KingsSCADA在西安市第五污水处理厂项目中的应用

一、项目简介

西安市第五污水处理厂是1998年国务院批准的《西安市排水规划》中拟建的6个城市污水处理厂之一，也是西安市利用日本国际协力银行ODA贷款建设的西安市城市环境综合治理二期项目的子项目之一。工程设计总规模为日处理城市污水40万吨，深度处理10万吨/日。经过2009-2010年的建设已投运一期工程规模为日处理城市污水20万吨。五污投入运营前，该区域的生活污水全部直排入灞河、渭河，对河流产生很大的污染。五污建成后，有效解决了西安市东北郊地区水质污染问题，极大地改善浐灞河流域生态环境，对于促进西安市“四城联创”，推动我西安市经济社会可持续发展具有十分重要的意义。

西安市第五污水处理厂由就地控制站（LCS）、现场控制站（FCS）、中央监控工作站（CCS）和生产管理系统（MCS）组成全厂自控系统。采用以太网、工业以太网和现场总线为数据通讯网络，并配以高性能、高可靠的过程控制站，构成具有服务器功能的先进远程集中控制系统。针对该项目对上位监控软件要求采集数据量大、图形表现丰富、历史曲线数据存储功能齐全的要求，上位监控软件选择亚控科技的KingSCADA 3.1，这是亚控公司面向高端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。

二、工艺描述

西安市第五污水厂污水处理采用缺氧/厌氧/好氧（倒置A²/O）二级生物处理工艺，出水经漕运明渠排至渭河；污泥处理采用重力浓缩后中温两级消化、机械、脱水工艺，脱水后泥饼外运填埋；消化产生的沼气用于污泥加热，实现资源再利用；污水厂主要产生臭味的构筑物设置臭气收集系统，经生物除臭系统进行净化处理，具体工艺流程如图1所示。

三、网络结构

西安市第五污水处理厂自控系统由三层网络组成，即设备层、控制层和管理层。管理层各节点通过交换机构成星型100M工业以太网。控制层的控制网通过工业以太网1000M TCP/IP光纤环型网进行高速大容量数据交换。现场PLC控制站与就地控制站之间采用标准工业现场总线（Profibus DP）进行数据通信，网络的这种结构层次分明、分配合理。

下位的PLC采用AB公司的ControlLogix1756系列，下位软件采用RSLogix5000 ，上位软件采用亚控公司的KingSCADA 3.1， 控制网络图如图2所示。

中央监控室设两台工业控制计算机，一台工程师站安装KingSCADA3.1完全版软件，另一台为操作员站安装KingSCADA3.1运行版软件。监控两台计算机互为双机热备，双机热备是指控制系统中监控主机的冗余，当系统正常工作时，主、从机都启动，但从机不采集实时数据，而是通过网络从主机获得实时数据，同时负责对主机的监听。在主机停机后，从机采集数据并完全取代主机的功能，主机恢复运行后，从机停止数据采集，系统恢复到正常状况。

四、上位监控软件系统功能

4.1   基本数据的处理

对数字量数据、模拟量数据进行数据采集、记录以及数据设定，并能进行数据的计算、累积等功能。通过采集数据对全厂的工艺流程、各工艺设备的实时运行工况，加药、过程控制的运行趋势，各环节的水质参数（PH 值、DO 值、温度、ORP 值等）和过程参数（液位、流量、电气参数等）等生产数据进行实时显示。

4.2   过程显示

在上位监控计算机上，通过详尽而动态的画面对全厂的工艺流程布局等进行直观的显示。

画面包括有：

Ø  厂总平面布置图和每个单体的局部平面布置图。

Ø  厂总工艺流程图和生产区域画面，例如：进水部分、除砂池、生物池、鼓风机房、沉淀池、出水部分、脱水机房、消化池等。并显示各设备运行参数以及各工艺设备状态。设备的不同工况采用不同的图形和颜色及数字直观表示。 

Ø  功能操作画面，可通过选取不同的设备弹出相应的控制窗口，即可显示该设备的详细属性数据，又可指定设备进行启停操作或者进行参数设定等。              

Ø  趋势画面

在污水厂的运营中，历史趋势具有非常重要的作用，运营方可根据历史趋势查看过程参数的所有数据，历史趋势曲线控件不但可以连接KingSCADA3.1内置历史库，也可实现ODBC数据库中数据记录的曲线绘制，在运行状态下，可实现在线动态增加/删除曲线、曲线图表的无级缩放、曲线的动态比较、曲线的打印。

趋势记录包括有主要设备运行趋势以及水质参数运行趋势，用户可根据需要进行查看，在趋势画面右方有画面中各个参数趋势的图列颜色，趋势画面的下方可根据需要选择在画面显示的趋势，不需要显示的可将隐藏单选框选择，并且可设定趋势查看的时间区域进行一段时间的趋势查询。     

