★北京亞控科技發(fā)展有限公司郭棟梁

★蘇州市吳江水務(wù)集團(tuán)有限公司王宇峰

★北京亞控科技發(fā)展有限公司李澤浩

關(guān)鍵詞：全組態(tài)開(kāi)發(fā)；KingSCADA；信創(chuàng)

隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，為了保障國(guó)計(jì)民生行業(yè)尤其是水務(wù)行業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行，按照國(guó)家發(fā)展規(guī)劃要求，逐步進(jìn)行信創(chuàng)產(chǎn)品更換，信創(chuàng)的目的不是替代，而是自主、創(chuàng)新，將核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里，結(jié)合通用信創(chuàng)版本組態(tài)軟件，構(gòu)建基于信創(chuàng)平臺(tái)的水務(wù)集團(tuán)智慧管理平臺(tái)，通過(guò)集群部署，統(tǒng)一運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)全區(qū)各水廠與泵站的綜合管控、統(tǒng)一調(diào)度。通常智慧管理平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與維護(hù)需要高級(jí)編程人員參與，技術(shù)門檻高，后期維護(hù)擴(kuò)展困難。通過(guò)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)研究與實(shí)際應(yīng)用表明組態(tài)式平臺(tái)的快速開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總處理并為未來(lái)智慧水務(wù)管理平臺(tái)的構(gòu)建是十分必要的。

1　系統(tǒng)概述

1.1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

KingSCADA4.0信創(chuàng)版是北京亞控科技發(fā)展有限公司針對(duì)信創(chuàng)領(lǐng)域精心打造的核心產(chǎn)品，延續(xù)了KingSCADA系列產(chǎn)品的高性能和易用性，并針對(duì)信創(chuàng)環(huán)境做了深度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了與國(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)的全面適配。

KingSCADA4.0信創(chuàng)版基于自主研發(fā)的技術(shù)框架，擁有長(zhǎng)期可維護(hù)性和持續(xù)升級(jí)能力，符合國(guó)家等保2.0三級(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步強(qiáng)化了基礎(chǔ)設(shè)施的自主可控能力，作為企業(yè)新型數(shù)字轉(zhuǎn)型底座，全方位契合信創(chuàng)監(jiān)控市場(chǎng)功能需求，可以為企業(yè)提供成熟、可靠、安全的監(jiān)控解決方案。

1.2　系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有集控系統(tǒng)，具有單廠的控制中心，各廠為獨(dú)立的廠站。所采用的SCADA平臺(tái)為國(guó)外軟件：Intouch、WinCC。下層的PLC采用的是西門子1200、1500、200smart、羅克韋爾1756、1769、850、施耐德340、580。由于各個(gè)水廠所采用的監(jiān)控軟件不一致且網(wǎng)絡(luò)互不相通，所以導(dǎo)致每個(gè)水廠形成信息孤島，業(yè)主無(wú)法同時(shí)瀏覽各個(gè)水廠的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一管控。

1.3　功能性需求

功能性需求清單如表1所示。

表1 功能性需求清單

1.4　非功能性需求

（1）可靠性與穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)盡量不出現(xiàn)閃退、崩潰無(wú)響應(yīng)等情況。

（2）較高的交互性。根據(jù)用戶習(xí)慣進(jìn)行開(kāi)發(fā)，保證軟件的易用性，增加用戶交互[1]。

（3）隨需而變。系統(tǒng)平臺(tái)支持拖拉拽式組態(tài)開(kāi)發(fā)，維護(hù)工程師能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求的變化通過(guò)低代碼方式快速實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能的變更[2]。

1.5　系統(tǒng)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案

針對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)狀，本項(xiàng)目的重點(diǎn)難點(diǎn)如下：

（1）原有系統(tǒng)不滿足國(guó)產(chǎn)化需求。

（2）采集速度較慢，現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)2s采集一次。

（3）現(xiàn)有系統(tǒng)雖能控制設(shè)備但無(wú)法更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中提出的新需求，如同一彈窗控制多個(gè)設(shè)備等。

（4）部分設(shè)備的點(diǎn)位存在故障無(wú)法采集，需要做屏蔽處理。

（5）沒(méi)有冗余，建設(shè)年代過(guò)于久遠(yuǎn)，上位機(jī)宕機(jī)后，軟件處于癱瘓狀態(tài)。

（6）使用時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)軟件卡頓現(xiàn)象，無(wú)法下控情況。

（7）上位機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互存在問(wèn)題，部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行定時(shí)存儲(chǔ)查詢。

（8）上位機(jī)和觸摸屏無(wú)法同時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

（9）原有系統(tǒng)畫面不夠美觀。

（10）由于數(shù)據(jù)分散，各廠獨(dú)立提交報(bào)表，集團(tuán)級(jí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析消耗人力過(guò)大。

