基于KingSCADA 软件在上海白龙港污水厂综合监控系统的开发与应用

陈善超，汪 宇，赵彦卿，赵子懿

（1.北京亚控科技发展有限公司，北京 100086；2.天津天雾抑爆灭火产业技术研究院有限公司，天津 300392）

上海市白龙港污水厂的污水、污泥、除臭工程项目是上海市重大工程项目，自1999 年成立以来历经多次扩建和改造，其污水、污泥处理量约占上海城区1/3，属于超大规模污水处理厂。

本次白龙港污水处理厂提标改造工程设计规模280 万吨/天，采用减量达标的方式，新增120 万吨/天生物处理设施和280 吨/天的深度处理设施[1]，除新增设施部分需要建设自动化监控系统外，原一期、二期及其他子系统也要进行融合，以SCADA 为基础建立全新全面的自动化监控系统。系统包括由PLC、仪表、成套设备组成的硬件控制系统和组态软件、数据库组成的SCADA 综合监控软件系统。

1 系统概述

1.1 系统简介

自控系统SCADA 组态软件运行于污水处理厂中控室的工作站及服务器中，将所有工艺环节数据与控制数据进行采集，使用形象立体画面表现水厂工艺流程及各种数据，并对污水厂进行相应的控制，同时实现对各种数据的分析处理。自控系统组态软件运行在污水处理厂的中控室，对污水厂提高运行效率、降低运营成本、提高管理水平起着至关重要的作用[2]。

1.2 系统现状

白龙港污水厂子系统设备多，各系统独立控制，其中下位机与组态软件年代、品牌不一，操控人员精力分散，设备的故障预测及维修与控制，导致现场运维人员负担繁重。

现需构建集中监控系统，对厂内设备统一监控管理，简化人员操作流程，对历史数据进行统计与分析，系统接入污泥污水除臭系统，厂内分4 个片区，仅南区有32 组滤池，总数据量超过20 万个IO 点位，数据库需满足自控系统检索与上层系统的数据交互功能、支持API 与自动化接口调用，数采需满足几十个配套厂家的协议同时接入，协议如OPC、485仪表、西门子全系列、罗克韦尔全系列PLC 等。

1.3 系统重难点分析

SCADA 整合升级改造的难题较多，如：

（1）接入设备多、品牌杂、接口不一，部分设备年代已久，对接困难，数据点位庞大，系统如何保证高效的采集和存储任务以及如何保证系统的稳定性可靠性；

（2）多个系统报警的优先级划分、误报警屏蔽功能的实现，保障设备安全运行；

（3）如何保障控制系统运行稳定性；

（4）污水厂规模大，工艺流程多，如何更友好直观的监控整厂的运行状态。

2 建设方案

白龙港污水厂智慧控制SCADA 系统按照“驱动程序统一化、画面监控模板化、流程监控图元化、界面风格统一化、报警处置流程化、诊断分析系统化”的理念进行建设，是一个可复用、可扩展的技术平台。

进一步提高污水处理生产决策的及时性和准确性，达到生产建设投资、运行成本与智慧控制的目的[3]。

（1）优化数据采集方式，提高数据采集效率

在污水处理厂监控中，对设备状态，水质情况等要求能够在画面中实时展示，因此在数据采集上提高采集效率是十分必要的。

在数据采集层，在传输时采用数据块的方式进行组织和传输。在KingIOServer 中建立数据模型，然后将模型进行实例化后产生具体的数据模块，每个数据块中可以包含多个不同数据类型的参数，如此可以从一个数据帧中解析出多个参数，极大的提高了采集速度。

（2）保障设备安全运行

因设备运行安全问题较突出，生产运行管理和技术分析受技术条件限制的问题，为有效降低生产运营中的电耗、药耗等成本消耗，通过采用工业实时历史数据库KingHistorain 结合关系型数据库SQLServer 建立完整的历史数据库和报警事件数据库，记录设备生产运行中的关键过程数据及报警信息、操作事件等，为后续事故分析、故障追溯和统计分析提供依据，保证污水处理厂更加安全、可靠、经济地运行[4]。