Ø  报表记录

西安市第五污水厂项目具有一套完善的报表系统，通过与KINGSCADA 3.1 进行ODBC的通讯，实现实时的数据统计计算，如各种水质参数的存储，污水处理量的累计与平均，设备运行时间的采集和统计，历史数据的保存和历史数据的显示，并生成日报表、月报表、年报表各类报表。 

Ø  报警信息的记录

运行过程中一旦产生了故障，各自的区域显示应闪烁，并显示一组报警。启停设备、开关闸/阀门等，操作员可通过指南信息，被引导至故障产生处的画面，操作员可确认故障。确认的故障/错误不可取消，而采用静态显示。只有故障/错误被取消/复位之后，画面将返回正常运行状态。最近的两个确认的故障条件应以清晰的文本在显示器的信息行中显示描述和发生时间。报警信息的显示同时伴随报警语音的提示，可通过操作按钮进行静音。  

五、监控软件的OPC功能

KingSCADA拥有OPC服务器的功能，实现了KingSCADA对OPC的服务器和客户端的统一。通过KingSCADA的OPC服务器功能，用户可以更方便地实现其他支持OPC客户的应用程序与KingSCADA之间的数据交换。

KingSCADA作为服务器时，其所有变量都可以被外部支持OPC的客户端进行访问，访问的对象是变量或变量的域。对于可读写变量的修改域，用户可以通过对KingSCADA中OPC服务器的访问得到相应的数值并能够对相应的数值进行修改。

第五污水处理厂中控室设置模拟屏大屏，全场工艺流程全部在屏上进行体现，全场概况一目了然。同时工艺设备的运行情况通过信号灯的颜色变化来进行表示，水质参数、流量、液位等工艺参数通过数显表进行数据的动态显示，所有数据由模拟屏作为OPC的客户端对KINGSCADA 数据进行访问而得到。

六、监控软件的WEB发布功能

KingSCADAWeb功能采用B/S结构，客户可以随时随地通过Internet/Intranet实现远程监控。客户端有着强大的自主功能，局域网内部如厂长办公室的电脑通过浏览器实时浏览画面，监控各种工业数据，而与之相连的任何一台PC机亦可实现相同的功能。KingSCADA的For Internet应用，实现了对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。在WebView画面中能够对KingSCADA中的数据进行浏览，包括实时数据、历史数据、报警数据以及事件数据，对于具有操作权限的用户还可以进行数据操作。

七、数据管理层与现场设备层通讯注意事项

在西安市第五污水处理厂项目中现场控制站采用美国ROCKWELL公司的AB品牌ControlLogix系列PLC。管理层软件KingSCADA3.1采集现场数据和控制现场数据的模块通过采集器IO Server进行。它是一组独立的应用程序，可以脱离KingSCADA3.1软件。IO Server依赖于KingSCADA3.1的驱动产品，通过驱动与IO设备进行通讯，采集系统由通讯链路、设备、数据块组成。

在项目的实际实施过程中， I/O Server与ControlLogix PLC是通过PLC中的变量名称进行索引与连接。与其他厂家PLC不同的是，一般上下位之间采用的是地址索引方式，AB系列采用变量名称索引使得工程在实施和调试阶段可以进行分离设计，只要统一变量名称即可。在硬件上通过名称索引数据库，使得硬件地址映射到下位机数据库中，在通讯过程中不用考虑实际硬件地址长度，大大减小了工作量和出错概率。通过此项目，我们发现名称索引通讯方式需要注意的问题如下：

1.          名称索引不考虑PLC中的实际地址长度，但是需要在变量名称中指定变量数据类型，若在上下位编程中数据类型不匹配，则可能导致实际数据地址溢出，产生不可知错误。

2.          KINGSCADA软件的变量数据库与I/O Server连接后则生成一次固定数据表，若此后在上位系统或下位系统中修改变量，使得上下位系统变量表数量不相符，则I/O Server在连接刷新后会导致KINGSCADA内部数据库出错，使得上下位通讯中断。所以在实际工程中，推荐首先建立统一数据表，数据变量修改过程中不要轻易改变数据变量的数量。

3.          上下位工程量转换精度问题。在实际工程中，大量存在4-20mA现场模拟信号与数字量数据之间的工程量转换问题，由于PLC系统的浮点运算能力大大高于上位计算机，若工程量转换放在SACDA系统中，会造成上位数据值与现场仪表数值误差问题，建议工程量转换放在下位机进行。由于下位机浮点运算位数较多，在数据通讯时在上位数据类型中注意小数位不要溢出。

八、项目运行及应用体会

西安市第五污水处理厂现已顺利交付业主使用，整个系统运行正常，达到设计要求。监控软件KingSCADA3.1提供了丰富的简捷、易用的配置界面，提供大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供简单易用的接口，软件的功能性和可用性有了很大的提高，对工厂的运行监控起到了重要的作用。