关键词：给水调度 SCADA系统
MOSCAD是摩托罗拉公司开发生产的SCADA系统，近十年来，国内有数十家供水企业集成MOSCAD系统于其供水调度系统中，取得了良好效果。特别是在建设部“城市给水计算机辅助调度系统应用指南”(以下简称“指南”)颁布后，许多供水企业按照“指南”要求去开发和应用SCADA等新技术。实践证明，MOSCAD系统能满足“指南”的功能和性能要求，是一个值得推荐的解决方案。
一 城市供水系统的工艺特点
城市给水系统由取水设施、净水厂、送(配)水泵站和配水管网构成。通常是从水源地取水，由若干座净水厂进行净化处理后向配水管网供水。每座净水厂的送(配)水泵站设有数台水泵(包括调速水泵)，根据需水量进行调配。此外，某些给水区域内的地形和地势对配水压力影响较大时，需在配水管网增设增压泵站、调蓄泵站或高位水池等调压设施，以保证为用户安全可靠地低成本供水。这就决定了城市供水系统具有如下特点：调度模式多样化；地域范围广；工艺复杂，关联性强；实时性高；现场环境复杂。
二 城市供水计算机辅助调度系统的需求
一般供水系统是按城市的最大需水量进行设计和配置，但通常又工作在非满负荷状态，这种“静态”设计和“动态”运行的特点，容易造成下面的情况：在需水量大时，系统的供给能力不足，造成缺水；而在需水量少时，供给能力过剩造成浪费。特别是在输配水环节中，矛盾更加突出。城市给水计算机辅助调度系统(以下简称“调度系统”)是解决这一矛盾的有力工具，它应用现代信息技术对影响配水全过程各环节的主要设备、运行参数进行实时监测、分析，辅助给水调度人员及时掌握水源、各净水厂送水量、配水管网特征点运行状态，提出调度控制依据或实施参考方案，根据预定配水需求计划方案进行生产调度。
“调度系统”由SCADA系统和在此基础上的信息处理系统两部分组成。一般由公司主调度中心站(一级)、净水厂区域调度中心(二级，仅存在于分级调度模式中)、若干个远程站(RTU)和外围设备构成。
1. 基本功能
调度系统需要具备的基本功能包括：数据通信功能；多信道通信功能；数据管理功能；监测和报警功能；调度功能；突发事件处理功能；系统开发功能；在线调试功能和在线诊断功能。
2. 综合性能指标
调度系统的性能指标如下：根据不同需要，可选择MTBF>2000h，>4000h，或8760h(一年)；系统可用率≥99.8%；数据正确率>98%；综合误差≤1.0%；实时数据更新时间≤5min，报警响应时间≤3s，一般要求查询响应时间≤5s，指令响应时间≤3s；热备系统的切换时间≤30s，计算机画面的切换时间≤0.5s。
三 MOSCAD给水调度系统的基本原理
1. 操作控制基本原理
(1)控制目标。给水系统操作控制目标可以是单一的，也可以是多个的：对于取水工程，一般是BOD、DO指标上下限、水源的水位上下限等；对于处理工艺，是在满足水质指标的前提下，耗药、耗能最小；对于净水厂送(配)水泵站、管网二级增压(调蓄)泵站等是满足各个配水边界的结合部位(控流站)、管网末稍、在地面高程偏高或偏低处(相对水厂高程而言)、用水集中地区或用水大户附近、国家要害部门供水的干管的服务压力；对于整个给水系统，控制目标是满足服务供应及系统约束前提条件下，总费用最小。
(2)控制原理。控制机理：依据上一时段或本时段系统返回值或对下一时段不确定因素的预测值，满足控制目标及约束条件下，生成相应的决策，对系统进行控制。基本控制方式包括规则控制和反复控制。规则控制方式是直接依据前一时段系统返回的量测值或信号进行控制。它在水厂制水和配水过程中被广泛采用。
2. 数据通信的基本原理
(1)基本目标。数据通信的目标包括以下几方面：中心站与远程测站之间的数据双向通信；应付数据的突发；在一条物理链路上实现多个对话，在不打断其他对话的同时，实现站与站间的通信；具有数据转发的功能；多种信道的连接，系统能采用各种通信媒介和方式(包括超短波、扩频微波、PSDN、GPRS、光纤、局域网和公用数据网)。
(2)基本原理(如图1)。摩托罗拉公司将网络的概念引入到SCADA系统设计理念中，提供独特的网络通信协议(MDLC)能保证在极其恶劣的电磁环境中十分可靠地通信。MDLC协议被优化设计为用于SCADA系统的一种无线、有线或LAN的通信协议。保证在各种数据链路上获得可靠的和高效率的通信效果，MDLC满足ISO的七层模型的通信协议。从而优化了SCADA中的网络应用。
四 MOSCAD给水调度系统的应用特点
30多年来， MOSCAD系统在城市供水行业，也树立了其独特的优势地位。其显著的应用特点，主要包括数据通信、数据处理；系统开发和调试功能；系统维护和安全。
1. 数据通信
针对城市给水行业调度模式多样化、站点分散，范围广、实时性要求高的特点，摩托罗拉的解决方案是利用其通信技术的优势，将网络的概念引入到MOSCAD系统中来，其网络通信协议是MDLC。使得MOSCAD的数据通信具有了网络的特性。
