污水处理SCADA系统

系统总体设计

本系统采用HOLLiSec·LK系列PLC控制系统，选用LK220系列PLC。采用LK 220 冗余系统，配置两套完全相同的主控单元，须包括电源转接模块、CPU 模块、冗余通信模块。上位机采用亚控King Scada3.7,进行可视化显示。

如网络架构下图所示：

此次改造设计采用一体化的整体网络架构，满足现场实时数据的采集处理和控制，同时还能适应今后发展的需要，为今后智能工厂的建设奠定基础。

对系统进行总体改造方案设计，采用一次规划、分步实施的方案，并结合设备大修进行改造。前期将所有准备工作在不影响机组运行的情况下全部完成。PLC控制系统及上位机软件组态逻辑完成、画面组态完成、电缆敷设到位，系统控制柜全部搬到改造附近，等机组停运进行机柜安装就位、接线调试，大大减少机组停运时间，确保公司经济效益最大化。

改造后实现功能：

1、PLC控制系统具有冗余功能，报警功能更加完善，系统更加稳定可靠，减少控制系统事故影响范围及由此造成的其它安全隐患。

2、实现模拟量实时在线监控和在线修改功能；对排查现场仪表问题更方便快捷。

3、更加完整的历史记录和开放式的连通性，便于工厂信息化系统建设。

4、人员配置更加优化，全部实现远程监视和控制。

5、维护及修改方便，管理根据统一，备品备件更加优化，硬件和软件均使用目前市场主流产品，备品备件采购有充足的市场可供选择，对降低采购周期和采购成本都有积极意义。

控制系统功能

1.实现的方式

为了水处理自控系统的安全可靠和生产的连续性，提高自动化水平，并适应整个系统工艺需要，通过对自动化控制系统的改造，实现对系统工艺参数、电气参数和设备运行状态进行监测、控制、连锁和报警以及报表，通过多种通讯协议和手段，完成整个水处理系统所必需的数据采集及上位监视和管理作用。在满足工艺流程的要求之外，还能实现水处理系统的安全生产，提高生产管理水平。

2.系统的控制方式

系统由三层网络结构组成，即设备层，控制层，监控层。

（1）设备层

设备层由底层设备（接触器、变频器）和测量仪表（流量计，液位计，变送器等）组成，是系统的基础部分。本层的核心是测量工艺环节的相关参数，并将数据传至PLC控制器，进而优化底层设备的运行（如变频器的起停、加药系统的联动），最终达到工艺系统的要求。

（2）控制层

本层的核心是PLC控制器，具有承上启下的作用，承上：通过工业以太网或者无线上位监控系统通讯；启下：通过硬接线（屏蔽电缆）或者总线方式与底层设备连接。

（3）监控层

本系统的监控任务管理主要是在集控室实现的。各子站PLC控制器采集到的底层信息，通过工业以太网传至集控室，在集控室进行数据的处理、储存、分析，进而为决策者提供优化方案，以实现工艺系统的预期目标。

（4）中央控制室的功能

水处理控制功能应包括实时工艺流程图显示、用户登录、参数设置、系统监测管理、报警、实时曲线及历史曲线、报表打印及上位管理机的管理功能等。

（5）现场工程师控制站功能

按照控制程序对工艺过程、电气设备进行自动控制，同时采集工艺参数，电气参数及电气设备运行状态。

通过通信网络与中央控制室的监控管理系统进行通信。向监控管理系统传送数据，并接受监控管理系统发出的开停机命令。

在操作屏上显示所辖工段的工艺流程图，工艺参数，电气参数，及设备运行状态。通过设定工艺参数，控制电气设备。

现场控制站提供方便的自动控制，临界报警和连续的回路控制。

和中央监控站连接的现场界面单元：每个现场控制站作为中央站的一个现场界面单元，中央工作站将对现场控制站的工作进行监控。

设不间断电源，保证在停电故障时系统仍能安全可靠地运行。

上位机系统软件

1、系统构成

上位机系统软件采用亚控king SCADA平台,大体分为三层，各层主要功能如下：

（1）数据采集层：与现场设备通过以太网的形式对设备数据进行采集，对不支持以太网的设备，可通过增加串口服务器的形式，将串口转换为网口的方式实现数据的采集。亚控KingIOServer数据采集平台支持各种设备协议，可实现各设备数据的快速采集，数据采集平台具有通讯故障自诊断、自恢复、断网缓存续传等功能，保证数据采集的稳定性、完整性。