（11）原有系統(tǒng)無(wú)法向第三方平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，接口比較單一。

針對(duì)以上重難點(diǎn)問(wèn)題，本方案有如下措施：

（1）亞控KingSCADA軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件支持國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)并滿足報(bào)表、曲線、報(bào)警、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，支持接入幾十萬(wàn)級(jí)的數(shù)據(jù)量同時(shí)具備熱備冗余，分布式部署的特點(diǎn)，能很好地滿足項(xiàng)目需求。截至2024年，亞控在軍工、水利、水務(wù)、能源已有相應(yīng)的項(xiàng)目案例，并取得了巨大的成功。

（2）采用全組態(tài)信創(chuàng)KingSCADA，具備良好的人機(jī)交互界面，可以根據(jù)個(gè)人需求，快速完成界面開(kāi)發(fā)，支持2D/3D圖素導(dǎo)入，提高了系統(tǒng)美觀性。

（3）KingSCADA信創(chuàng)版全面支持OPCUA、restful、MQTT等接口，方便進(jìn)行第三方數(shù)據(jù)交互。

2　總體設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

（1）系統(tǒng)感知層

感知層設(shè)備主要包括各水廠、泵站的在線儀器儀表、生產(chǎn)設(shè)備、控制系統(tǒng)等，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的基礎(chǔ)，感知層的建設(shè)是利用各廠控制系統(tǒng)，通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，在不影響各水廠、泵站生產(chǎn)運(yùn)行的前提下，進(jìn)行多種通信接口、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集各種PLC和驅(qū)動(dòng)器的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并建立與各類PLC、驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)控制器間的數(shù)據(jù)通訊，最終形成完善的感知層體系。

（2）系統(tǒng)傳輸層

利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣云計(jì)算技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)融合，建立網(wǎng)絡(luò)層體系，兼容多種網(wǎng)絡(luò)方案，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）平臺(tái)支撐層

基于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)、元語(yǔ)言等核心技術(shù)，構(gòu)建排水集控平臺(tái)，建立平臺(tái)支撐體系。實(shí)現(xiàn)對(duì)集團(tuán)公司下屬水廠、泵站的關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集，實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦芾碇行姆?wù)器，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、維護(hù)、管理，且提供給各應(yīng)用系統(tǒng)使用。

（4）應(yīng)用層

應(yīng)用層，主要為集控系統(tǒng)各業(yè)務(wù)功能。進(jìn)行區(qū)域范圍內(nèi)的各水廠、水泵站的生產(chǎn)實(shí)施監(jiān)控（設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備控制、工藝參數(shù)等）、趨勢(shì)顯示及查詢、生產(chǎn)報(bào)表管理、報(bào)警與事件管理及視頻監(jiān)控等；其中水廠及泵站可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制及工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)。

（5）展示層

平臺(tái)提供C/S客戶端和B/S客戶端兩種方式進(jìn)行平臺(tái)的展示。

2.2　系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)的整體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

每個(gè)廠區(qū)兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器部署2套KingSCADA運(yùn)行版做主備冗余并開(kāi)放OPCUA接口，兩臺(tái)歷史庫(kù)服務(wù)器部署2套工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)KingHistorian做主備冗余，中控室一臺(tái)操作員站部署1套KingSCADA客戶端。

集控中心兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器部署1套KingSCADA開(kāi)發(fā)運(yùn)行版與1套KingSCADA運(yùn)行版做主備冗余，兩臺(tái)歷史庫(kù)服務(wù)器配2套工業(yè)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)KingHistorian做主備冗余，中控室三臺(tái)操作員站部署3套KingSCADA客戶端。

每個(gè)廠區(qū)的KingSCADA以多轉(zhuǎn)發(fā)的方式同步上傳至本地KingHistorian_和集控中心KingHistorian_，數(shù)據(jù)支持?jǐn)嗑€緩存、斷點(diǎn)續(xù)傳等功能，保證數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)一致性。

通過(guò)隔離網(wǎng)閘的web服務(wù)器部署1套KingSCADA運(yùn)行版進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布，讀取集控中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，為保證數(shù)據(jù)安全性，所有網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)只能查看不能下發(fā)。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1　數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視管理

通過(guò)將各水廠、泵站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、存儲(chǔ)，并初步加工處理，還可以將各個(gè)水處理廠的工藝畫面直觀地在監(jiān)控中心展示，使企業(yè)各級(jí)人員隨時(shí)掌握生產(chǎn)運(yùn)行情況。

通過(guò)直觀的動(dòng)態(tài)畫面表達(dá)實(shí)時(shí)水動(dòng)態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀況、水處理工藝流程畫面、顯示排水公司水流方向等流程畫面。

