案例研究: Carlsbad市政水處理
SCADA系統(tǒng)用于水輸送、分配及處理
加州海濱城市Carlsbad位于圣地亞哥北面，以美麗的海灘、高消費(fèi)的家庭及特有的購物中心而聞名。技術(shù)專家Tom Pagakis監(jiān)督SCADA系統(tǒng)，用于監(jiān)測、控制城市所有水和回收水。系統(tǒng)的關(guān)鍵組件是由OPTO 22生產(chǎn)制造的SNAP系列控制器。
“我們開始試驗(yàn)性地使用OPTO產(chǎn)品，”Pagakis解釋道。“在這之前，我們使用過時(shí)的技術(shù)如遙感及后來的混合I/O模塊和來自Grayhill等廠商系統(tǒng)，必須安裝特殊的驅(qū)動(dòng)以保證所有通訊正常，這樣系統(tǒng)不僅變得非常復(fù)雜且操作性變差。”
SNAP系統(tǒng)—通過無線電、串口及以太連接相互通訊并反饋給控制中心，應(yīng)用于整個(gè)城市水務(wù)系統(tǒng)的監(jiān)測、控制和數(shù)據(jù)采集。Pagakis管理所有水輸配、監(jiān)測一個(gè)獨(dú)立的水處理廠并控制氨及氯氣的化學(xué)品用量。總之，系統(tǒng)包含了超過1000個(gè)I/O點(diǎn)，分布在城市的指揮和控制中心及眾多遠(yuǎn)程現(xiàn)場。
運(yùn)輸和配送
水從圣地亞哥水務(wù)局購買，通過管道運(yùn)輸至Carlsbad，再配送到工廠、居民家中。飲用水的配送幾乎無需泵送，水由重力從一個(gè)巨大的水箱（約9百萬加侖）中流出，該水箱坐落在高于海拔700英尺處。
SCADA系統(tǒng)經(jīng)配置能控制各類設(shè)備和監(jiān)測水處理的整個(gè)過程。尤其是模擬量和數(shù)字量輸入、輸出模塊的連接到：
l 液位傳感器用于追蹤水庫及水箱液位
l 管道中壓力傳感器用于測量每平方英寸上的壓力，并保證水的有效輸送
l 流量計(jì)記錄每分鐘配送量
l 不同程度開啟或閉合持壓閥、泄壓閥等閥門來調(diào)節(jié)水的流量
“現(xiàn)在，SCADA系統(tǒng)涵蓋了3個(gè)大保留水庫、14座水庫及20座用于監(jiān)測長度超過500英里配送管線的減壓站。”Pagakis說道。
值得注意的是，所有這些監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集功能不是由一個(gè)（甚至多個(gè)）中心控制器完成的，而是由3個(gè)分布在各泵站及設(shè)施內(nèi)各點(diǎn)的本地I/O處理器（或叫做“智能處理器”）來執(zhí)行。這些處理器和安裝在同一機(jī)架上的I/O通訊，功能類似高端PLC。比如，智能處理器從模擬輸入模塊中讀取閥門信息并通過比例運(yùn)算將電壓轉(zhuǎn)化為百分比。（一般對(duì)一個(gè)4~20mA的模擬輸入模塊，12伏特相對(duì)應(yīng)的讀數(shù)是50%）比例運(yùn)算和工程單位轉(zhuǎn)換都在I/O層實(shí)現(xiàn)，這樣既緩解了主控制器的處理壓力，也方便Pagakis和同事們?yōu)g覽和理解測量單位（比如，百分比反比于電壓）。
為了防止發(fā)生主控制器操作中斷，這里的分布式智能也提供了一定的安全保障。智能處理器能接受指令繼續(xù)記錄、執(zhí)行運(yùn)算等，操作者仍可以通過控制中心的HMI瀏覽數(shù)據(jù)。
Wonderware HMI
Pagakis的HMI采用Wonderware InTouch系統(tǒng)，它靈活地集成了OPTO 22的硬件并使得Pagakis及其他控制中心人員可以查看相關(guān)的壓力、流速、液位、設(shè)備狀態(tài)等操作變化和情況。Pagakis也使用Wonderware系統(tǒng)來生成塊狀圖、折線圖（說明液位、泵狀態(tài)及閥門位置）和歷史趨勢等。例如，對(duì)每一個(gè)儲(chǔ)槽生成一個(gè)24小時(shí)的趨勢圖，列出每天、每周、每月泵水體積。
