水管無(wú)水時(shí)如何應(yīng)對(duì)？ 通過(guò)采用冗余遠(yuǎn)程控制器與自動(dòng)化解決方案， 確保盧森堡市的水源供應(yīng)

盧森堡市自來(lái)水廠一直在尋求一種自動(dòng)化供水系統(tǒng)以確保高質(zhì)量、可靠的水源供應(yīng)，最終，他們成功了——他們采用了一種冗余專(zhuān)線系統(tǒng)，這一系統(tǒng)融合了不間斷的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用兩條不同的線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

許多城市的飲用水水源都遠(yuǎn)涉數(shù)百公里，而盧森堡市的水源卻近在咫尺。在那里，超級(jí)純凈的泉水從城市各處的砂巖中潺潺流出，72 口泉眼即可滿(mǎn)足全城 60% 的需水量，剩下的 40% 則由盧森堡市自來(lái)水廠從Sebes集團(tuán)名下的一個(gè)水庫(kù)（圖4和圖5）買(mǎi)入。水廠共有員工 66 名，不僅要滿(mǎn)足 92,000 位本市居民的飲用水需求，還要滿(mǎn)足每周 140,000 名來(lái)自法國(guó)、比利時(shí)和德國(guó)等國(guó)家的往返上下班者的飲用水需求。供水管道始于昔日的要塞城鎮(zhèn)，長(zhǎng)約400公里。，全線管道的高度差普遍較大，，沿線共有 6 個(gè)泵站、12 個(gè)高架儲(chǔ)水罐以及兩座水塔，以保持足夠的管線壓力。

保障城市供水非常重要

2009 年，盧森堡市自來(lái)水廠決定將其全部供水系統(tǒng)升級(jí)到世界最高水平。，于是，他們采用了一個(gè)全新的自動(dòng)化與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)水廠整個(gè)供水管網(wǎng)（包括所有的遠(yuǎn)程終端），進(jìn)行切實(shí)有效的控制與監(jiān)控（圖1）。他們對(duì)該系統(tǒng)最重要要求是可靠性。水廠廠長(zhǎng)尼科·龐德解釋道：“冗余度的要求促使我們進(jìn)行水廠的現(xiàn)代化改造。若在舊系統(tǒng)中實(shí)施冗余改造，其成本將會(huì)很高，而且我們?nèi)詴?huì)面臨技術(shù)老化的問(wèn)題。”

對(duì)水廠而言，冗余度至關(guān)重要，這不僅是出于經(jīng)濟(jì)效率的考慮，還因?yàn)槭姓�府�?duì)Sebes 水庫(kù)的取水量有嚴(yán)格限制。如果市區(qū)需水量多于限制水量，水廠則必須向市政府支付合同違約金以獲得額外的供水。因此，盧森堡市決定采用一套上位控制軟件來(lái)介入控制系統(tǒng)并調(diào)節(jié)相應(yīng)的泵站、水罐和水塔。水廠技術(shù)工程師依福斯·湯納坦言：“如果該軟件實(shí)施失敗，尤其是在炎熱的夏季月份，我們將面臨非常昂貴的違約成本。”

對(duì)此，曾有人提出過(guò)各式各樣的解決方案，并詳細(xì)討論了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然而，對(duì)于以下這一點(diǎn)，所有的人都能達(dá)成一致，即：上位自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)兼具靈活性與開(kāi)放性，并符合相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——西門(mén)子的自動(dòng)化系統(tǒng)完全滿(mǎn)足上述要求。湯納說(shuō)：“西門(mén)子圈里的每個(gè)人都熟悉 Step 7。然而，只有兩位外部專(zhuān)家可在舊系統(tǒng)中使用 Step 7編程我們不想再依賴(lài)這樣的方式了。”

