龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

劉延輝

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，330200，南昌）

龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

劉延輝

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，330200，南昌）

以江西省豐城市城西防洪工程龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為例，分析該系統(tǒng)在實現(xiàn)泵站的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、控制、通信等功能的過程中，如何將物聯(lián)網(wǎng)與泵站相關(guān)專業(yè)技術(shù)融合，通過運用物聯(lián)網(wǎng)全面感知信息、可靠傳遞信息、智能處理信息的特性設(shè)計，進一步提高泵站自動化管理水平等。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；綜合自動化；龍頭山泵站

隨著物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)等技術(shù)的成熟和普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)除了消費類應(yīng)用之外也廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，更好地實現(xiàn)了工業(yè)信息化融合。

江西省豐城市城西防洪工程龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)中應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、智能傳感技術(shù)等，智能設(shè)備完成了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集測量、狀態(tài)監(jiān)測、遠程控制和調(diào)節(jié)等功能，通過設(shè)計一套集以上功能于一體的、開放的智能解決方案，實現(xiàn)了龍頭山泵站自動化控制安全可靠、高效地運行。

一、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)，即IOT（Internet of Things），是通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種信息，利用互聯(lián)網(wǎng)進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、數(shù)據(jù)管理分析、監(jiān)控和管理的一種巨大的網(wǎng)絡(luò)。其功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實現(xiàn)對物體實施智能化控制與管理。

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的5個層級分別為：支撐層、感知層、傳輸層、平臺層、應(yīng)用層。具體到泵站自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)上來說主要分為3層（見圖1）：一是感知層，包括攝像頭、溫度、流量、液位傳感器、變頻器、PLC以及傳感器網(wǎng)關(guān)，主要功能是采集信息、識別物體的狀態(tài)；二是網(wǎng)絡(luò)層，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的數(shù)據(jù)和信息，具體到泵站是由各種現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺等組成，網(wǎng)絡(luò)由有線和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，現(xiàn)地數(shù)據(jù)交換量較大，對于布線方便的對象采用光纖、以太網(wǎng)等方式，對于布線難度較大、成本高、數(shù)據(jù)通信實時性和可靠性要求較低的對象采用無線物聯(lián)網(wǎng)模塊通信；三是應(yīng)用層，是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，與系統(tǒng)需求相結(jié)合以實現(xiàn)智能應(yīng)用。

二、物聯(lián)網(wǎng)在泵站綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

1.傳感器技術(shù)

在泵站綜合自動化系統(tǒng)中，分布感知的數(shù)據(jù)包括電氣量、電機軸瓦溫度、電機振動、氣壓、油壓、閘門閥門位置、水位、流量、降雨量、攝像頭、RFID標簽以及其他傳感器和輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，這些個體設(shè)備的數(shù)據(jù)和集散系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都集中到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺上，傳感器采用標準通用的設(shè)備。傳感器分布在泵站內(nèi)或者泵站周邊的范圍內(nèi)，通過無線或者光纖與各子通信網(wǎng)關(guān)進行通信。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信由有線和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。遠距離通信主要采用GPRS/ UTMS，近距離通信主要采用802.11b/ g/n或者光纖網(wǎng)絡(luò)。其中現(xiàn)地通信采用以太網(wǎng)連接，遠距離通信主要采用光纖或者無線GPRS/UTMS。這些通信方式布局方便，通信速率高，技術(shù)成熟可靠，非常適用于泵站自動化控制。

3.數(shù)據(jù)服務(wù)與智能技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合自動化系統(tǒng)由大量的傳感節(jié)點網(wǎng)構(gòu)成，在對系統(tǒng)信息的感知過程中會產(chǎn)生大量的冗余信息，把每個節(jié)點的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)絽R聚節(jié)點的方法會占用大量系統(tǒng)資源，降低信息收集的效率，影響信息采集的實時性，因此要對數(shù)據(jù)進行整合和智能處理。所謂數(shù)據(jù)整合是指將多種數(shù)據(jù)或信息進行處理，組合出高性能且符合不同用戶需求的數(shù)據(jù)，該應(yīng)用智能技術(shù)的數(shù)據(jù)服務(wù)過程建立在高效的軟件應(yīng)用基礎(chǔ)上，利用軟件對物聯(lián)網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)和信息進行存儲與快速處理，并將處理結(jié)果實時地反饋給系統(tǒng)的各種執(zhí)行節(jié)點。該服務(wù)過程實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中物體主動或被動與用戶的有效溝通，使物體具備了一定的智能性。

三、龍頭山泵站應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的泵站綜合自動化系統(tǒng)

1.龍頭山泵站基本情況

龍頭山泵站裝機4臺，單泵設(shè)計流量6.13m3/s，配套630 kW同步電動機，屬于江西省豐城市城市防洪綜合整治工程。當贛江水位低于堤內(nèi)水位時，內(nèi)澇通過排澇閘排入贛江；當贛江水位高于堤內(nèi)水位且發(fā)生內(nèi)澇時，利用水泵機組抽排內(nèi)澇水排入贛江。采用自排與提排相結(jié)合的方式，解決大堤區(qū)域內(nèi)澇問題。新建設(shè)的龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)由泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，可以實現(xiàn)實時在線監(jiān)測、遠程控制、視頻監(jiān)控、安全防范、報警聯(lián)動、遠程維護、WEB發(fā)布、自動生成報表、趨勢分析、調(diào)度指揮和控制等功能，可以達到無人值班的目標。