（2）存储分析层：采集平台可以将采集到的数据存储至亚控工业实时历史数据库KH，实现数据的备份存储。同时，采集到的实时数据可以提供到SCADA服务器，进行报警、计算等处理，为生产安全提供强有力的数据支撑，通过实时/历史数据可以对各矿的安全生产状况进行综合性动态分析，为科学决策提供依据。

（3）数据应用层：系统提供综合可视化客户端，通过组态的方式，支持图形、图表、曲线等展示形式，实现业务功能应用和人机交互，展示设备数据、安全数据、生产进度等，应用客户端可通过C/S和B/S两种方式进行浏览。综合自动化信息集成平台的建设，将有助于各级管理人员、技术人员及时准确了解掌握本职工作所需的各类信息，特别是企业安全生产的动态运行信息。及时准确地做好安全生产调度指挥工作，及时准确地处理突发事件，消除安全隐患，保证安全生产。

2、数据采集

亚控采用开发驱动协议KingIOServer数据采集平台的方式进行数据采集。

对于支持以太网的设备，开发相应的驱动协议，通过部署在服务器上的KingIOServer采集平台将设备参数采集到服务器，同时采集器支持存储配置，将采集到的数据同步存储到工业数据库中。

对于串口设备，采用增加串口服务器，将串口转换成网口，将设备接入网络中，避免设备与服务器直连，保证所有现场设备与服务器处于局域网中，然后通过开发的驱动协议将数据传输给采集器。

对于不具备接口的设备，增加带有以太网模块的通讯模块，将所需参数传输给采集器。

实时数据是整个企业生产和管理系统的基石，有了实时数据的支持，企业的生产活动才能够得到全面优化。实时数据的重要性决定了一个系统数据采集的要求：实时性、准确性和完整性。

数据采集用户开发智能控制系统、综合管理系统、工业应用系统、故障诊断系统等，具有符合多种行业的通用协议标准，并可定制通信接口，完美实现人、设备与产品的实时联通、精确识别、有效交互与智能控制。

（1）数据采集支持的驱动和接口

DCS/SCADA/CNC/各类专用监控系统
OPC（提供非DCOM配置的代理服务器）、API接口、提供关系库接口
PLC：支持主流PLC各类协议和多链路接口转换
3000种设备，5300多款驱动，丰富的驱动程序，简单配置，完成稳定数据采集

（2）数据采集性能

亚控数据采集器可以根据工艺参数的不同，分别设置其采集频率、保存类型、存储时间等。比如为了准确抓取设备的某种特性参数，需要进行毫秒级的高速采集，我们可以根据控制设备的通讯协议定制驱动接口。而一些外围数据比如能耗系统等采用秒级采集速度即可。

设置界面如下：

（3）数据缓存

支持断点续传，当出现网络中断时，可进行数据缓存，当网络恢复后，按照时序将数据传输给数据服务器，保证数据采集的完整性。

3、数据库管理

一般地，工业现场的设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能，保证工厂的运行，但它难于让工厂操作和管理人员看到生产过程的实际运行状况。king SCADA能够很好地解决这一问题，它将数据从不同的数据源取过来，并直观、形象地显示出来，供操作和管理人员操作和分析。

亚控SCADA软件支持上千种国内外常用设备的通讯协议，通过标准数据采集接口（如OPC协议、MODBUS、DDE协议、TCP\IP协议、COM协议、API等方式）读取子系统指定文件和设备的数据。

实现数据采集的方法，就是将各子系统的工艺过程中的参数和自动化控制系统所产生的信息作为信息源进行采集，将采集到的信息通过工业网络的方式传输到信息化平台，再对生产现场的各种信息进行集成化整合和加工处理，形成统一的数据信息中心，供上层管理者使用，以保证满足各个管理层对信息的不同需求。

系统软件支持通过RS232、RS422、RS485、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。支持主流的DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等通讯。支持不同协议的设备在一条通讯链路进行通讯，支持在大型SCADA系统中的远程通道冗余通讯。