（3）解决控制系统运行稳定性问题

软件配置充分考虑分布式及冗余方案，采用数据采集分布式加冗余，SCADA 服务器双机冗余部署提高了整个系统运行的稳定性。

对于网络安全层面在中央控制室与企业生产管理网通过加装隔离网闸，将生产网与控制网进行隔离，确保SCADA 系统的网络安全，避免控制网SCADA 系统受到网络攻击和破坏[5]；数据库服务器配置容错服务器2 台，采用工业库冗余实现历史数据的软硬双重冗余方案保证系统数据的安全可靠存储。

（4）多终端多实例多分屏无极缩放监视方案

采用BS+CS 架构，部署30 个CS 客户端及50并发的BS 客户端满足集控中心及各个工艺车间监控的需求；中控室每台工作站多实例运行KingSCADA工程采用四分屏显示监控界面实现一台工作站能够同时监视4 个关键工艺界面；在工艺监视界面开发实现鼠标选中区域自动缩放功能便于操作人员对局部工艺重点监视。

3 总体设计

3.1 系统整体架构设计

系统拓扑如图1 所示。

图1 系统拓扑图Fig.1 System topology diagram

（1）整个系统架构由感知执行控制层、数据传输交互层、数据存储管理层与综合智能应用层组成。

感知执行控制层：主要通过水厂现场的自动化仪表、传感器、PLC 等设备，自动采集提升泵、格栅机、鼓风机、水质、水量等污水处理生产过程数据。通过控制阀、设备启停等控制设备，对污水处理生产过程实现自动化控制。

数据传输交互层：通过部署集成大量驱动协议、采集稳定高效的KingIOServer 产品将实时数据和信息传输给KingSCADA 系统，进行统一的收集、汇总、综合处理和分析。

数据存储管理层：实现实时数据、历史数据、分析数据的统一存储和处理，存储于KingHistorian 工业历史数据库中，为历史数据查询、数据统计分析提供数据依据。

综合智能应用层：主要实现对全厂各个生产工艺段进行实时历史数据，统计分析数据的展现和操作，从而实现生产远程监控功能、报警管理、生产运行管理、生产分析等人机交互的应用展示功能。

（2）SCADA 系统由数据采集服务器、数据存储服务器，工程师站、操作员站组成。

工程师站SCADA 与多个互为冗余的数据采集服务器进行通讯，负责整个应用系统的实时数据处理、统计分析数据处理、Web 数据服务请求，并提供生产实时监控、远程控制、生产管理、数据分析、报警预警等功能。

操作员站SCADA 与对应监控区域的互为冗余的数据采集服务器连接，负责该片区生产系统的实时数据处理、统计数据分析、数据服务请求、提供该区域的生产实时监控、远程控制、生产管理、数据分析和报警管理等功能。

数据采集器KingIOServer 分别部署在8 台数据服务器两两冗余分别对应采集4 个环网设备数据。

在专用的网络通讯服务器上，主要是负责采集各光纤环网下各生产工艺段的数据，采用冗余配置，保证数据采集的安全性、完整性。数据采集器支持数据并发采集、变量配置、在线编辑、快速增加删除站点和设备。

历史数据库KingHistorian 用于存储数据采集器KingIOServer 和KingSCADA 服务器传输给的数据，采用2 台容错服务器双重冗余配置，保证历史数据的完整性和数据存储的安全性。为客户端的历史数据查询、服务器端的数据统计分析提供数据依据。

工程师站、各操作员站以及Web 客户端操作员站用于分析和展示全厂生产运行数据，通过工艺画面、报表、曲线等多种方式实现对计算分析数据进行展示，以满足污水生产与管理的需求。

3.2 功能模块设计

白龙港污水生产智慧控制系统包括生产流程工艺监控、数据监视、远程控制、预警报警、曲线报表、视频监控等功能模块，以及事件管理、用户管理等管理模块，各标准模块能快速、灵活组合使用，减小功能重复开发、降低开发维护周期与费用。根据系统需求分析，得到系统各个功能模块，如图2所示。

