于普松, 王文利

1  前言
供水管網(wǎng)作為城市供水的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著為城市居民和企、事業(yè)單位供水的重要任務(wù)，安全、優(yōu)質(zhì)、可靠地供水一直是供水人追求的目標(biāo)。采用計算機(jī)等高科技手段對管網(wǎng)的壓力進(jìn)行實時監(jiān)測早已成為現(xiàn)實，而且已成為現(xiàn)代供水企業(yè)調(diào)度的一種不可缺少的手段。近年來，由于計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，對調(diào)度系統(tǒng)實時、多任務(wù)的性能要求越來越強(qiáng)。秦皇島自來水總公司綜合自動化系統(tǒng)經(jīng)過多年的運(yùn)行，原有監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件配置已很難滿足生產(chǎn)調(diào)度的需要，大部分設(shè)備已超過正常使用年限，可靠性、穩(wěn)定性都不同程度地有所降低，系統(tǒng)維護(hù)量增大，為此，需對原系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的改造和擴(kuò)充，以滿足現(xiàn)代供水企業(yè)發(fā)展的需要。從2000年開始該公司對其測控系統(tǒng)進(jìn)行了改造，新系統(tǒng)除兼容原系統(tǒng)所有功能外，主要特點(diǎn)是它工作在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過內(nèi)部的NT網(wǎng)絡(luò)和SQL數(shù)據(jù)庫平臺，使監(jiān)測到的數(shù)據(jù)得以共享和發(fā)布。另外，新系統(tǒng)還增加了系統(tǒng)組態(tài)和后期的數(shù)據(jù)處理、歷史曲線、數(shù)據(jù)分析等功能。
2  系統(tǒng)的構(gòu)成及功能
新建監(jiān)測系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)：調(diào)度中心、二級主站和現(xiàn)場RTU。
(1)  調(diào)度中心
由測控前端機(jī)、國產(chǎn)WSW數(shù)傳電臺、美國產(chǎn)MDS-2710數(shù)傳電臺、四屏顯示系統(tǒng)、大屏幕背投、模擬屏、工程師站、報表打印及引青流量接收系統(tǒng)等組成。
(2)  二級主站
山海關(guān)公司和北戴河公司，它們具有相對獨(dú)立的管網(wǎng)和監(jiān)測系統(tǒng)，與調(diào)度中心的數(shù)據(jù)傳輸采用無線和有線并存的方式。
(3)  市區(qū)測點(diǎn)
分為水廠、測點(diǎn)級兩種現(xiàn)場RTU。
①  水廠級站由研華IPC-610工控機(jī)、WSW數(shù)傳電臺、數(shù)據(jù)采集卡等構(gòu)成。
②  測點(diǎn)級站分為新舊兩種型號：一種是DWY-98型，由WSW數(shù)傳電臺、單板機(jī)等構(gòu)成；另一種為新型RTU，由MDS-2710數(shù)傳電臺、研華ADAM4500和ADAM4017模塊等構(gòu)成。
新建供水管網(wǎng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervision Control And Data Acquisition）主體框圖如圖1所示。

 
圖1  測控系統(tǒng)主體框圖

新系統(tǒng)水廠級測點(diǎn)和新增測壓點(diǎn)RTU結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