King SCADA采集软件可以对各工程单位时间内采集到的数据进行综合分析，对采集的现场仪表、智能模块数据的详细情况进行性能监测，如数据块的使用情况，具体变量值的变化率，读成功，读失败等等。提高了系统运行效率、保障实时性和减少延时处理。

在King SCADA的开放式结构中，系统可以与广泛的数据源交换数据，如IO驱动程序，ODBC数据库，OPC服务器，动态数据交换（DDE）， ActiveX控件等，同时可以将数据以趋势曲线、报表等形式显示出来。

（1）I/O驱动程序

King SCADA提供广泛的高性能的I/O驱动，目前提供在中国最流行的四百多种硬件设备的驱动程序。高性能的I/O驱动程序提供自动检查功能，能在极短的时间内报告故障的发生，诊断出出现故障的下位机，并且通过短时间的尝试，可以自动恢复与下位机的通讯。

（2）开放的ODBC数据库连接

ODBC（开放数据库互联）是微软为数据库定义的开放接口，遵循这个接口，king SCADA可以和任何ODBC数据库连接，例如，Microsoft Access， SQL Server和Oracle等。king SCADA使用结构化查询语言（SQL）作为标准的语言与ODBC数据库交换数据，它的典型应用是向MIS系统提交生产报告，从MIS系统取得生产计划，生产配方等。这些数据包括采集的变量值以及报警记录、操作事件和登录事件等。

king SCADA SQL访问功能包括king SCADA SQL访问管理器和SQL函数两部分。

SQL访问管理器主要管理表格模板和记录体。通过表格模板可以在数据库中创建表格；这种类型的表格将具有指定的字段名称、类型、长度和索引类型。

记录体用来建立数据库的字段和king SCADA变量之间的联系。记录的查询、增加、删除、修改等工作都是通过记录体来进行的。

记录体和表格模板都是在king SCADA的开发环境中进行的，在系统运行过程中，用户通过SQL函数完成对数据库的实际操作。以下是一个对数据库的选择操作。实现的功能是从表格info中选择出年龄超过50岁的人员的信息，并把选择结果放入BINDLIST记录体对应的变量中去，并按照年龄字段排序。

（3）全面支持OPC标准

工业控制领域用到大量的现场设备，应用程序需要不断地和这些设备进行数据交互。在OPC出现以前，应用程序开发商需要不断地开发这些设备的驱动程序，这带来了大量重复性的开发工作，也带来了很多问题。硬件供应商在硬件上做了一些小小改动，应用程序就可能需要重写；同时，由于不同设备甚至同一设备的不同单元驱动程序可能不同，我们很难期望同时对这些设备进行访问以优化操作。下图描述了传统工业控制程序的开发，需要开发大量的不同设备的设备驱动程序。

OPC(OLE for process control)基金会将Microsoft的OLE/COM技术引入到过程控制领域，制定了一套标准的OLE/COM接口协议，以便灵活而有效地在应用和过程控制设备之间读写数据。OPC规范采用客户服务器模型，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立了一套“游戏规则”，只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的，硬件供应商无需考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开发商也无需了解硬件的实质和操作过程。

OPC带来的好处是显而易见的：

硬件供应商只需提供一套符合OPC Server规范的程序组，无需考虑用户需求；软件开发商无需重写大量的设备驱动程序；

用户在设备选型上有了更多的选择；

king SCADA7.5全面支持OPC标准。king SCADA本身既可以作为OPC服务器，也可以作为OPC客户端。开发人员可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到king SCADA中。同时king SCADA可作为OPC服务器，向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。

OPC节省了不同厂商的控制系统相连的工作量和费用，同时使king SCADA之间的级联成为可能，多个king SCADA OPC客户机无需直接连接到生产过程中，只需与king SCADA OPC服务器连接，就可以看到整个工厂的数据。

（4）动态数据交换（DDE）

DDE是使用共享内存进行应用程序的数据交换的通讯方式。利用动态数据交换可以充分利用PC机丰富的软件资源。king SCADA通过动态数据交换（DDE）和其他应用程序交换数据。