標(biāo)準(zhǔn)化且又獨(dú)具特色

最終，該水廠選擇了西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化系統(tǒng)，這一系統(tǒng)以Simatic WinCC過(guò)程可視化系統(tǒng)為基礎(chǔ)。該 SCADA 系統(tǒng)（監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)與技術(shù)可適用于各行各業(yè)，它擁有模塊化的結(jié)構(gòu)、良好的擴(kuò)展性和靈活的系統(tǒng)組合，非常適用于分布式系統(tǒng)。盡管 WinCC 基本上是一個(gè)現(xiàn)成的系統(tǒng)，但水廠還是根據(jù)其自身的需求對(duì)過(guò)程可視化系統(tǒng)進(jìn)行了定制。德國(guó)曼海姆的西門(mén)子研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)該廠提供了全面服務(wù)支持。湯納見(jiàn)證了該研發(fā)團(tuán)隊(duì)程序設(shè)計(jì)人員的深厚技能，因?yàn)樵谖鏖T(mén)子的服務(wù)過(guò)程中，不管是高級(jí)計(jì)算程序，還是直觀的圖形化顯示，都要求大量的復(fù)雜程序設(shè)計(jì)。“程序員們工作非常積極，并出色完成了任務(wù)。”

例如，該系統(tǒng)需要在可視化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)明且一致的色彩標(biāo)記，直觀顯示水質(zhì)測(cè)量值（圖3），或者用顏色區(qū)分各種泵站和水罐（圖2）。用色彩編碼的數(shù)值限度可使人一目了然地看到水質(zhì)測(cè)量值是否在“綠色范圍中”，或是需要在過(guò)程中重新調(diào)整。另外，還可對(duì)測(cè)量值進(jìn)行模擬，即利用儀表與控制裝置，直接將模擬測(cè)量值輸入控制系統(tǒng)。如果測(cè)量值超標(biāo)，且當(dāng)時(shí)沒(méi)有測(cè)量值信號(hào)傳輸至系統(tǒng)，這種模擬就會(huì)變得非常有用。對(duì)于這一系統(tǒng)而言，沒(méi)有接收到某一測(cè)量值便意味著這一測(cè)量值出錯(cuò)了，因而，出于安全考慮，這些飲用水會(huì)被清理掉。但反過(guò)來(lái)，通過(guò)模擬測(cè)量值，能夠確保高質(zhì)量的水不會(huì)被排到廢水流中。

另外，他們還采用了先進(jìn)的控制標(biāo)識(shí)系統(tǒng)（HID 代碼），能夠?qū)Ω鱾�(gè)工廠、工廠部門(mén)和廠區(qū)設(shè)備進(jìn)行跨行業(yè)編碼，以確保編碼的一致性和系統(tǒng)性。例如，對(duì)該系統(tǒng)的編碼是指對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中閘閥或其它裝置的準(zhǔn)確位置的編碼。為了不使可視化畫(huà)面上的內(nèi)容超載，也可啟用或關(guān)閉該編碼。

“我們水廠的技術(shù)水準(zhǔn)遠(yuǎn)高于目前的普遍水平。實(shí)際上，別的城市的自來(lái)水廠基本不能達(dá)到如此之高的技術(shù)水準(zhǔn)和可靠性”，水廠的廠長(zhǎng)講道。在過(guò)去，每個(gè)泵站的工作人員每天 24 小時(shí)三班倒值班，不間斷的控制測(cè)量值并在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整。龐德說(shuō)：“通過(guò)現(xiàn)代化改造，我們大部分泵站的工作人員都不必這樣倒班了。如今，我們能夠更加高效地安排我們的員工完成各種高技術(shù)含量的任務(wù)。”

謹(jǐn)防萬(wàn)一……

Sinaut ST7 是遠(yuǎn)程控制的專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品系列之一，在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用中，Sinat ST7 首當(dāng)其沖。該系統(tǒng)基于 Simatic S7系統(tǒng)，可全自動(dòng)地監(jiān)控遠(yuǎn)程過(guò)程站點(diǎn)。