 
圖2  水廠級測點(diǎn)示意圖

 
圖3  新測點(diǎn)級RTU結(jié)構(gòu)圖

3  系統(tǒng)中軟硬件的選擇
本次系統(tǒng)改造在軟、硬件選擇方面充分考慮了與原系統(tǒng)的兼容性，本著充分發(fā)揮原有設(shè)備潛力，減少投資的原則，保證了系統(tǒng)建設(shè)效益的充分發(fā)揮。
(1)  軟件選擇
對于測控軟件的選擇，首先本著新老系統(tǒng)要平穩(wěn)過渡的原則，其次注重軟件的實用、易用和穩(wěn)定性。設(shè)計人員在總結(jié)了以往運(yùn)行經(jīng)驗并徹底分析了原軟件及部分商用軟件的基礎(chǔ)上，決定以Windows98為系統(tǒng)平臺,Visual Basic 6.0、C++、Visual C++及部分圖形軟件為開發(fā)工具，開發(fā)出適用于本公司的測控系統(tǒng)。
(2)  硬件配置
原系統(tǒng)中的RTU采用的是DWY-98型，主要由8098單板機(jī)和WSW數(shù)傳電臺構(gòu)成，電臺與單板機(jī)接口采用TTL標(biāo)準(zhǔn)通信。對于原系統(tǒng)的硬件部分，本著節(jié)約資金，物盡其用的原則，不做大的改動，只將其中水廠級測點(diǎn)調(diào)整為研華IPC-610工控機(jī)、宏拓PC-7488采集卡和新型WSW數(shù)傳電臺的構(gòu)成形式，采集卡為32路光電隔離，電臺與工控機(jī)采用RS-232串口通信。新增的4個測壓點(diǎn)RTU利用研華生產(chǎn)的ADAM4500作為通訊控制器，ADAM4017作為數(shù)據(jù)采集器，美國MDS-2710數(shù)傳電臺作為數(shù)據(jù)傳輸工具組成。其中ADAM4500是基于PC的程序控制器，它內(nèi)置ROM-DOS系統(tǒng)、256K的RAM和256K的ROM、具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232和RS-485通訊接口及看門狗定時器（WDT）等。編程工具為C及C++語言，運(yùn)行程序可固化在FLASH ROM內(nèi)。
新建系統(tǒng)的二級站改造方面，首先對山海關(guān)二級站進(jìn)行了試驗，其構(gòu)成形式為主站、水廠內(nèi)部小型SCADA系統(tǒng)和測壓點(diǎn)系統(tǒng)。
主站采用研華IPC-610工控機(jī)、WSW數(shù)傳電臺、ADAM4520和天線，水廠內(nèi)部SCADA系統(tǒng)采用RS-485工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，主要由ADAM4017和ADAM4520組成，通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器ADAM4520，完成RS232-RS485或RS232-RS422的雙向協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有自動判斷處理數(shù)據(jù)的流向等功能。它與主機(jī)串口連接，可通過主機(jī)直接向ADAM4017發(fā)布數(shù)據(jù)采集指令，采集出廠壓力、清水池水位和源水流量。山海關(guān)區(qū)二級站示意圖如圖4所示。

