多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集及自動控制在夏港泵站的研究與應(yīng)用

許建平 陳伯進(jìn) 董阿忠 朱亞萍 吳建剛

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210017；2.江陰市白屈港水利樞紐工程管理處，江蘇江陰 214400）

1.工程概述

夏港泵站位于江陰市夏港鎮(zhèn)，新夏港河與長江交匯處。泵站采用肘型進(jìn)水流道，設(shè)計排水流量45m3/s。安裝斜軸泵三臺，配套同步電機，電機與水泵通過減速齒輪相連，總裝機容量2400kW，設(shè)有35kV變電所一座。泵站采用閘站結(jié)合布置，節(jié)制閘為單孔，凈寬10m，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)平板鋼閘門，液壓啟閉機控制。

2.建設(shè)內(nèi)容

數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)主要由下列硬件組成：監(jiān)控工作站、服務(wù)器、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機、液壓閘門現(xiàn)地控制裝置、水泵機組保護(hù)裝置、勵磁現(xiàn)地控制裝置、集中控制現(xiàn)地裝置、各類傳感器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

圖1 夏港數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

建設(shè)的內(nèi)容有：

（1）數(shù)據(jù)采集。1）集成江陰水文站采集系統(tǒng)的長江側(cè)、內(nèi)河側(cè)水位數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)的需求；2）完成3扇液壓閘門、3臺勵磁裝置、5套保護(hù)裝置、主變壓器和主水泵機組溫度、管道壓力等數(shù)據(jù)量和狀態(tài)量采集。

（2）新建現(xiàn)地控制單元。新建現(xiàn)地控制單元4套，包含液壓閘門現(xiàn)地控制單元、主水泵機組現(xiàn)地控制單元、勵磁現(xiàn)地控制單元、輔機集中控制單元。各單元包含：PLC系統(tǒng)、液晶觸摸屏以及傳感器等，實現(xiàn)現(xiàn)地操作控制功能。PLC配置電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)通信模塊、串口通信模塊、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量模塊和溫度量模塊。

（3）控制中心設(shè)備。1）構(gòu)建覆蓋數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)的千兆工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，滿足系統(tǒng)信息交換需求。2）建設(shè)計算機監(jiān)控和服務(wù)器存儲系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)信息存儲使用。

（4）視頻監(jiān)視。建設(shè)1套高清數(shù)字視頻監(jiān)視設(shè)備，滿足實現(xiàn)泵站“無人值班，少人值守”工作目標(biāo)的需求。

3.泵站多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集

多源（Multi-Source），即多個數(shù)據(jù)源[1]。異構(gòu)（Heterogeneous）是指數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致[2]。泵站數(shù)據(jù)包括多種類型的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。根據(jù)夏港泵站數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，該泵站需通過上位機或現(xiàn)地單元對這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成采集與處理，從而屏蔽數(shù)據(jù)之間物理和邏輯層面的差異，實現(xiàn)統(tǒng)一的表示、存儲和管理。通常數(shù)據(jù)集成采用ETL方法，包括數(shù)據(jù)抽取（Extract）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（Transform）、數(shù)據(jù)加載（Load）[3]。集成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，使之與自動化控制系統(tǒng)成為相互關(guān)聯(lián)的有機整體，解決數(shù)據(jù)的來源廣泛、結(jié)構(gòu)異構(gòu)問題，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)分類

3.1.1 泵站多源結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

泵站多源結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)按采集方式一般可以分為模擬量、串行通訊、以太網(wǎng)通訊。

（1）模擬量。采集處理集水井水位、主變壓器和站變溫度以及3臺主水泵機組齒輪箱溫度、減速箱溫度，循環(huán)泵進(jìn)出水溫度，供水母管道壓力。

（2）串行數(shù)據(jù)。以串行接口通訊方式采集的數(shù)據(jù)有：1）采集深井泵、循環(huán)泵的智能儀表的工作電流電壓等數(shù)據(jù)。2）采集主水泵機組勵磁裝置的勵磁電壓、勵磁電流及運行狀態(tài)等。

（3）以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)有：1）液壓閘門開度、油泵和閘門運行狀態(tài)等。2）主水泵機組的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率，保護(hù)裝置運行狀態(tài)等。主變壓器和母線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率以及保護(hù)裝置運行狀態(tài)等。

3.1.2 半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集

江陰市智慧水利平臺已通過水文遙測系統(tǒng)采集了夏港泵站長江側(cè)和內(nèi)河側(cè)水位數(shù)據(jù)，為了節(jié)省項目投資，經(jīng)協(xié)商以數(shù)據(jù)交換共享給本項目系統(tǒng)，不再重復(fù)建設(shè)，設(shè)計通過XML數(shù)據(jù)格式共享交換長江側(cè)和內(nèi)河側(cè)水位。

3.1.3 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集

視頻圖像屬于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。夏港泵站在上下游、主廠房等重要部位配置了活動攝像機和固定攝像機圖像，采集視頻信息滿足對泵站及周圍的現(xiàn)場情況進(jìn)行監(jiān)視和管理。

3.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 PLC模擬量采集處理

選擇12位PLC模擬量采樣模塊，設(shè)置不同的采集源，如采集集水井水位、供水管道壓力數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的PLC通道參數(shù)設(shè)置為4mA～20mA電流傳感器，采集溫度設(shè)置為PT100傳感器。經(jīng)過數(shù)字濾波及轉(zhuǎn)換處理后，得到數(shù)據(jù)值。