圖4 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)視

3.2　設(shè)備遠(yuǎn)程控制

對(duì)水廠、泵站的生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)中心控制室計(jì)算機(jī)可對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行管理。做到綜合管理、綜合調(diào)度。

運(yùn)行人員可以查看各站點(diǎn)的實(shí)時(shí)工藝流程圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；遙控設(shè)備、調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)；處理報(bào)表、查看實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線。

圖5 設(shè)備遠(yuǎn)程控制

3.3　生產(chǎn)報(bào)表管理

系統(tǒng)可自動(dòng)采集，統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表自動(dòng)生成，預(yù)置流程數(shù)據(jù)報(bào)送，同時(shí)可根據(jù)使用者要求進(jìn)行生產(chǎn)報(bào)表報(bào)送流程自定義，可根據(jù)用戶權(quán)限隨時(shí)進(jìn)行任意格式數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出，為管理決策隨時(shí)提供第一手資料，同時(shí)極大緩解人力勞動(dòng)，減少企業(yè)人力成本。

圖6 生產(chǎn)報(bào)表管理

3.4　趨勢(shì)曲線管理

趨勢(shì)曲線具有多繪圖區(qū)、多數(shù)據(jù)軸、多時(shí)間軸，并且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線在線轉(zhuǎn)換，可以方便地進(jìn)行個(gè)性化趨勢(shì)曲線的查詢、對(duì)比以及分析。

實(shí)時(shí)趨勢(shì)：系統(tǒng)可以生成實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖，用于分析模擬量參數(shù)（如流量、溫度、水質(zhì)等）的變化趨勢(shì)，以更好地讓操作人員掌握系統(tǒng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，使系統(tǒng)保持最佳運(yùn)行。

歷史趨勢(shì)：根據(jù)用戶的需要我們可以將相關(guān)的監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)生成歷史趨勢(shì)圖。通過(guò)歷史趨勢(shì)，用戶可以查看以前特定某段（點(diǎn)）時(shí)間的歷史圖形記錄，可以查找故障發(fā)生的時(shí)間、變化趨勢(shì)，從而找出系統(tǒng)的故障原因。

圖7 趨勢(shì)曲線管理

3.5　報(bào)警預(yù)警聯(lián)動(dòng)

報(bào)警預(yù)警可以使集控中心內(nèi)運(yùn)行人員在第一時(shí)間獲知運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的設(shè)備故障信息和將要產(chǎn)生的生產(chǎn)事故信息。設(shè)備故障報(bào)警：當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備一旦發(fā)生故障時(shí)，或當(dāng)設(shè)備需要保養(yǎng)時(shí)，相應(yīng)的區(qū)域顯示閃爍同時(shí)伴隨報(bào)警語(yǔ)音的提示，并顯示一組設(shè)備報(bào)警，提醒維修人員及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修、保養(yǎng)。報(bào)警預(yù)警設(shè)有優(yōu)先級(jí)管理，各類報(bào)警預(yù)警進(jìn)行精確判斷，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警、事故自動(dòng)預(yù)警，并顯示所有報(bào)警預(yù)警列表及報(bào)警預(yù)警的詳細(xì)內(nèi)容。

對(duì)于無(wú)人值守的設(shè)備，及時(shí)獲知設(shè)備的報(bào)警預(yù)警信息對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。KingSCADA軟件可以通過(guò)多種方式把報(bào)警信息分層級(jí)發(fā)給相關(guān)人員[3]。

圖8 報(bào)警預(yù)警聯(lián)動(dòng)

3.6　分級(jí)短信報(bào)警功能

當(dāng)報(bào)警預(yù)警信息發(fā)生時(shí)，KingSCADA軟件產(chǎn)生報(bào)警信息。報(bào)警信息可以通過(guò)手機(jī)短信的方式發(fā)給相關(guān)人員。報(bào)警短信可以分級(jí)報(bào)警，例如報(bào)警信息發(fā)給一級(jí)確認(rèn)人員，如人員沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)確認(rèn)處理，將再發(fā)給更高一級(jí)的管理確認(rèn)人員。

3.7　設(shè)備運(yùn)行日志

系統(tǒng)按照定時(shí)記錄、數(shù)據(jù)變化記錄、按采集周期記錄等方式實(shí)時(shí)記錄各個(gè)水處理廠所有設(shè)備運(yùn)行信息到工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。不同類型的數(shù)據(jù)可采用不同的記錄頻率，核心關(guān)鍵數(shù)據(jù)或者變化較快數(shù)據(jù)可按秒記錄或變化記錄，變化較慢數(shù)據(jù)可按分鐘記錄。主要記錄的參數(shù)包括：