該水廠還提出了最高水平的可靠性要求。該水廠還提出了最高水平的可靠性要求。工程師說(shuō)：“以前，我們只有一個(gè)服務(wù)器，并且如果它出現(xiàn)故障我們就真的陷入了困境。更加糟糕的是，我們只有一條線路連接。如果有挖掘機(jī)碰到它，整個(gè)系統(tǒng)將陷入癱瘓”。今天，該水廠有兩臺(tái)位于不同地點(diǎn)的服務(wù)器，因而也是兩個(gè)遠(yuǎn)程控制站。其中一個(gè)控制站管理控制過(guò)程。第二個(gè)控制站具有第一個(gè)控制站的功能，并且所有功能均啟用，但不會(huì)向供水站發(fā)送控制命令或整定值。如果一個(gè)控制站發(fā)生故障，則會(huì)立即無(wú)縫啟動(dòng)另一個(gè)控制站。

每個(gè)控制站都配備有兩臺(tái) Simatic S7-400 控制器，各遠(yuǎn)程終端都通過(guò)一臺(tái) Simatic S7-300 控制器運(yùn)行。控制站和遠(yuǎn)程終端之間的數(shù)據(jù)連接也采用了冗余設(shè)計(jì)：GPRS（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）和專(zhuān)線。17 個(gè)分站都可與兩個(gè)中心控制站進(jìn)行連續(xù)過(guò)程數(shù)據(jù)通信，并且各個(gè)分站點(diǎn)之間也可相互通信（圖 6 和圖 7）。“控制站全自動(dòng)化運(yùn)行，且整個(gè)系統(tǒng)可以從所有分站通過(guò)便攜式 PC 操作”，龐德講道。其它優(yōu)點(diǎn)如下：

§         基于事件控制的通信：必要時(shí)，可快速通知操作人員，并立即進(jìn)行過(guò)程干預(yù)。

§         事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)傳送：僅傳送那些發(fā)生狀態(tài)改變的數(shù)據(jù)，以確保最佳的數(shù)據(jù)傳輸速率。

§         應(yīng)急處理程序：如果整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由于某種原因發(fā)生故障，Simatic S7-300 控制器以及各個(gè)站點(diǎn)中相應(yīng)的 Sinaut TIM 3V-IE 高級(jí)通信模塊將啟用一種應(yīng)急處理程序，并繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。每個(gè)傳輸模塊都內(nèi)置大容量緩存器，可緩存數(shù)千條數(shù)據(jù)信息。這可確保接續(xù)傳輸中斷。

§         過(guò)程數(shù)據(jù)的正確存檔：控制系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)信息都在原始地點(diǎn)被加上時(shí)間標(biāo)記——包括夏時(shí)制與冬時(shí)制時(shí)間轉(zhuǎn)換。

§         從控制站到遠(yuǎn)程終端的全面項(xiàng)目規(guī)劃。

§         安全保護(hù)以防未授權(quán)訪問(wèn)：利用 Scalance S612 安全模塊防止外部訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。可通過(guò)因特網(wǎng)隨時(shí)進(jìn)行安全的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

（有關(guān)產(chǎn)品的詳細(xì)信息，請(qǐng)參考【方框】中的內(nèi)容）

不可思議的遠(yuǎn)程控制技術(shù)

