案例研究: Carlsbad市政水处理

SCADA系统用于水输送、分配及处理

加州海滨城市Carlsbad位于圣地亚哥北面，以美丽的海滩、高消费的家庭及特有的购物中心而闻名。技术专家Tom Pagakis监督SCADA系统，用于监测、控制城市所有水和回收水。系统的关键组件是由OPTO 22生产制造的SNAP系列控制器。

“我们开始试验性地使用OPTO产品，”Pagakis解释道。“在这之前，我们使用过时的技术如遥感及后来的混合I/O模块和来自Grayhill等厂商系统，必须安装特殊的驱动以保证所有通讯正常，这样系统不仅变得非常复杂且操作性变差。”

SNAP系统—通过无线电、串口及以太连接相互通讯并反馈给控制中心，应用于整个城市水务系统的监测、控制和数据采集。Pagakis管理所有水输配、监测一个独立的水处理厂并控制氨及氯气的化学品用量。总之，系统包含了超过1000个I/O点，分布在城市的指挥和控制中心及众多远程现场。

运输和配送

水从圣地亚哥水务局购买，通过管道运输至Carlsbad，再配送到工厂、居民家中。饮用水的配送几乎无需泵送，水由重力从一个巨大的水箱（约9百万加仑）中流出，该水箱坐落在高于海拔700英尺处。

SCADA系统经配置能控制各类设备和监测水处理的整个过程。尤其是模拟量和数字量输入、输出模块的连接到：

l             液位传感器用于追踪水库及水箱液位

l             管道中压力传感器用于测量每平方英寸上的压力，并保证水的有效输送

l             流量计记录每分钟配送量

l             不同程度开启或闭合持压阀、泄压阀等阀门来调节水的流量

“现在，SCADA系统涵盖了3个大保留水库、14座水库及20座用于监测长度超过500英里配送管线的减压站。”Pagakis说道。

值得注意的是，所有这些监控和数据采集功能不是由一个（甚至多个）中心控制器完成的，而是由3个分布在各泵站及设施内各点的本地I/O处理器（或叫做“智能处理器”）来执行。这些处理器和安装在同一机架上的I/O通讯，功能类似高端PLC。比如，智能处理器从模拟输入模块中读取阀门信息并通过比例运算将电压转化为百分比。（一般对一个4~20mA的模拟输入模块，12伏特相对应的读数是50%）比例运算和工程单位转换都在I/O层实现，这样既缓解了主控制器的处理压力，也方便Pagakis和同事们浏览和理解测量单位（比如，百分比反比于电压）。

为了防止发生主控制器操作中断，这里的分布式智能也提供了一定的安全保障。智能处理器能接受指令继续记录、执行运算等，操作者仍可以通过控制中心的HMI浏览数据。

Wonderware HMI

Pagakis的HMI采用Wonderware InTouch系统，它灵活地集成了OPTO 22的硬件并使得Pagakis及其他控制中心人员可以查看相关的压力、流速、液位、设备状态等操作变化和情况。Pagakis也使用Wonderware系统来生成块状图、折线图（说明液位、泵状态及阀门位置）和历史趋势等。例如，对每一个储槽生成一个24小时的趋势图，列出每天、每周、每月泵水体积。

基于一系列的I/O点，HMI配置了报警功能，并划分成“正常”或“安全”等操作状态，若I/O读数偏离了参数范围，控制中心会接收到一个可视警报。报警装置同时被集成在一个呼叫系统内，待命的操作员一收到手机信息，就可以适时处理。比如，控制中心监测下游和上游的水务配送，接收强制变化引起的报警，如消防栓的使用或损坏—这是件常事，例如最近圣地亚哥就发生的大面积火灾。

基于OPTO 22的SCADA系统也能在阀门故障或变频驱动失效时生成一个报警。“我们使用变频器在大负载下来驱动泵电机，易遭受突高电压和非正常波形。”Pagakis说道，“我们将变频器与模拟输入连接起来，这样就可以持续观察其频率和电机的转数，只要一出现问题，我们马上可以知道。

Pagakis解释道，如此严格的监控和报警源于城市协商合同中限定了获取的水量、获取时间、泵水的速度等。市政对每天回收水的季节性量有明确的规定。于是，当规定量一到，OPTO 22控制程序立刻要求关闭泵。此外，由于本地电力公司（San Diego Gas & Electric）的强制频率，泵水的最佳时间在深夜，故尽管系统被设定为监控水位，低于一定液位后自动开泵，我们还是写入了一个延迟指令以保证泵水时间在晚10：15以后至凌晨5：50。

废水回收

废水回收是将家庭及工业废水引入废水处理厂，经生物和化学处理再利用。

“附近6个城市的所有污水都进入一个独立操作的处理厂，我们从控制中心来监控它。”Pagakis说道。使用SCADA系统，Pagakis能监测处理厂的操作—尤其是升降台中的湿井液位。通过液位传感器，系统也监控回收水储槽液位并追踪净化后水的输出量及可用量。控制程序设定为当水量减少至一定程度，SCADA系统控制器发送模拟及数字输出信号，不同程度地开启阀门并启动泵从而将回收水和其他水引入，再分配。

Pagakis说道，系统经过仔细地配置，利用泵压混合来自不同源的水，这样就能将湖里的水、储槽里的水一并流通，避免水过长时间停留在一个地方，无法得到更新。

不断创新

OPTO 22系统现在能接收来自各式各样红外设备、运动探测器及装在门框上的簧片开关的输入信号；这些设备都是用来保证所有升降梯、升压泵站或其他设施的正常进门。Pagakis计划对门禁系统增加视频监控，并对一个拟建脱盐流程进行深度跟踪，预计每天能额外提供约5000加仑的饮用水。

关于Opto 22

Opto 22研发并制造可靠，灵活，易于使用的软硬件产品用于工业自动化，远程监控及数据采集应用。Opto 22 产品使用商业化标准网络及计算机技术，其简便实用、技术创新、质量保证、可靠耐用已在全世界范围内建立了极高的声誉。我们的产品适用于终端用户、原始设备制造商、IT从业人员等。公司创建于1974年，位于美国加州的Temecula。Opto 22产品在世界范围内通过分销商，合作伙伴或系统集成商销售。