力控科技

管控一体化解决之道

水质自动监测系统解决方案

1 方案概述

近年来随着各地工业、农业的大规模发展,各地的水环境污染事件频频发生。其中生产企业产生的废水不经处理直接排放、大量垃圾造成的饮用水源污染、地下水污染等现象屡禁不止,这些都严重影响了人们的健康生活和社会稳定。 

为了改善水环境,环境保护部 、国家发展和改革委员会、财政部和水利部 联合发布了《重点流域水污染防治“十二五”规划》。要想实现《规划》中设定的防治目标,必然需要有先进的水质在线自动监测体系才能满足人民群众对水质安全健康越来越迫切的关注和需求。 

水质在线监测联网系统能做到24小时不间断、连续监测和远程监控,达到及时掌握水质状况,预警预报重大水质污染事故,以便使水厂在发生重大水污染时掌控水源水质状况,做到防范、解决突发水污染事故的目的。同时还可以在发生水源水质污染时及时通报政府有关部门,启动相应应急预案,确保城市供水安全。 

2 系统建设难点

1) 大部分地表水、地下水流域环境复杂,很多排污方式相当隐蔽,导致污染现象不容易被发现。 

2) 水质监测点分布不均,覆盖面也不够广泛。农村水质监测点数量与自动化水平明显落后于城市,部分监测点还是人工监控,浪费了大量人力同时也无法保证实时快捷。 

3) 部分水质监测站还处于独立运行状况,无法将实时水质数据上传至集控中心,不利于统一调度与管理。 

4) 一些环保中心调度平台缺少报警智能通知平台,无法对污染报警做出及时的反应和处理。 

3 系统架构

系统有水质监测子站和信息管理中心两部分构成。监测子站内部包括采水部分、分析仪表、和计算机控制系统部分。信息管理中心主要是以数据处理分析为主。水质监测子站采用力控嵌入式HMI结合现场PLC与自动监测仪器实现了设备状态监控、污染因子监测、设备反向控制、系统报警等功能,并通过GPRS/CDMA网络向信息管理中心提供现场实时数据信息;信息管理中心由力控企业级实时历史数据库pSpace负责汇总、处理、分析来自所有水质监测站的实时数据,并将分析处理后的有价值的信息提供给环保管理部门。

3.1 水质监测子站

水质监测子站的水样经过采水系统通过泵、阀、管路进入到相关的仪器、仪表进行水质的自动分析与检测,检测后的数据信息通过RS485总线或GPRS/CDMA网络传送到水质监测站的监控系统—力控嵌入式HMI。力控嵌入式HMI对采集的数据进行简单的分析处理,并根据分析的数据结果对现场的仪器、仪表泵、阀状态、室内温度、烟雾传感、进行控制进而完成水质的取样、监测。现场实时水质的物理、化学、生物的变量参数通过无线GPRS网络与水质信息管理中心建立通讯,实现实时数据的共享

3.2 信息管理中心

信息管理中心汇总来自个水质监测站的实时数据,并向环保管理部门提供安全、科学的现场数据

4 系统功能

4.1 水质在线监测

环保局通过监控中心实时监控屏能随时了解掌握各监测站水质在线监测系统运行实况,可直观了解掌握水质在线监测系统各个监测点的运行实况,正常、报警、离线的监测点在图中以不同图例表示,简洁直观。数据实时显示实现对河流水质监测数据(氨氮、CODBODSSCu2+等)的实时显示,采用动态折线图或实时数据的形式展示,可以对监测参数进行选择,在系统空间监测相应点位上显示当前的监测数据,同时,系统根据用户设定相应得河流水质标准,将所获的水质监测数据与该环境质量标准进行比对,进行超标实时显示。 

4.2 远程控制

可远程控制监测站点各仪器设备。系统支持的远程控制命令有COD仪、氨氮仪、总磷仪等分析仪器的远程清洗、测量、校准,手动采样,系统清洗,流量计清零等操作。 

4.3 GIS信息系统集成

空间定位利用GIS的管理空间数据的功能,将分布在不同监测点或采样点在系统上进行空间显示定位。 

4.4 历史数据查询

提供针对历史数据的统计分析功能,支持将查询结果导出为EXCELPDFRTF等格式的文件。统计分析实现对监测数据的历史数据(日统计、月统计、年统计)进行统计分析。统计出该断面最大值、最小值、平均值,以图表和表格的形式展示。


4.5 数据统计分析

根据该监测河流的所有断面监测数据,对该河流进行最大值、最小值、年平均值、月平均值、各类标准的污染指数、河流综合污染指数、污染分担率、污染负荷比等指标进行统计分析。也可以按照丰、谷、平水期对河流进行最大值、最小值、年平均值、月平均值、各类标准的污染指数、河流综合污染指数、污染分担率、污染负荷比等指标进行统计分析。 

以上所有分析统计数据均可以通过报表、曲线等方式实现数据查询与导入导出等操作,根据不同统计结果制作相应的环境专题图。 

4.6 智能报警及预警

可判断系统运行状态正常与否,一旦出现问题,立即启动故障处理程序,并进行报警。同时可根据各个监测站点的实时水质数据,与预先设定好的限制数据进行比较,一旦超限立即对污染事件进行定位报警,并且可以根据需要进行紧急任务的启动。及时向上级部门通报污染状况,向受污染区域发出预警,为管理部门制定解决方案提供真实可靠数据。 

5 系统产品设计

根据系统设计软件由以下产品组成:SCADA平台软件、企业级实时历史数据库、计算引擎软件、报警管理软件、关系数据库软件、计算服务器、GIS平台软件、Web服务器软件、安全防护软件及相关应用软件组成。软件系统选型采用力控ForceCon一体化集成平台,该平台产品覆盖整个工业信息化领域,通过分布式实时数据库的特点实现系统间的高效集成、级联及扩容,可为企业用户提供一个快速/高效的平台产品,满足各种工业信息化企业需求。

平台产品以“分布式实时数据库”为核心搭建力控家族“工业控制消息总线”,并支持集成面向服务(SOA)系统架构的“信息服务总线”。消息总线和服务总线提供可靠通用的信息交互机制和广域服务机制,实现整个系统间的安全高效的数据通信和应用集成。贯穿整个企业信息化业务,可以自由构建不同规模的应用,实现从底层工业现场控制(小型场站系统、嵌入式HMI)、到生产调度指挥管理(SCADA)及上层信息化管理(MES、ERP)的融合。

平台产品软件架构图如下说明:

5.1 SCADA平台软件eForceConV5.0

  本系统SCADA采用力控SCADA平台软件eForceCon V5.0,该平台是以分布式区域实时数据库为核心,分布式实时数据库技术可以保证生产数据精确输出并完成可视化,实时数据库无限的分层结构可使大型企业信息尽收眼底。力控SCADA平台组态软件具有灵活的系统应用架构,可以自由构建不同规模的应用,满足用户对企业信息化的多样性要求,用户在此基础上可以灵活的构建适合企业应用的解决方案。

eForceCon具备分布式的数据源管理模式,可视化人机交互界面无需编程,直接通过远程数据源的组态方式就能与远程数据库进行信息交互,完成生产监控、查询、曲线分析等各项功能。

SCADA平台功能特性如下说明:

-支持以分布式实时数据库为系统核心的一体化软件平台,具备开放、集成、面向对象的开发环境,系统开发人员可方便使用。

-支持客户端/服务器(C/S)和B/S(“瘦”网络客户端)架构,不同网络节点以分布式的数据源管理方式来进行信息交互。

-具备软冗余、硬冗余及双工热备冗余模式。

-具备稳定、灵活架构及扩展能力,可支持超过万点的通讯点数,灵活可靠,易于扩展客户端的添加不影响整体系统的性能,

-具有完整的报警管理能力支持ISA18.2的报警标准,可支持多级报警管理、声光等报警输出以及参数在线调整等功能。

-提供部署服务器,可管理、编辑、监控远程节点工程及平台状态。

-可提供编程语言供用户使用,支持用户自定义函数的开发。

-支持用户自定义功能和二次开发组件,可以集成第三方插件及可执行程序。

-支持大分辨率的窗口图形显示,提供基于面向对象的模板化的可视化开发工具。

-支持将C/S客户端完整发布到Web上,Web容器支持第三方插件发布。

-软件开发出的工程应具备项目文件备份功能,并且应支持工程文件口令保护。

-支持使用用户,权限,优先级,安全区的方式为用户提供安全验证。

5.2 企业级实时历史数据库pSpace6.1

本系统需要记录大量的具有时间特征的监控数据,针对数据的读取、归档、查询和分析做综合展示,本项目采用不依赖于任何关系数据库的实时历史数据库软件。企业级实时历史数据库软件运行于数据库服务器,数据库服务器可根据要求设定集群冗余(磁盘阵列),实时历史库软件支持集群冗余方式。

实时数据库系统软件实现实时采集生产过程装置数据并连续进行存储并统计,数据在存储时根据每个数据点设定的压缩比参数进行存储。该软件可对(系统项目)实现网络化的生产监视和数据分析,使(系统项目)能够实时掌握下属生产企业的安全生产状况。

力控企业级实时数据库pSpace是一个高性能、高吞吐能力、可靠性强、跨平台的实时/历史数据库系统,可以用于采集、压缩、存储、加工、分析等任何带有时间特性的生产信息,pSpace提供全系列的工业通讯接口及ERP业务接口,实现生产监控到调度管理的完美整合。能极大地提高企业的智能化及决策的精度和速度。

     多平台的支持能力可运行于Windows以及RedHat、Ubuntu、CentOS等多种Linux操作系统。

企业级实时历史数据库pSpace产品特性与指标

支持在线连续存储,并达到30万条记录/秒的存储速度。

企业级实时历史数据库单台服务器应可以支持100万点的数据点。

数据压缩率可高达40:150:1);

数据库单客户端单点查询速度20万条记录/秒。

实时历史数据库1000个客户端并发查询,每秒应可达2万条记录。

实时库应稳定支持256客户端并发查询。

5.3工业报警管理平台FAlarm

力控工业智能报警平台FAlarm可适用于多层监控系统的报警集中管理,采集模块负责报警的采集可支持各类SCADA、DCS、关系数据库等报警数据的接入,支持基于标准OPCAE、OPCUA的报警数据采集。中心模块负责报警的处理、存储、发布、显示等功能,提供直观的报警查询分析功能,有效的提供报警管理的改进方案,辅助企业实现自底层现场到生产调度的报警集中管理。

      ■ 报警系统设计

强大的分布式报警、事件处理,支持ISA18.2标准,可以单独设立报警服务器,独立管理报警的通知与存储。

采用树形结构的区域报警和报警组对象的组合管理方式,支持精确定位报警信息,方便查找与管理;

客户端能显示和确认来自分布式网络上任何服务器上的实时报警;

支持网络报警及操作事件的数据断线存储,并具备自动恢复功能;

支持工业现场报警“雪崩”处理,方便响应大型系统异常及紧急情况;

支持千万条级别报警记录存储,并方便网络查询;

支持报警处置与评论,并可根据业务形成报警知识库

支持高达10个条件报警判断(H5、H4、H3、HH、HI、LO、LL、L3、L4、L5);

支持的报警类型有限值报警,偏差报警,变化率报警,开关量报警。可设置十种限值报警,报警支持1-9999种优先级,报警可分0-99组,每个报警点可设置最多10个报警标签。


      ■ 报警显示与查询

可视化报警的管理组件接收发生的报警信息,可将发生报警的点,数值,报警类型等信息及时输出,主要功能包括:

     支持实现对测点、区域、类型、级别的统计查询,用户可根据查询条件设定统计规则,内置脚本函数也可实现统计查询功能。

支持自定义的报警显示扩展与调整,按照报警类别、时间、标签可方便分类,支持脚本在后台动态控制。

根据任意数据项作为索引来过滤和分类报警信息,可查询任一单元、任一时间段内、任一报警级别和类别的历史报警信息的检索。

支持查询窗口带有内置滚动条、可调大小的显示列、多项报警选择、更新的状态栏、动态显示类型以及报警优先级显示颜色。

支持根据用户需求设定,能够实现按照发生时间、报警等级的顺序自上而下显示。

支持用颜色变化、声音、闪烁区别,每一种级别的报警都可设定指定颜色界面和声音提示,报警声音可根据需要进行调节和屏蔽。


■  报警输出

报警通知支持多媒体语音、视频、文本语音转换、邮件和短信等实时方式的报警通知与输出。

支持将报警信息转储到第三方数据库系统,提供对外的报警查询接口,方便与第三方软件进行调用。


5.4 智能生产信息门户集成平台FinforWorx

系统采用力控智能生产信息门户集成平台FinforWorx搭建企业的管理平台,该平台为企业提供生产动态管理驾驶舱、实时决策调度、设备动态管理、生产预警、能源管理等生产应用来持续不断的改善生产过程,以达到改善企业生产管理的目的。

       力控智能生产信息门户集成平台完全是模块化设计,提供基础的工厂数据建模和各类丰富的分析组件,该平台可分为采集层、数据层、web服务层、web前端等,从而为企业智能制造的动态生产管理提供数据分析、诊断、展示的门户平台。针对节能降耗领域的管控中心建设可提供横向和纵向能源分析、能源诊断、能源审计、能源设备诊断等管理功能。



智能生产信息门户集成平台功能包括:
生产设备管理:包括:生产装置管理、设备台账管理、设备运行管理、设备维护管理等。

计量器具管理:包括:计量器具台账、计量器具检定管理等。

生产计划管理:包括:产品产能管理、计划排产管理等。

生产报表管理:包括:生产报表模板、生产日报、月报、季报、年报、生产完成情况统计报表等。

生产调度管理:包括:生产异常情况管理、交接班日志管理、调度日志管理等。

能源管理:包括:能源计量设备管理、能源计划、实绩、成本,及能源统计分析等。

生产过程监控,包括:生产工艺流程图、能流图等。

关键的绩效指标KPI展示、统计过程控制分析SPC等

       设备运行效率OEE管理等

5.5 生产调度计算平台Fycber

本系统需要通过实时历史数据库及计算引擎可实现系统的生产调度分析(如排程、预测等)。通过力控实时历史数据库提供的海量数据源与计算引擎的多种优化算法相结合,能够实现在线优化全厂过程自动化系统,保证全厂装置在实际生产过程中达到优化调度、节能降耗的作用。

力控计算引擎Fcyber基于node.js脚本引擎结合灵活的编程语言,实现海量数据的统计分析、关系数据库交互以及第三方用户自定义库封装调用等功能。结合力控企业级实时历史数据库pSpace、以及离线仿真平台,可实现从采集、数据处理、数据模型建立、控制策略到全厂综合自动化在线优化,进而可将企业领导者的经营决策、生产管理和调度信息落实至全厂装置的实际生产过程中,达到统计分析、优化调度、节能降耗的作用。

计算引擎功能说明:

工程管理

支持工程任务的创建、删除、修改

支持配置多任务,支持多任务的并行执行

支持工程备份、导入/导出

支持工程加密

 任务管理

支持任务的编辑、调试

支持模板功能

任务运行状态、结果监控

 脚本编辑器

支持js脚本

支持复制、粘贴、撤销

支持高亮、语法检测、提示联想

支持任务代码配置调试、运行调试

 函数

支持pSpace函数

支持各类关系数据库操作函数

支持自定义函数

支持第三方算法调用

Node.js原生支持函数

5.6 工业安全隔离网关pSafetyLink

为了防范黑客及恶意代码等对底层生产网络的攻击侵害及由此引发的生产事故,保障生产系统的安全稳定运行,需要建立生产系统安全防护体系,系统安全防护工作应当坚持安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证的原则,保障底层生产系统的安全。因此在保障生产系统的可靠和安全运行上,提供两款工业级防护产品以供客户根据现场实际情况选择,一种是利用工业网络安全防护装置的双系统,单项隔离传输功能,将病毒及网络恶意行为彻底隔离在外网,做到最大限度的安全防护。另一种是使用白名单的默认禁止机制,为网络进行逻辑的边界隔离。

力控pSafetyLink是专为工业网络应用设计的防护设施,用于解决工业SCADA控制网络如何安全接入信息网络(外网)的问题。它与防火墙等网络安全设备本质不同的地方是它阻断网络的直接连接,只完成特定工业应用数据的交换。由于没有了网络的连接,攻击就没有了载体,如同网络的“物理隔离”。由于目前的安全技术,无论防火墙、UTM等防护系统都不能保证攻击的一定阻断,入侵检测等监控系统也不能保证入侵行为完全捕获,所以最安全的方式就是物理的分开。

■    最高级别安全设备

安全隔离网关是目前最高级别的安全防护设备,用于进行特别重要的区域安全隔离,我们的设备采用硬件加软件的多重技术保障区域间的物理隔离。

■   测点级访问控制

安全隔离网关支持测点级的访问控制,可以根据具体到点的读、写、可见、不可见、进行控制,杜绝误操作、提高了数据和控制的管理粒度。

  安全隔离技术

截断TCP连接的方法,彻底割断穿透性的TCP连接,内部采用高位加密技术进行传输数据的保护。

 内核安全技术

基于Linux裁剪优化后的嵌入式内核,裁剪其它所有无关的网络服务、系统功能,屏蔽了无关端口,进一步提高了系统安全性和抗攻击能力。

自检测自恢复

安全隔离网闸内嵌的高性能工业通信软件提供完善的系统在线自诊断、故障自动恢复、“看门狗(软件名称)”管理等系统功能。

 可靠身份认证

自带专用配置工具,专用配置工具具有身份权限的签名认证识别和构建高位加密的管理传输通道,保障了设备的自身登录安全性。

 高可靠硬件设计

      在PCB电路板的设计中,加有线性稳压及滤波装置,并严格按照 EDA 对高频电路设计的要求,设计了单独的电源层与地层,进一步保证了整个板上电源的稳定性。硬件模块都采用电子式长寿命设计,设计遵循分布均匀、布局合理的原则,风扇处增加了防护罩,而且紧靠散热源,起过滤作用,避免灰尘和湿气;通过增加专用转接板,起到了更好的加固和抗震作用;

6 系统软件清单

7 方案总结

力控水质自动监测系统对水质的物理、化学、生物等指标数据进行实时监控,并通过数据转发协议将信息实时反馈到水利部水质监测中心,实现了水质的实时连续监测和检测设备的远程监控,达到及掌握主要流域重点断面水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制制度落实情况、排放达标情况等目的