為了實現(xiàn)便捷的數(shù)據(jù)采集功能，采用面向?qū)ο蟮睦砟?，把?shù)據(jù)采集封裝成功能模塊。以管道壓力為例，輸入變量：計數(shù)器(i_Current)、參量(i_Parameter)；輸出變量：管道壓力(Pressure)，處理數(shù)據(jù)程序在功能模塊內(nèi)，見圖2所示。主程序只需要調(diào)用功能模塊，改變輸入輸出參數(shù)即可，大大減輕編程工作量，程序可讀性強。

圖2 封裝功能模塊圖

3.2.2 串行通訊處理

串行通訊既可采用Modbus RTU方式較多，也可采用自由通訊協(xié)議方式。Modbus通訊協(xié)議是施耐德公司為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表，是工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)方案設(shè)計PLC作主站，各智能儀表作從站。

例如：PLC發(fā)送讀取地址為11的智能儀表數(shù)據(jù)命令：

[設(shè)備地址] [命令號03] [起始寄存器地址高8位][低8位] [讀取的寄存器數(shù)高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

[0B][03][00][6B][00][03][CRC高][CRC低]

智能儀表響應(yīng)：

[設(shè)備地址] [命令號03] [返回的字節(jié)個數(shù)][數(shù)據(jù)1高][數(shù)據(jù)1低]…[數(shù)據(jù)3高] [數(shù)據(jù)3低][CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

[0B][03][06][0F][75][0F][34][0F][A1] [54][73]

3.2.3 TCP/IP方式數(shù)據(jù)處理

SCADA系統(tǒng)通過以太網(wǎng)絡(luò)，采用MODBUS TCP方式對現(xiàn)地控制單元PLC的數(shù)據(jù)采集與處理。監(jiān)控計算機和PLC以服務(wù)器/客戶端的形式進(jìn)行信息交換與傳輸。圖3是基于MBE驅(qū)動的通訊配置結(jié)果。

圖3 以太網(wǎng)通訊配置圖

圖4 XML數(shù)據(jù)交換格式圖

3.2.4 繼電保護(hù)通訊

夏港智能化繼電保護(hù)裝置完成對變壓器、電動機組等一次設(shè)備的保護(hù)。本系統(tǒng)建立基于統(tǒng)一的IEC61850通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和操作交互。IEC61850是新一代的變電站自動化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)[4]，采用IEC61850國際標(biāo)準(zhǔn)可以極大提高泵站自動化安全穩(wěn)定運行水平，具有實用性、規(guī)范性、靈活性和易擴展性的特點。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)主要有：事件狀態(tài)上送、日志歷史記錄上送、快速事件傳送、采樣數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)讀取、保護(hù)故障報告、時間同步、文件傳輸?shù)取?/p>

3.2.5 基于XML數(shù)據(jù)交換

XML數(shù)據(jù)交換技術(shù)具有查詢實時、配置靈活等優(yōu)點，是WEB上的主要交換格式之一[5]。夏港泵站數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)需要獲取長江側(cè)水位、內(nèi)河側(cè)水位、監(jiān)測時間等實時數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)來源于水文遙測系統(tǒng)，出于保護(hù)兩個系統(tǒng)安全需要，制定基于XML格式的數(shù)據(jù)共享交換文檔，見圖4。

3.2.6 視頻圖像挖掘

對視頻圖像進(jìn)行采集、清洗、挖掘，提取出有效的、有價值的數(shù)據(jù)。例如進(jìn)水口攝像機自動捕獲、報警水面垃圾情況。本項目基于水面顏色、空間變化等特點，主要采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法提取圖像特征，被計算機深度學(xué)習(xí)用于分類和識別。

4.泵站自動化控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動化系統(tǒng)為分層分布開放式結(jié)構(gòu)，采用星形光纖快速以太網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)，分為三級，即遠(yuǎn)控級、主控級和現(xiàn)地級。控制權(quán)分“遠(yuǎn)方、控制室、現(xiàn)地”三級，可以進(jìn)行無擾動切換。系統(tǒng)的控制權(quán)限越接近設(shè)備，控制權(quán)限越高?？刂茩?quán)順序為：現(xiàn)地、控制室與遠(yuǎn)方。遠(yuǎn)方控制經(jīng)相關(guān)授權(quán)方可進(jìn)行操作。控制系統(tǒng)中設(shè)置帶密碼的授權(quán)、核對程序。

遠(yuǎn)控級為上級管理單位，通過光纖與泵站自動化控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)信息采集與調(diào)度指令的下發(fā)，必要時實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時泵站運行參數(shù)、狀態(tài)等上傳給遠(yuǎn)控級。

主控級設(shè)于泵站控制室內(nèi)，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)地級建立通信，通過工作站的監(jiān)測監(jiān)控界面，顯示現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)與狀態(tài)，同時下發(fā)控制命令，監(jiān)督現(xiàn)地監(jiān)控單元對監(jiān)測監(jiān)控命令的執(zhí)行。

現(xiàn)地控制級是系統(tǒng)最后一級也是最優(yōu)先的一級控制，它向下接收各類傳感器與執(zhí)行機構(gòu)的輸入輸出信息，采集設(shè)備運行參數(shù)和狀態(tài)信號，向下實施對現(xiàn)場各執(zhí)行機構(gòu)的邏輯控制。

4.2 控制對象及流程

圖5 泵站開啟流程圖

夏港泵站實現(xiàn)全面自動化控制操作，開機過程不需要手動現(xiàn)場控制，實現(xiàn)一鍵式操作?？刂频膶ο笥校褐髯儔浩鞲邏洪_關(guān)、主變壓器低壓開關(guān)、深井泵、循環(huán)泵、排水泵、管道閥門、機組勵磁裝置、液壓快速閘門、主水泵機組等。

泵站開啟運行流程見圖5所示。

4.3 控制系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)登錄。主要驗證登錄該監(jiān)控系統(tