珠海供水实时监控系统的设计与实现
作者：林景秀 王杭州
珠海水务集团有限公司
摘要：该文阐述了珠海供水实时监控系统的设计及实施方案，并对实现的功能、系统的建设情况进行了说明，对人才培养需求提出了建议，供同行参考。
关键词：珠海水务集团，实时监控系统，大数据平台
1、背景
珠海市水务集团有限公司下属水厂有：拱北水厂、香洲水厂、唐家水厂、西城水厂、南区水厂、乾务水厂、龙井水厂、三灶水厂、平沙水厂等；取水泵站有平岗泵站、广昌泵站、裕洲泵站、黄杨泵站、竹洲头泵站、南沙湾泵站、莲溪泵站等；加压站有：桥西加压站、白蕉加压站、大镜山调咸站等；水库有凤凰山水库、大镜山水库、南屏水库、竹银水库等。厂、站、水库众多，因此自动化系统也多，存在众多不同品牌的PLC。如AB、西门子、GE、施耐德、欧姆龙、泓格等等，多种网络协议存在，如DH+、工业以太网、Device Net、Modbus RTU、Hart、Modbus TCP/IP等。
由于各个水厂、泵站自动化系统的实施时间不一以及当时技术上的限制，各个水厂、泵站目前的自动化系统都是以单机版为主的监控系统，组态软件也多样化、如RSview32、WinCC、组态王等。且一般自成一体，无法与外部组合联网，生产数据无法交流互通，这是导致各个水厂、泵站的生产监控系统成为信息孤岛的主要原因。
虽然目前部分水厂、泵站通过ODBC、GPRS等方式传送部分关键数据到信息中心服务器，数据写入关系型数据库，然后用WEB定时刷新的形式实现对数据的监视。但其以30/60分钟为单位的处理时间显然实时性不足，而且连接的数据量也非常有限，不能对各个车间的生产过程进行记录，因此无法完成实时监控的任务；而且历史记录处理及浏览查询功能不足，生产数据处理技术手段有限的情况下，无法满足日益紧张的供水形势，无法满足生产调度工作要求越来越高、各厂站生产配合越来越紧密的现实需求。
因此对各厂、站生产数据的实时化、图形化、网络化处理，对数据的互通与共享已成为各级生产部门的迫切需求。
2、系统实现功能
2.1全面监控
将所有具备网络条件的水厂、泵站的生产监控系统全部连接起来，以工艺流程图形化的方式，实时动态地展示出来。底层数据采用值变通知机制，同时图形矢量化、数据XML化，全部画面能动态放大缩小、拖拽移动，实现美观、易用、实用的监控功能。
2.2大容量高速度
实现用IE及专用客户端同时访问，精确细致、快速高效，即使用目前配置最低的电脑也能高速浏览。只要是内部网能通的地方，都能登陆访问。系统容量达到500个用户同时在线也能流畅运行,与5个用户在线的速度一样；系统达到无限数据点且不限客户端数量，可以真正实现无处不在的展示方式。
2.3移动监控
实现智能手机移动监控功能，为生产管理者实现随时随地的数据监控。目前的APP客户端已支持Android系统、苹果iOS系统智能手机。实现了与PC相同的监控功能，这使监控技术提高到了一个全新的应用水平。
2.4高效历史数据库
提供高压缩比的历史数据库，数据无须分离或筛选，2000个数据记录，以每分钟为单位，记录一年容量不超过800M，可不间断记录10年以上。并且提供功能完善、图形化的历史记录查询方式，能动态调整X、Y轴参数，功能强大且简洁易用。
2.5与外部数据库连接
系统能对外部数据库进行读写操作，能将自动生成的报表、手动录入的补充报表，自动备份至外部数据库（如：SQL Server、Oracle等），以供其它程序调用，同时也起到一个可靠备份的作用。
2.6更多的扩展功能
系统还能根据实际业务需求，不断扩展其它功能。以不断更新、持续改进方式使系统功能不断完善，使用更方便。
3、实施方案
珠海供水实时监控系统是一个非常庞大的子系统，它将含概珠海市所有水厂、取水泵站、加压泵站的实时生产过程监控。因此涉及到这些厂、站的自动化系统建设和数据采集。目前已直接连接超过70个PLC子站，3个大型数据网关（Modbus TCP/IP），全部建成估计连接PLC子站超过120个。它将为珠海水务大数据平台提供大量的基础数据。系统结构见图2。