·設(shè)備運(yùn)行的電氣參數(shù)（如電壓、電流、頻率、耗電量等）

·固有參數(shù)（如軸承溫度、轉(zhuǎn)速、油位等）

·環(huán)境參數(shù)（如格柵前后水位差、水池水位等）

·其他參數(shù)

設(shè)備運(yùn)行日志數(shù)據(jù)為系統(tǒng)自動(dòng)采集并且記錄到工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以以水廠名稱、設(shè)備名稱、設(shè)備類型、時(shí)間范圍等組成組合條件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)查詢，查詢結(jié)果顯示方式可以調(diào)整、設(shè)定。

3.8　系統(tǒng)管理

為保證各站點(diǎn)的安全運(yùn)營(yíng)，需要為集控中心的各操作員及工程師分配不同的權(quán)限。同時(shí)，為保證運(yùn)營(yíng)的安全，系統(tǒng)禁止無(wú)權(quán)限的監(jiān)控中心工作人員對(duì)各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖9 系統(tǒng)管理

3.9　系統(tǒng)權(quán)限管理

每個(gè)用戶通過(guò)合法的用戶名密碼可以登錄系統(tǒng)訪問(wèn)其負(fù)責(zé)的業(yè)務(wù)范圍的數(shù)據(jù)信息。登錄的用戶一旦登錄其他人員不能在異地登錄，登錄人員可以設(shè)置登錄超時(shí)，超過(guò)設(shè)置時(shí)間系統(tǒng)將自動(dòng)退出，用戶登錄要顯示上次登錄的時(shí)間、地點(diǎn)等信息。

運(yùn)行參數(shù)設(shè)置功能可以設(shè)置權(quán)限，確保運(yùn)行參數(shù)安全。

圖10系統(tǒng)權(quán)限管理

3.10　系統(tǒng)角色管理

根據(jù)組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以設(shè)置不同的用戶權(quán)限，如總經(jīng)理、公司經(jīng)理、現(xiàn)場(chǎng)值班人員。每個(gè)用戶可以對(duì)應(yīng)一個(gè)角色也可以對(duì)應(yīng)多個(gè)角色，用戶角色的變化直接影響到其在系統(tǒng)里的操作權(quán)限。系統(tǒng)為每個(gè)角色定義可訪問(wèn)及操作的內(nèi)容范圍，保證系統(tǒng)信息的安全，尤其是生產(chǎn)運(yùn)行管理的核心數(shù)據(jù)安全。

3.11　系統(tǒng)對(duì)接

以現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品為對(duì)象設(shè)計(jì)，同時(shí)還考慮到周邊信息通信環(huán)境的現(xiàn)狀和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有網(wǎng)絡(luò)通訊口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。對(duì)外提供豐富的API接口，支持OPC UA Server、MQTT訪問(wèn)接口，支持C++、C#、Restful API接口。

圖11 系統(tǒng)對(duì)接

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1　全信創(chuàng)

選用的KingSCADA信創(chuàng)版軟件支持全信創(chuàng)生態(tài)，支持國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、CPU、主機(jī)、信創(chuàng)PLC等生態(tài)，符合國(guó)家信創(chuàng)戰(zhàn)略要求，同時(shí)，針對(duì)沒(méi)有信創(chuàng)要求的行業(yè)，可以使用Windows版本KingSCADA進(jìn)行開(kāi)發(fā)，后續(xù)根據(jù)行業(yè)要求直接進(jìn)行信創(chuàng)升級(jí)即可。

4.2　全組態(tài)

全組態(tài)KingSCADA信創(chuàng)版軟件，可快速完成企業(yè)SCADA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，提供豐富的前端可視化生成器。同時(shí)，組態(tài)化技術(shù)的應(yīng)用，讓業(yè)務(wù)工程師開(kāi)發(fā)SCADA平臺(tái)成為了可能，為企業(yè)數(shù)字化工廠的建設(shè)起到了奠基石的作用。

5　結(jié)語(yǔ)

本文論述了基于KingSCADA信創(chuàng)版的智慧管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，主要介紹了系統(tǒng)需求、建設(shè)方案、總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容。已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全信創(chuàng)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建，打破了集團(tuán)信息化系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)孤島，為后續(xù)集團(tuán)建設(shè)信息化系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介：

郭棟梁（1994-），男，山西臨汾人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京亞控科技發(fā)展有限公司，主要從事智慧城市、能源管理、智慧水務(wù)解決方案方面的研究。

王宇峰（1993-），男，江蘇蘇州人，學(xué)士，現(xiàn)就職于蘇州市吳江水務(wù)集團(tuán)有限公司，研究方向?yàn)橹腔鄢鞘小⒅腔鬯畡?wù)。

李澤浩（1999-），男，黑龍江大慶人，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京亞控科技發(fā)展有限公司，主要從事工業(yè)軟件、智能制造等方面的研究。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2025年5月刊