦公地址：珠海市香洲區拱北粵海中路2083號
郵政編碼：519020