系统主要由“PLC集成系统、子数据服务器系统、网络组态中央服务器系统”等组成。其中网络连接可以是光纤以太网、无线以太网、用4G路由器组成的网络等。
3.1通信方式
各厂站大部分有自控系统，不同的自控系统采取不同的通讯方案。目前主要使用RSlinx OPC、KpeServer OPC这两种通信方式进行连接，无法直接通信的使用数据网关进行转换后再连接。通过通讯软件、数据网关、OPC服务器等技术，将数据直接传到集团公司的组态服务器，或先汇集至本地的数据服务器，然后再统一传送至集团公司的组态服务器。
3.2 HMI Server中央服务器系统
网络组态中央服务器系统主要由网络HMI组态系统及网络数据库服务器系统组成，是整个实时监控系统的核心组成部分。它既要承担数以百计来自各种客户端的在线服务请求，更要接收处理来自各个子服务器的实时数据。中央服务器中HMI组态软件的选择将是整个系统成败的关键。
3.3网络HMI组态系统
应选用基于WEB平台架构的组态软件，确保多用户并发访问的速度，同时具有优秀的历史数据库技术。以此建立起来系统具有如下几个突出的特点：
A、跨平台系统架构，不依赖任何服务器环境平台，支持多种IE及客户端同步访问方式，客户端数量300个或以上，客户端可跨平台布署，能同时布署windows、Android、苹果iOS等；
B、独有的服务器内核结构，BS/CS模式同属于一个服务器内核，项目无须发布或转换，保存即可立刻通过IE访问，所见即所得；
C、高效的及高压缩比的历史数据库，以分钟为时间单位可以同时记录数以万计的历史数据。
D、对象矢量化，支持大图模式，对象可以拖动、无级缩放等创新功能应用；
E、具有P2P云组态功能，
F、与外部数据库连接功能，如SQL Server、DB2、Oracle等。
3.4子数据服务器系统（Date Server）
子数据服务器系统是分布在各个水厂、泵站或河流综合检测点的、水库等地的子服务器，作为主服务器配套的子服务器群。子数据服务器根据现场的不同的PLC系统进行配置，融合多种PLC系统及解决部分PLC系统不能跨网段传输数据的问题。组态子服务器系统主要有四个重要的功能。
A、通过以太网连接中心服务器，以Modbus Tcp/ip或P2P或系统内部数据传送的方式，为中央服务器提供数据,通讯速度以毫秒为单位；
B、通过各种不同的网络方式（如有线以太网、无线以太网、4G路由等），不同的协议（如Modbus RTU、MODBUS/TCP等），与PLC系统相连；
C、可作为客户端的子系统接入点，其系统接入性能与中心服务器相同，便于当地技术管理人员直接管理，同时各类客户端根据权限可以跨越中心服务器直接访问子服务器。形成多种层次的访问/服务结构，使整个系统更具灵活性。
E、根据需要，子服务器可扩展下一层子服务器，连接更多的PLC及现场仪表系统，同时不会形响任何在用的系统，使整个系统具有足够的安全扩展特性。
4、系统建设情况
4.1系统首页（见下图）
珠海供水系统中的各个水厂、泵站、水库等，按地理位置分布其中。比较直观，易于监控及管理，页面可以动态无级缩放。
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4.2、水厂具体页面
对水厂的监控，通过点击菜单或页面中的图标进入即可。如下图香洲水厂。
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4.3、流程具体页面。点击菜单进入次氯酸钠消毒车间。
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4.4、拱北水厂加氯间
4.5、滤池控制设计
4.6、历史曲线设计
4.7、数据记录情况
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系统的功能、面页设计，以智能化应用为目标。系统的访问连接、状态监控、数据浏览分析等操作，全部以最傻瓜式应用方式实现。
当系统建设完善后，每个生产单位、生产流程状况都可以处在监控当中，只要有互联网就可以实现监控。