 
圖4  山海關(guān)區(qū)二級站示意圖

4  系統(tǒng)的實施及主要研究內(nèi)容
系統(tǒng)建設(shè)可分為硬件安裝，軟件開發(fā)和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)三部分。在此僅對幾個測控系統(tǒng)建設(shè)中比較關(guān)鍵的問題進(jìn)行重點(diǎn)分析。
(1)  硬件安裝
硬件安裝主要是公司調(diào)度中心、水廠級測壓點(diǎn)和新增4個測壓點(diǎn)的安裝，在安裝過程中遇到幾個關(guān)鍵問題。
①  新、老WSW數(shù)傳電臺帶寬問題
雖然是同一廠家生產(chǎn)，但它們屬于兩代產(chǎn)品，因國標(biāo)要求的變更，造成新、老設(shè)備帶寬不同，使數(shù)據(jù)無法正確傳輸，查清問題后，筆者與電臺的生產(chǎn)廠家對WSW電臺進(jìn)行了統(tǒng)一的調(diào)試，使其工作在同一帶寬上，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性。
②  調(diào)度中心與二級主站的通訊問題
由西南至東北四十余公里范圍內(nèi)分布著秦皇島市的3個區(qū)，總公司所在的海港區(qū)居中，山海關(guān)公司在東北方15公里之外，由于距離、方位及山丘、建筑物阻擋的關(guān)系，直接與山海關(guān)通訊存在一定的困難，所以選擇距離山海關(guān)較近的柳村水廠作為插轉(zhuǎn)站，由它協(xié)調(diào)調(diào)度中心與山海關(guān)二級主站的數(shù)據(jù)接收和傳送工作。
③  國產(chǎn)WSW數(shù)傳電臺與美國MDS-2710數(shù)傳電臺的兼容問題
系統(tǒng)新增測點(diǎn)選用的是美國MDS-2710數(shù)傳電臺，它采用二進(jìn)制CPFSK的調(diào)制類型，而WSW數(shù)傳電臺采用的則是單一的調(diào)頻調(diào)制類型，因調(diào)制類型不同，所以雖然它們工作在同一頻率下（總公司無線頻點(diǎn)為234.5MHz），但彼此并不能通訊。為解決此問題，可增加一塊多串口卡，將不同類型的電臺分別連接到不同的串口上與主機(jī)通訊，而在軟件上采用分時、分段與不同電臺通訊的方式，效果良好。而采用多串口卡工作的形式也解決了主機(jī)串口少的缺點(diǎn)，使主機(jī)與模擬屏等外設(shè)通訊更為方便、靈活。
(2)  軟件編制
軟件部分主要完成調(diào)度主控軟件、水廠級站測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和傳輸軟件、新增測壓點(diǎn)（ADAM4000系列）下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件及山海關(guān)二級主站主控軟件的編制。這里主要針對以下幾點(diǎn)做一詳細(xì)說明。
①  軟件可靠性的研究
對于調(diào)度系統(tǒng)，對其實時性、可靠性和穩(wěn)定性的要求較高。由于無線傳輸受到外界干擾的情況很多，更由于前端測控主機(jī)的多任務(wù)（分時段巡檢、與110指揮中心和四屏顯示系統(tǒng)實時通訊、驅(qū)動模擬屏顯示、大屏幕投影演示等），所以如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對于調(diào)度主控軟件是一個考驗。筆者分別從操作系統(tǒng)和開發(fā)平臺兩方面入手，排除隱患、優(yōu)化算法。由于Visual Basic的局限性，所以軟件開發(fā)的過程中大量采用了WINDOWS的API函數(shù)，以增加軟件的功能和性能。同時采用了CRC冗余校驗、誤碼重發(fā)等一系列方法來增加無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
②  數(shù)據(jù)的共享
前端測控機(jī)負(fù)責(zé)采集、存儲實時數(shù)據(jù)。為了使其它用戶共享該數(shù)據(jù)以達(dá)到測控系統(tǒng)與OA系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的目的，這里采用技術(shù)較為成熟的SQL Server數(shù)據(jù)庫為平臺，將實時數(shù)據(jù)分類、定時地存入指定的數(shù)據(jù)庫中，將一部分后期的數(shù)據(jù)處理工作交由SQL完成。這樣，網(wǎng)絡(luò)上的任何終端都可根據(jù)不同的權(quán)限查詢、共享數(shù)據(jù)，另外，對于四屏顯示系統(tǒng)和110指揮中心兩個特殊用戶，采用內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)通訊方法，實時傳送數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g環(huán)節(jié)，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。
③  串口死機(jī)的問題
在調(diào)度主控軟件開發(fā)調(diào)試的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)一個令人頭痛的問題，串口非周期性地停止工作。表現(xiàn)為電臺發(fā)送、接收都正常，然而，計算機(jī)并不能收到數(shù)據(jù)。最初只有關(guān)機(jī)重啟才能恢復(fù)正常。通過對16550UART收發(fā)器的詳細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生這種情況時，線狀態(tài)寄存器并未產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)中斷，所以，無論采用查詢還是中斷方式，此時都無法收到數(shù)據(jù)，針對這種現(xiàn)象，采用定時重置的方法，可徹底解決這一問題。
5  結(jié)語
這套系統(tǒng)的一期工程從設(shè)計、施工到峻工，歷時8個月，完全由該公司人員自主完成，其中也確實遇到很多問題。作為一套系統(tǒng)應(yīng)本著實用的觀點(diǎn)，通過自己的力量建設(shè)，一方面鍛煉了自己的隊伍，另一方面也省去了維護(hù)、修理方面的許多問題，保證了投資的長久性和有效性。相信隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，該系統(tǒng)的功能必將日臻完善，向著靈活型、智能型方向發(fā)展。