Das Wasserwerk Shifo, das die seitliche Versickerung von Wasser des Gelben Flusses zur Auffüllung seiner Grundwasserressourcen nutzt, erstreckt sich über zehn Kilometer entlang der Flussaue. Um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kontinuität der Wasserversorgung zu gewährleisten und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Wasseraufbereitungsprozesses sowie der funktionalen Anforderungen des Steuerungssystems, wird ein SCADA-System auf Basis einer Rockwell Automation SPS eingesetzt. 1. Funktionen und Anforderungen des Steuerungssystems 1) Zuverlässigkeit und Sicherheit: Da jeder Brunnen als Rohwasserquelle für das Wasserwerk dient, beeinflussen die Sicherheit und Stabilität des Steuerungssystems direkt die normale Wasserversorgung der Stadt. Daher muss die Zuverlässigkeit aller Systemkomponenten, einschließlich Kommunikationsausrüstung, Hauptinstrumente, Steuerungstechnik und Programmprogrammierung, verbessert werden. 2) Fernüberwachungsfunktion: Aufgrund der weitläufigen Verteilung der Brunnen sind diese unbeaufsichtigt. Um den Arbeitsaufwand zu reduzieren, können die Bediener das System drahtlos von der Leitstelle des Werks aus bedarfsgerecht fernsteuern und gleichzeitig die Betriebsparameter jedes Tiefbrunnens überwachen. Dadurch wird eine zentrale Überwachung ermöglicht. 3) Wartungsfreundlichkeit Die Systemsoftware, Anwendungssoftware und Hardware müssen über leistungsstarke Alarm- und Selbstdiagnosefunktionen verfügen, damit Techniker Systemfehler analysieren und beheben können. 4) Skalierbarkeit: Das System sollte Hardware mit bestimmten Standards und breiter Anwendbarkeit nutzen, wobei die Systemerweiterung im Vordergrund steht und eine solide Grundlage für zukünftige Systemverbindungen geschaffen wird. 5) Logische Steuerung ist die primäre Methode. Die Steuerung der Wasserpumpen der Brunnengruppe erfolgt in der Regel logisch. Logische Steuerung ist ein traditionelles Anwendungsgebiet für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), weshalb SPS in Wasserwerkssteuerungssystemen weit verbreitet sind. 6) Offenheit: Mit der Entwicklung und dem breiten Einsatz von Computer- und Netzwerktechnologien steigt der Bedarf an Prozessleitsystemen, Informationen mit Managementinformationssystemen auszutauschen und so eine integrierte Steuerung und Verwaltung zu ermöglichen. Obwohl Hersteller von Steuerungssystemen Feldcontrollermodule noch nicht vollständig offen oder universell unterstützen können, muss das übergeordnete Überwachungssystem offen sein. Beispielsweise sollte das Überwachungssystem auf Microsoft Windows NT-, 2000- oder 9X-Plattformen basieren und verschiedene Standardprotokolle wie OPC, ODBC, ActiveX und DDC unterstützen. 7) Umfangreiche Bildschirmdarstellungsfunktionen. Die Bildschirme an jedem Bedienterminal umfassen die Hauptprozessablaufdarstellung, Teilprozessablaufdarstellungen, Überwachungsbildschirme für Hoch- und Niederspannungsversorgung, Betriebsbildschirme der Anlagen, Trenddiagramme, Alarmbildschirme usw. Dies ermöglicht den Bedienern ein umfassendes Verständnis des Systembetriebs und die komfortable Fernsteuerung jeder Bohrstation. 8) Berichts- und Abfragefunktionen. Funktionen zum Abrufen historischer Daten und zum Drucken von Berichten sind erforderlich. Die vollständige Speicherung historischer Daten zu den Betriebsparametern der Bohrlochgruppe ist notwendig. Im Allgemeinen müssen die Daten alle 15 Minuten für Abfragen und zugehörige statistische Analysen gespeichert werden. Tägliche und monatliche Produktionsberichte sollten ebenfalls druckbar sein. 9) Fehlerdiagnose- und Alarmbehandlungsfunktionen. Bei bestimmten Betriebszuständen des Systems, wie z. B. Ein-/Ausschalten, Kommunikationsstatus, Pumpenbetriebsstatus, lokaler/Fernbetrieb usw., sollten Alarme umgehend ausgelöst werden, sobald sich diese Statusbits ändern. Informationen zu diesen Statusbitänderungen, wie z. B. Fehlerbezeichnung, Alarminformationen, Zeitpunkt des Fehleralarms und Zeitpunkt der Alarmbestätigung, sollten protokolliert und die Alarminformationen verwaltet werden. 