通過(guò)結(jié)合使用 WinCC 系統(tǒng)的 Web Navigator 與 TeleControl Professional 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可確保隨時(shí)隨地通過(guò)因特網(wǎng)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。“理論上講，你可以在家里做任何事情”，湯納說(shuō)。“實(shí)際上，當(dāng)然是各個(gè)用戶(hù)有各種不同的授權(quán)”。該系統(tǒng)還具有其它優(yōu)勢(shì)：工程師甚至可以用他的智能手機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)。這種一致性的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了以舒適的方式進(jìn)行整個(gè)供水監(jiān)控，而且還節(jié)省了大量的路途時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。湯納對(duì)此持肯定態(tài)度：“以前，我不得將我一半的工作時(shí)間花在開(kāi)車(chē)途中和泵站。最遠(yuǎn)的泵站大約在20公里以外。而今天，我在那的時(shí)間不會(huì)超過(guò)我工作時(shí)間的5-10%。我們從未精確計(jì)算過(guò)減少的成本，但是新的解決方案確實(shí)節(jié)省了大量的時(shí)間，因而也節(jié)省了大量的金錢(qián)。”該市的市民已經(jīng)意識(shí)到這一讓其節(jié)省開(kāi)支的好處了。這種新系統(tǒng)使得水廠能夠以非常合理的價(jià)格為用戶(hù)提供寶貴的水資源。“關(guān)鍵因素是冗余性為我們的供水提供了雙重保險(xiǎn)和高可靠性”，廠長(zhǎng)強(qiáng)調(diào)。

前瞻未來(lái)通過(guò)采用先進(jìn)的通信技術(shù)，而今系統(tǒng)也可自動(dòng)發(fā)送故障消息。例如，如果在周末發(fā)生了機(jī)器故障，西門(mén)子報(bào)警控制中心會(huì)自動(dòng)發(fā)送一條短消息，并要求接收者在規(guī)定時(shí)間內(nèi)確認(rèn)該信息。這再次驗(yàn)證了“一人計(jì)短，二人計(jì)長(zhǎng)”的箴言，該水廠再也不必依賴(lài)于一個(gè)單一的系統(tǒng)。這一系統(tǒng)內(nèi)置通信模塊，其功能還包括短消息報(bào)警信號(hào)的發(fā)送，不愧為一種高性?xún)r(jià)比解決方案。“我們計(jì)劃在近期實(shí)施這種輔助的安全措施。同一報(bào)警短消息將被發(fā)送兩次，一次是從最高級(jí)別的控制系統(tǒng)發(fā)送，一次是從最低級(jí)別的分站控制系統(tǒng)發(fā)送。如果那時(shí)我們采用兩個(gè)不同的信息提供方式，那就萬(wàn)無(wú)一失了”，湯納說(shuō)。

龐德接著補(bǔ)充道：“一旦這種解決方案實(shí)施到位，我們的員工在周末基本就不用值班了”，原先周末值班的員工可以在家用筆記本電腦輕松地聯(lián)網(wǎng)，并定期監(jiān)控是否一切正常。有關(guān)其它程序模塊的新想法已在盧森堡水廠專(zhuān)家的腦海中成形。例如按計(jì)劃對(duì)水泵進(jìn)行 保養(yǎng)；通過(guò)對(duì)水泵和電機(jī)等設(shè)備的計(jì)劃保養(yǎng)與維修，可實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)。這樣一來(lái)。采用此方法以期避免將來(lái)不可控的機(jī)器故障停機(jī)。

另一種想法是實(shí)現(xiàn)在線公布水質(zhì)硬度的測(cè)定數(shù)據(jù)，向市民提供更多的服務(wù)信息，并進(jìn)一步增強(qiáng)他們對(duì)盧森堡市飲用水質(zhì)量的信心。

[方框1]

遠(yuǎn)程控制技術(shù)的詳細(xì)信息

供水分站系統(tǒng)

§         Simatic S7-300控制器

§         Simatic MP 377多功能觸摸屏

§         Sinaut TIM 3V-IE 高級(jí)通信模塊

§         Sinaut MD741 GPRS調(diào)制解調(diào)器

§         Sinaut MD2專(zhuān)線調(diào)制解調(diào)器

控制站系統(tǒng)

§         Simatic WinCC

§         用于連接 WinCC 的 Sinaut ST7cc 控制站軟件

§         Simatic S7-400控制器

§         Sinaut TIM 3V-IE 主站通信模塊

§         Sinaut MD2專(zhuān)線調(diào)制解調(diào)器

§         Scalance X204-2

§         Scalance S612

[方框1結(jié)束]

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