2.系統(tǒng)主要功能

龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)和信息的采集分析與處理、運行監(jiān)視和報警、調(diào)節(jié)與控制、遠程通信方面?；谖锫?lián)網(wǎng)設(shè)計的泵站綜合自動化系統(tǒng)通過軟件和硬件產(chǎn)品配置，能全面實現(xiàn)泵站“無人值班，少人值守”和綜合優(yōu)化調(diào)度的管理原則。數(shù)據(jù)采集分析與處理的數(shù)據(jù)包括各電氣設(shè)備電壓、電流、功率、頻率、電度等電氣量，泵站內(nèi)電機、閘門及其他輔機設(shè)備的運行狀態(tài)開關(guān)量和模擬量，泵站內(nèi)主要對象關(guān)鍵點的視頻圖像數(shù)據(jù)，泵站溫度濕度、降水量等與優(yōu)化運行相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，自動化元件以及傳感器本身的工作狀態(tài)信息等。系統(tǒng)通過對這些感知數(shù)據(jù)的存儲和分析計算得出處理結(jié)果并反饋給控制和調(diào)節(jié)等執(zhí)行節(jié)點。系統(tǒng)的執(zhí)行節(jié)點根據(jù)對數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析計算處理反饋的結(jié)果進行綜合優(yōu)化的調(diào)節(jié)與控制。

3.系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的龍頭山泵站綜合自動化系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時綜合考慮設(shè)備分布、類型、成本等因素，采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

①主控級設(shè)備包含兩臺操作員工作站（兼作主機，互為冗余熱備用）作為泵站的控制中樞，一臺遠動工作站與調(diào)度部門通信，一套短信報警服務(wù)系統(tǒng)，一臺網(wǎng)絡(luò)打印機，一臺網(wǎng)絡(luò)交換機，一套GPS衛(wèi)星時鐘，一套UPS等。

②現(xiàn)地控制級設(shè)備包含水泵機組現(xiàn)地控制單元（LCU）、全站公共設(shè)備LCU、輔機控制盤、水泵檢修閘門控制箱（移動臺車，控制箱由機械廠家配套）、出口事故檢修閘門控制箱、技術(shù)供水水泵控制箱、檢修排水水泵控制箱和濾水器控制箱、技術(shù)供水電動閥控制箱、檢修排水控制箱、清污機控制柜、風(fēng)機控制箱等。設(shè)備通過光纖或無線網(wǎng)絡(luò)與主控級設(shè)備進行通信。

③系統(tǒng)控制方式分遠方、集中、現(xiàn)地3級控制，可以進行切換。遠方控制統(tǒng)一由水務(wù)局管理調(diào)度中心操作，集中控制是在泵站中控室的操作員工作站上操作，現(xiàn)地控制指在現(xiàn)場LCU上操作。

④泵站監(jiān)控系統(tǒng)上位機通過現(xiàn)地LCU控制單元采集來自生產(chǎn)過程設(shè)備（水泵、閘門、CT、PT、配電裝置保護、直流系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、鉑電阻等）的模擬量、數(shù)字量、脈沖量、溫度等。對所采集的輸入量進行數(shù)字濾波、有效性檢查、工程值轉(zhuǎn)換、故障判斷、信號接點抖動消除、抗干擾等數(shù)據(jù)處理，從而產(chǎn)生出可供應(yīng)用的I、U、P、Q、COSφ等實時數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)庫更新。形成分布式的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)在LCU控制單元中保留本地處理的各種實時數(shù)據(jù)。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

⑤通過對實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、計算，產(chǎn)生電壓合格率、負荷率、數(shù)字輸入狀態(tài)量邏輯運算值、設(shè)備正常/異常變位次數(shù)等。

⑥軟件通過報告、圖形等形式反應(yīng)并記錄全部設(shè)備的位置狀態(tài)、變位信息，保護設(shè)備動作及復(fù)歸信息，直流站用電系統(tǒng)的信息，各測量值的實時數(shù)據(jù)，各種告警信息，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)信息。

⑦調(diào)度和遠程工作站經(jīng)過軟件后可以對泵站開停機等變門控制進行直接操作。

⑧工業(yè)電視系統(tǒng)和火災(zāi)報警系統(tǒng)可以通過遠程客戶端直接進行訪問，用戶可以通過PC或者手機實時監(jiān)視圖像及告警信息等。

四、結(jié)語

運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)泵站綜合自動化系統(tǒng)相結(jié)合能夠充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)全面、可靠、智能等優(yōu)勢，增強泵站監(jiān)測控制和信息化功能，使計算機監(jiān)控、視頻監(jiān)控、水情調(diào)度等系統(tǒng)更緊密地結(jié)合，進一步提高泵站的自動化管理水平，從而能夠達到無人值班、少人值守，節(jié)約人力資源，降低人工成本等目的?！?/p>

［1］馬愛民，胡玥明，王冠宇.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用與研究［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013（6）.

［2］楊庚，許建，陳偉，等.物聯(lián)網(wǎng)安全特征與關(guān)鍵技術(shù)［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（4）.

責(zé)任編輯安天杭

Application of Internet of Things for integrated automation system in Longtoushan Pumping Station

Liu Yanhui

Key technologies related to formation of internet of things as well as pumping station automation system are introduced.Taking Longtoushan Pumping Station as an example，introductions aremade on how to integrate internet of things with special technologies of pumping stations so as to realize datamonitoring，control and communication.It is possible of enhancing automationmanagementof pumping station through special design of internet of things in terms of comprehensive sensory information，reliable information transferand intelligent treatment.

Internet of Things；integrated automation；Longtoushan Pumping Station

TN929.5+TV

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1000-1123（2016）13-0037-03

2016-05-17

劉延輝，工程師。