2. Zusammensetzung des Steuerungssystems 2.1 Kommunikationsnetzwerk Da die Brunnengruppe aus 46 Brunnen besteht, sind diese geografisch weit verstreut, weshalb drahtlose Kommunikation eine geeignete Lösung darstellt. Das Überwachungssystem der Brunnengruppe des Wasserwerks Shifo verwendet das Datenfunkgerät T2000IIS des neuseeländischen Herstellers TAIT. Dieses robuste und langlebige Funkgerät zeichnet sich durch hohe Empfangsempfindlichkeit, starke Störfestigkeit und schnelle Datenübertragung aus. Es verfügt zudem über eine standardmäßige RS-232-Schnittstelle, die den direkten Anschluss an Computer, SPSen und andere Datenendgeräte für eine transparente Datenübertragung ermöglicht. Das System arbeitet mit einer Frequenz von 224,75 MHz im Halbduplex-Modus mit einstellbarer Sendeleistung von 5 bis 10 W. Die Schnittstellenmodule 1747-KE und DH-485/RS-232 von AB bilden die Brücke zwischen dem DH-485-Kommunikationsnetzwerk und RS-232-Geräten mithilfe des Allen-Bradley-DFI-Kommunikationsprotokolls. In Verbindung mit einem Modem innerhalb des SLC500-Frameworks dient der SLC500 als Remote Terminal Station (RTS). Das DFI-Protokoll ist ein weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll in den SPS-Systemen von AB, einschließlich verschiedener SPS-Serien und Computer mit RSLinx-Kommunikationssoftware. Die Übertragungsrate ist von 110 bps bis 19,2 kbps konfigurierbar. Mit diesem Protokoll lässt sich ein SPS-basiertes SCADA-System realisieren. Das drahtlose SCADA-System des Wasserwerks Shifo nutzt einen Punkt-zu-Punkt-Halbduplex-Master-Slave-Kommunikationsmodus. Die SPS fungiert als Masterstation und nutzt die DFI-Halbduplex-Master-Kommunikation, während die anderen SLCs als Slavestationen mit DFI-Halbduplex-Slave-Kommunikation fungieren. Die Master-SPS tauscht Daten mit den Slavestationen per Polling aus. 2.2 Hardware des Steuerungssystems: Das Überwachungssystem des Wasserwerks Shifo verwendet zwei Kommunikationsmethoden: DH+-Netzwerk und drahtlose Kommunikation. Das DH+-Netzwerk dient der Kommunikation auf der Steuerungsebene zwischen den verschiedenen SPS-Steuerungen und den Bedienerrechnern innerhalb des Werks. Das DH+-Netzwerk nutzt geschirmte Twisted-Pair-Kabel für die Kommunikation und zeichnet sich durch komfortable Verbindungen und große Reichweiten aus. Es ist ein weit verbreitetes Industrienetzwerk für die SPS-Kommunikation. Bei einer Übertragungsrate von 57,6 kBaud erreicht es ohne Repeater eine Reichweite von 3040 m und mit Repeatern von 12 km. Das DH+-Netzwerk kann bis zu 64 Steuerungen verbinden. Aktuell befinden sich vier Überwachungsstationen im Werksbereich: die Werksleitstelle, der Wasserpumpenraum, der Chlorierungsraum und der Doppelventilfilter. Jede Station verwendet eine PLC5/40-Steuerung, die hauptsächlich für die Produktionsdatenerfassung, die Echtzeitkommunikation und die Fehleralarmierung zuständig ist. Die PLC1-Steuerung in der Werksleitstelle dient als Masterstation des SCADA-Systems auch zur Steuerung und Überwachung der einzelnen Bohrstationen. Die Werksleitstelle nutzt drahtlose Kommunikation zur Fernüberwachung der Bohrlochgruppe. Sie verwendet das DFI-Master-Slave-Kommunikationsprotokoll mit SCADA-Funktionalität. Die PLC1-Steuerung ist über ihren standardmäßigen RS232-Anschluss mit dem Datenübertragungsfunk verbunden, um eine drahtlose Kommunikation mit einer Datenrate von 1200 Baud zu ermöglichen. Jeder Bohrlochpunkt verwendet eine kleine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) SLC5/02, die primär für die Erfassung von Bohrlochbetriebsdaten, die Fernsteuerung, die Echtzeitkommunikation und die Fehleralarmierung zuständig ist. 2.3 Konfiguration und Funktionen der Überwachungssoftware für das Steuerungssystem: Als Betriebssystem wird Windows NT Server 4.0 (chinesische Version) verwendet. Die Konfigurationssoftware ist RSView32 von Rockwell Automation, die Kommunikationssoftware RSLinx dient der Anbindung der Feldgeräte. Mit der Konfigurationssoftware lässt sich ein auf spezifische Anforderungen zugeschnittenes Datenerfassungs- und Überwachungssystem einfach erstellen, einschließlich Flussdiagrammen, Datentabellen, Alarmbildschirmen, Echtzeit- und Verlaufsdiagrammen sowie Steuerungsbildschirmen. Informationen aus dem Feld können bei Bedarf in Echtzeit an die Leitstelle übertragen und Steuerbefehle in Echtzeit an die Felddatenterminals gesendet werden. Dies gewährleistet einen reibungslosen Informationsfluss im gesamten Systemnetzwerk. Darüber hinaus ermöglicht VBA als integrierte Programmiersprache maximale Erweiterung und Anpassung von RSView32-Projekten. Für die Entwicklung der Managementsoftware wurde Visual Basic 6.0 verwendet. Dies umfasst im Wesentlichen die Konfiguration von Echtzeit- und historischen Datenbanken, das Einrichten und Speichern der erfassten Daten in einer Datenbank, um Abfragen historischer Daten, Kurvendarstellung und die Erstellung verschiedener Trenddiagramme sowie die Berichtserstellung und den Druck zu ermöglichen. 3. Installation und Wartung der Systemausrüstung . SPS-Anlagen sind im Systembetrieb sehr zuverlässig. Laut einschlägigen Statistiken treten in SPS-gesteuerten Systemen 95 % der Systemausfälle außerhalb der SPS und 5 % innerhalb der SPS auf. Von den internen Ausfällen der SPS treten 90 % in den E/A-Modulen auf. Daher sollte bei Installation und Wartung den Peripherieschaltungen, einschließlich Primärinstrumenten, Netzteilen, Relais und Signalleitungen, besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. 1) Stromversorgung. Eine stabile Stromversorgung ist die Grundlage für den zuverlässigen Betrieb des gesamten Systems. Netzstörungen und Frequenzschwankungen beeinträchtigen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Echtzeitsteuerung und können mitunter schwerwiegende Systemschäden verursachen. Daher sollte die Stromversorgung des SPS-Systems Trenntransformatoren, AC-Spannungsstabilisatoren oder USV-Anlagen verwenden. Eingangs- und Ausgangsstromversorgungen müssen jeweils mit Schaltern und Schutzvorrichtungen ausgestattet sein. 2) Gerätegehäuse: Da die SPS in einer rauen Umgebung arbeitet, muss sie in einem robusten, staub- und wasserdichten Gehäuse installiert werden. Die Gehäuseoberfläche muss mit einer widerstandsfähigen Beschichtung versehen sein, um Rost und Korrosion zu verhindern. 3) Blitzschutzmaßnahmen: Im SPS-Gehäuse müssen Blitzschutzvorrichtungen installiert sein, z. B. Überspannungsschutz für den AC-Eingang, die Sensorsignalleitungen und die Sensorstromversorgung. Am Antennenmast sind Blitzableiter anzubringen und ein Blitzschutznetz zu verlegen. Der Erdungswiderstand des Blitzschutznetzes sollte < 4 Ω und der Erdungswiderstand des Geräts < 10 Ω betragen. 4) Maßnahmen zur Störungsunterdrückung Die industrielle Umgebung ist rau und von zahlreichen hoch- und niederfrequenten Störungen geprägt. Diese Störungen gelangen in der Regel über Kabel, die mit Feldgeräten verbunden sind, in die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Neben Erdungsmaßnahmen sollten bei der Auslegung, Auswahl und Installation der Kabel auch Maßnahmen zur Störungsunterdrückung berücksichtigt werden. Analoge Signale sind schwach und reagieren empfindlich auf externe Störungen; daher sollten doppelt geschirmte Kabel verwendet werden. Kommunikationskabel zwischen SPSen weisen höhere Frequenzen auf; im Allgemeinen sollten die vom Hersteller bereitgestellten Kabel verwendet werden. Bei geringeren Anforderungen können geschirmte Twisted-Pair-Kabel eingesetzt werden. 5) Anforderungen an die Systemerdung. Die Anforderungen an die Systemerdung von SPSen sind relativ streng. Optimal ist ein unabhängiges, dediziertes Erdungssystem, und auch andere mit der SPS verbundene Geräte sollten zuverlässig geerdet sein. Die Verbindung mehrerer Erdungspunkte kann jedoch unerwartete Ströme erzeugen, die zu Logikfehlern oder Schäden an der Schaltung führen können.