Windows有一个在不同应用程序之间交换数据的协议，称为DDE（动态数据交换）协议。通过DDE，开发者可以利用PC机丰富的软件资源来扩充“king SCADA”的功能，比如用电子表格程序从“king SCADA”的数据库中读取数据，对生产作业执行优化计算，然后“king SCADA”再从电子表格程序中读出结果来控制各个生产参数；可以利用VISUAL BASIC开发服务程序，完成数据采集、报表打印、多媒体声光报警等功能，从而很容易组成一个完备的上位机管理系统；还可以和数据库程序、人工智能程序、专家系统等进行通信。

king SCADA系统中的DDE变量用来完成数据交换。DDE变量不但和驱动程序，而且和各种Windows下DDE兼容的应用程序（如Excel、VB等）交换数据。

（5）功能强大的ActiveX控件

King SCADA全面支持ActiveX控件。king SCADA中可以插入任何标准windows ActiveX可视控件，用户可以根据需要自己编写ActiveX控件或选用其他厂商开发的控件，在king SCADA运行系统中与king SCADA变量和自定义函数交互作用。

例如，利用第三方厂家提供的“趋势曲线”控件制作交流电压曲线，在king SCADA中用户只需要从控件列表（本机上所有的控件都将列出）中选择插入该控件“Trend.Trend”，在控件的动画连接中，用户输入与该控件属性关联的变量（如输出数值，X、Y轴范围值等），在控件事件中定义控件事件函数（可以调用king SCADA系统函数或自定义函数），如定义双击趋势曲线时执行的动作等。

同时，在king SCADA的命令语言连接中，可以更改或引用控件的属性值，可以调用控件的方法，执行控件的操作。

运行时曲线将跟随king SCADA的相关联的变量值的变化而变化，因此可以动态改变相关联变量的值，从而改变趋势曲线，或者通过改变控件的参数值来改变king SCADA的变量值。

利用控件可以完成许多事情，例如，king SCADA中可以利用Gif控件调入Gif动画，甚至在运行过程中可以通过更改Gif控件的Gif动画的文件名来替换动画；利用Microsoft的声音和视频等多媒体控件，可以在king SCADA中播放声音和视频图像，并可在运行时通过对控件进行操作来暂停、继续、更该声音或视频文件等等；用户编写自己的ActiveX控件来实现运行时进行大量复杂的算法以及对数据库的操作，本文就是通过ActiveX控件得到音乐喷泉控制集的。

（6）性能卓越的高速历史数据库

数据存储对于任何一个工业系统来说都是至关重要的，随着自动化程度的提高，对数据的存储空间、速度，和查询速度等方面的要求也越来越高。一般软件都存在着存储速度慢、占用空间大、查询效率低等不足之处。对于大规模的、高要求的系统来说，解决这个问题成了当务之急。king SCADA顺应这种发展趋势，提供了高速历史数据库，其特点有：

历史数据实现高速存储和查询历史数据的存储达到毫秒级，查询速度大大提高。
高效率存储功能存储占用空间大大降低，数据压缩比达到20%以下，极大程度的节约了空间。
完整实现后期的数据插入和合并如拨号网络系统，当通过拨号，网络连通后，可以将各地采集站点上存储的历史数据库与中心控制站存储的原有的相应站点的历史库进行合并，实现历史数据保存的完整性。
完善的网络数据处理网络间历史数据的传输、合并，都是通过压缩数据形式进行的，使数据传输更快捷，先进的网络故障诊断手段和传输技术避免了数据传输的遗漏和错误。
历史数据整合功能如何将这些数据保存到上位机，并与原来的数据库合并是一个比较棘手的问题。king SCADA7.5的历史库专门为这种情况设置了接口，可以将设备中存储的历史数据完整无缺的合并到king SCADA历史库中来。

（7）强大的网络冗余功能

king SCADA7.5完全基于网络的概念，可运行在基于TCP/IP网络协议的网上，使用户能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网，另外，随着您网络的无限蔓延，king SCADA的Internet功能可以使您的数据在任何时间、任何地点畅通无阻。king SCADA每一台数据采集站从工业现场采集的数据，可以被网络上的所有其他站点直接访问，同时支持分布式网络报警、分布式历史数据库等，功能强大，稳定可靠。/p>

king SCADA的网络是一种基于分布式处理的柔性结构。在一个分布的系统上，可以将整个应用程序分配给多个服务器，这样可以提高项目的整体容量结构并改善系统的性能。