图2 系统模块设计Fig.2 System module design

3.3 关键技术

（1）分布式部署

KingIOServer 支持部署到不同计算机节点，降低运行环境的负载，提升系统性能，单节点宕机，不影响其他服务正常运行，提升可用性，可有效解决大型监控系统的规模和性能要求。

（2）多实例运行

KingSCADA（X64）企业版采用64 位编译技术，能够充分发挥硬件资源；单机支持同时运行5 个服务端工程实例，能够分布式多实例部署采集、实时、历史、报警、登录、校时、事件。

（3）模型应用

支持模型的高效复用：支持数据模型和图形模型，提供模型到实例化对象的船舶特性，能够实现工程的高效开发并保障维护修改的便捷性和准确性。

（4）无极缩放

开发和运行状态均支持无级缩放，缩放范围达到10%～1000%；画面最大支持32000×32000 分辨率导航图，可进行整个厂区工艺画面的监视浏览。

（5）全面冗余

SCADA 系统支持双机热备、双网络冗余、双IOServer 冷热冗余、双IOServer 双设备冷热冗余，采用专用网卡或专用串口通道检测心跳，保证系统状态及时快速侦测，快速实现主/冗切换。

（6）用户安全

SCADA 系统基于用户和角色安全管理体系，支持绑定mac、IP、在线数量等；支持反向代理，提高数据通讯安全性；支持数据通讯加密传输。

4 系统实现

4.1 工艺总览模块实现

在工艺总览中分4 个工艺区块：A 区-西北片区；B 区-除臭系统；C 区-高密池与扩建部分；D 区-西南、南部片区。总览全厂工艺并直观展示关键参数及区块报警状态。厂区平面图如图3 所示。

图3 厂区平面图Fig.3 Plan of factory area

4.2 工艺监控模块实现

工艺监控功能主要完成白龙港污水厂智慧控制系统的各污水处理工艺段生产流程和相关核心数据等的实时监测，在这类界面中系统用户可以直观地了解到厂内所有（权限内画面）的重要数据，结合视频监控能够对各生产流程的运行状态做到了如指掌。在画面中可实现远程启停设备和参数调节，远程启停等设置用户操作权限和系统日志，无权限的用户无法进行设置，保证控制的安全性，并将远程控制、设置操作生成事件，做到可追溯查询。

（1）以直观的3D 底图呈现高密池工艺泵、阀等设备状态、频率、启停时间，实时监测进出水瞬时流量、进出水累计流量、进出水水质等。

（2）鼓风机开停策略与轮换机制设定。

（3）流量平衡分析与异常流量情况监视。

4.3 趋势曲线及拐点分析实现

可实现对拐点产生的原因进行追溯，记录拐点解决方案，积累拐点应对经验。在拐点分析系统中记录解决措施及相关处理痕迹资料，经年累月，不仅提高了污水厂应对拐点的处理处置能力，还有效保证了日常运行。数据分析界面如图4 所示。

图4 数据分析Fig.4 Data analysis

4.4 报警管理模块实现

支持用户单点报警、多点联动报警关联的基础配置；实现多点联动报警不同等级报警的区分，实时报警自动弹窗展示，如图5 所示，与水厂智能控制指令进行智能联动报警，减少误报警；支持报警历史记录查看。

图5 实时报警弹窗Fig.5 Real-time alarm pop-up

4.5 系统管理模块实现

实现用户管理，用户权限配置管理，可自由配置单个页面权限。实现变量管理，对变量进行增删改查，相关页面的变量会进行修改。

5 结语

白龙港污水厂监控软件采用了北京亚控科技发展有限公司的工业组态软件KingSCADA，KingHistorain，KingIOServer 融合了组态、分布式数据采集存储、Web 发布、OPC 功能，实践证明，KingSCADA 以其友好的界面、强大的功能，满足了大型污水处理厂对工艺过程监控和管理的需求。同时也为将来越来越多的中大型污水厂进行扩建及升级改造过程中解决大点数、多设备、高并发等应用场景提供建设思路。