基于一系列的I/O點(diǎn)，HMI配置了報(bào)警功能，并劃分成“正常”或“安全”等操作狀態(tài)，若I/O讀數(shù)偏離了參數(shù)范圍，控制中心會(huì)接收到一個(gè)可視警報(bào)。報(bào)警裝置同時(shí)被集成在一個(gè)呼叫系統(tǒng)內(nèi)，待命的操作員一收到手機(jī)信息，就可以適時(shí)處理。比如，控制中心監(jiān)測下游和上游的水務(wù)配送，接收強(qiáng)制變化引起的報(bào)警，如消防栓的使用或損壞—這是件常事，例如最近圣地亞哥就發(fā)生的大面積火災(zāi)。
基于OPTO 22的SCADA系統(tǒng)也能在閥門故障或變頻驅(qū)動(dòng)失效時(shí)生成一個(gè)報(bào)警。“我們使用變頻器在大負(fù)載下來驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)，易遭受突高電壓和非正常波形。”Pagakis說道，“我們將變頻器與模擬輸入連接起來，這樣就可以持續(xù)觀察其頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，只要一出現(xiàn)問題，我們馬上可以知道。
Pagakis解釋道，如此嚴(yán)格的監(jiān)控和報(bào)警源于城市協(xié)商合同中限定了獲取的水量、獲取時(shí)間、泵水的速度等。市政對(duì)每天回收水的季節(jié)性量有明確的規(guī)定。于是，當(dāng)規(guī)定量一到，OPTO 22控制程序立刻要求關(guān)閉泵。此外，由于本地電力公司（San Diego Gas & Electric）的強(qiáng)制頻率，泵水的最佳時(shí)間在深夜，故盡管系統(tǒng)被設(shè)定為監(jiān)控水位，低于一定液位后自動(dòng)開泵，我們還是寫入了一個(gè)延遲指令以保證泵水時(shí)間在晚10：15以后至凌晨5：50。
廢水回收
廢水回收是將家庭及工業(yè)廢水引入廢水處理廠，經(jīng)生物和化學(xué)處理再利用。
“附近6個(gè)城市的所有污水都進(jìn)入一個(gè)獨(dú)立操作的處理廠，我們從控制中心來監(jiān)控它。”Pagakis說道。使用SCADA系統(tǒng)，Pagakis能監(jiān)測處理廠的操作—尤其是升降臺(tái)中的濕井液位。通過液位傳感器，系統(tǒng)也監(jiān)控回收水儲(chǔ)槽液位并追蹤凈化后水的輸出量及可用量。控制程序設(shè)定為當(dāng)水量減少至一定程度，SCADA系統(tǒng)控制器發(fā)送模擬及數(shù)字輸出信號(hào)，不同程度地開啟閥門并啟動(dòng)泵從而將回收水和其他水引入，再分配。
Pagakis說道，系統(tǒng)經(jīng)過仔細(xì)地配置，利用泵壓混合來自不同源的水，這樣就能將湖里的水、儲(chǔ)槽里的水一并流通，避免水過長時(shí)間停留在一個(gè)地方，無法得到更新。
不斷創(chuàng)新
OPTO 22系統(tǒng)現(xiàn)在能接收來自各式各樣紅外設(shè)備、運(yùn)動(dòng)探測器及裝在門框上的簧片開關(guān)的輸入信號(hào)；這些設(shè)備都是用來保證所有升降梯、升壓泵站或其他設(shè)施的正常進(jìn)門。Pagakis計(jì)劃對(duì)門禁系統(tǒng)增加視頻監(jiān)控，并對(duì)一個(gè)擬建脫鹽流程進(jìn)行深度跟蹤，預(yù)計(jì)每天能額外提供約5000加侖的飲用水。
關(guān)于Opto 22
Opto 22研發(fā)并制造可靠，靈活，易于使用的軟硬件產(chǎn)品用于工業(yè)自動(dòng)化，遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。Opto 22 產(chǎn)品使用商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，其簡便實(shí)用、技術(shù)創(chuàng)新、質(zhì)量保證、可靠耐用已在全世界范圍內(nèi)建立了極高的聲譽(yù)。我們的產(chǎn)品適用于終端用戶、原始設(shè)備制造商、IT從業(yè)人員等。公司創(chuàng)建于1974年，位于美國加州的Temecula。Opto 22產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)通過分銷商，合作伙伴或系統(tǒng)集成商銷售。