5、更高层次的应用
几十个类似的生产单位，通过实时监控系统，对生产流程的数据进行记录，然后根据需要提取到数据仓库中，将形成一个庞大的基础数据库，然后再进更高层次的智能、智慧应用。
因此珠海供水实时监控系统，在完成系统内各水库、水厂、泵站、管网、加压泵站、二次供水系统、用户水表等生产设备设施的实时动态监控外，也完成了庞大基础数据的存储及提取，为日后智慧水务大数据平台建设起重要作用。
6、系统完善
由于各个水厂、泵站自动化系统软件硬件的多样化，供水实时监控系统在整合各个自动化系统的过程中，存在一些不足。如为了统一数据接口，配置的数据网关的类别较多，管理起来难度很大，同时数据传输稳定性也存在一定的问题。因此各个水厂、泵站自控系统建设或改造时，建议尽量采用同一品牌带以太网通信的PLC系统，减少因转协议太多带来的故障，降低系统的维护难度及成本，同时进一步提高系统的稳定性。
7、人才队伍培养
供水实时监控系统的建设，及建成后能否处在良好使用状态，人才培养及利用是关键因素之一。公司最高领导层应有足够的重视，并直接关切，尽早规划才能有效解决。
7.1系统管理人才
要求精通下述各类子系统建设及管理，熟悉各种业务流程、各种生产工艺流程、管网管理及项目管理知识，具有良好的协调沟通能力等。
7.2数据库使用及管理人才；
数据库管理是重要的技术人才，是日后大数据平台能否正确使用、安全运行关键。要求要熟悉数据库编程、维护管理等相关技术，特别是掌握Oracle、DB2、SQL Server等使用技术，这将关系统到各个子系统到大数据平台接口的定义及日常维护管理。
7.3应用系统建设及管理人才；
应用系统建设管理人员，应熟悉各类网站构建及建设管理，熟悉各类脚本语言，如主流的HTML、PHP、JSP、ASP及.net，JavaScript和 VBScript等。是各种应用系统建设流程管理、质量把控的关键。
7.4网络及服务器（硬件）使用及管理人才；
要求熟悉网络系统原理，熟悉服务器系统的构建，熟悉机房管理，能进行日常维护。
7.5自动化系统建设管理、仪器仪表使用及管理人才。
这层专业人才，含概了水厂、泵站、管网、二次加压泵站等所有生产单位、节点的自动化系统的建设及管理、数据采集系统、仪表使用及维护管理。主要是电气自动化、电子技术类专业的人才。保证底层系统的稳定运行、数据精确计量，大数据平台的建设才具有实质意义。
8、结束语
供水实时监控系统作为大数据平台部分，是实现供水企业生产信息化、一体化监控的重要平台之一，是大数据平台建设的基础，它将有效整合目前各个水厂、泵站子系统孤立存在的局面，解决各子系统互联互通的问题。
在实施过程中，应充分考虑各生产单位的实际使用需求、使用习惯，并加强新系统的培训及使用贯彻力度，共同参与完善。使系统的每一部分功能建成都能获得良好的应用体验，获得各个生产单位的认可及支持。
目前珠海供水实时监控系统的各个部分建设良好，获得广泛的认同及应用，对生产起到良好的辅助作用；为供水系统的节能运行，科学调度起到积极的作用。并且具备良好数据集合基础，为日后大数据平台的实施提供良好的技术支持。
由于作者时间及水平有限，浅显的研究及分析难免有不足及疏漏，敬请同行们不惜批评指正。
参考文献
[1] 《电气控制与可编程序控制器应用技术》李凤阁、佟为明等编著，机械工业出版社；
[2] 《MicroLogix 核心控制系统》钱晓龙、赵舵等编著，机械工业出版社；
[3] CANVIEW组态软件 联机手册。
作者1简介：
姓名：林景秀； 姓别：男；出生年月：1973年8月
学历：本科（计算机应用专业）；毕业学校：西南科技大学
职务：珠海市水务集团有限公司城区制水分公司/生产技术办主任
职称：技师、助理工程师
办公地址：珠海市香洲区拱北粤海中路2083号
邮政编码：519020
作者2简介：
姓名：王杭州；姓别：男；
职务：珠海市水务集团有限公司/供水业务部总经理
职称：高级工程师
办公地址：珠海市香洲区拱北粤海中路2083号
邮政编码：519020