(1)系统结构灵活
MOSCAD系统提供了MDLC网络的网关或通信处理单元，实现计算机或计算机网络与MOSCAD系统的连接。在集中调度模式中，整个系统包括两种类型网络，调度中心局域网(TCP/IP)和数据采集和传输网络(MDLC)，两种网络通过网关进行有效连接，实现整个SCADA网络的数据共享和快速方便的维护。在多级调度模式中，中心的连接可以通过路由器或通过MOSCAD网络节点实现的。
这两种模式的系统结构在国内运行的系统都得到实际的应用，如石家庄水司采用的是集中调度模式(如图2)，而广州水司、济南水司和成都水司采用的是二级调度模式的系统结构(如图3)。
(2)多种信道的连接
目前，给排水调度系统中常用的通信技术有5种，即虚拟专用网通信、超短波通信、微波扩频通信、GPRS通信和DDN专线通信。这几种通信技术各有优点，可根据情况选择一种或多种混合使用。这也就要求系统必须具有多信道的连接能力。
在MOSCAD网络中，每一个RTU都是网络中的一个节点，它具有一个单独的网络地址，对于每一个连接都具有一个连接识别标志，所有的信道连接，仅与系统中的物理层有关。系统具有多信道识别和地址识别的能力，包括无线信道(VHF、UHF、微波、集群、扩频微波等)和有线信道(RS-232C，RS-485等)。
同样这些都在具体的应用中得到很好的体现，如广州水司采用的是集群、DDN和超短波；济南水司和成都水司采用的都是超短波和虚拟专用网通信。
(3)通信方式
系统具有多种通信方式：连续扫描：扫描按照周期连续地重复进行，各被扫描站采用异样报告方式发送数据；定时扫描：根据指定扫时间间隔对所有测站进行扫描；优先扫描：根据指定一个或多个地址号进行优先扫描；要求扫描：根据指定一个或多个地址号进行要求扫描；突发传输：是MOSCAD系统中独有的一种通信方式，当测站出现非正常情况下，会主动上报数据。
(4)网络路由
MOSCAD网络层负责确定在网络中两节点间的通信路径。通信能够发生在多于一个的链路上，且信息能够经由几个节点进行传输(中继器，存储转发RTU)到目标节点。MOSCAD系统中的任何一个RTU都可以被定义成节点，完成不同链路间数据获取；同链路存储转发；通信失败处理和再获取。
体现在具体的应用上，主要是可以实现远程站(包括不同链路)之间的数据通信；系统中的任何一个RTU都可以作为存储转发站，链路冗余。这些特点在给水系统中都是非常有用的，尤其是采用无线通信时；另外，随着城市公共通信网络的扩大和完善，使用混合通信链路也势在必行，而节点的定义也可让这一愿望成为现实；在特别重要的站点，为保证数据的畅通，使用链路冗余也是必要的，网络路由功能可使无扰的链路切换成为现实。这一特点几乎所有系统都会使用。
(5)数据完整性
数据完整性是指信息在源位置与目标位置的一致性。在满足限定的条件下，调度系统一般要求数据完整率＞98％。但在使用MOSCAD的系统中可以达到100％，这在广州水司、济南水司和成都水司都已得到验证。
要保证数据的完整性，MOSCAD的系统首先也是在数据通信上取得保证。传输数据是以帧为单位打包进行，在每帧的开始和结束处加入特殊的标志位。接收者拒绝接收没有帧同步标志的数据帧；为满足通信最大吞吐能力，帧长视通信链路的质量是自动可调的。每帧都有一个序号，每个接到的帧都用一个特殊的ACK帧应答；错帧将被重发，且仅错帧被重发。每个帧都包含一个32位CRC：接收者拒绝接收没有通过CRC检测的字并要求重发。在通信中，每帧都包含测站地址，每个通道最多可有65000个不同的地址；接收者拒绝接收具有不正确地址的帧。在暂时通信故障或延迟的情况下，RTU/PLC能够将采集的数据存储一段时间；并在数据上加上时间标记，用于以后的传输，以便通信恢复时传输这些数据。
(6)数据的实时性
在供水系统中，实时数据更新时间一般应≤5min。
为提高数据的实时性，MOSCAD一方面充分提高信道的利用率，如超短波的信道利用率可达94.5％，另一方面，采用支持轮询和自报相结合的通信方式。由于网络概念的引入，使得RTU具有通道存取和碰撞控制的能力，一旦测站发生故障或状态发生变化，系统便主动在插入到当前的时隙中，及时地上报到中心站。在应用层面上，可以看作是在不终止当前通信的情况下，迅速将事件上报到中心。
在广州水司、济南水司、成都水司的系统中，报警响应时间≤3s。报警响应时间是指被监测设备发生事件报警，直到报警信息在调度中心站出现的时间。
2. 数据处理
MOSCAD在数据处理方面的特点为：对于压力等信号，当其值超过限值或变化率过大时需突发传输；易受外部因素影响的信号，采用滤波处理；历史数据的存储功能；量程、报警限值以及变化率，及滤波处理周期可以调整。
3. 系统的再开发
MOSCAD系统提供了一套“ToolBox”开发工具，在离线时，可以进行开发
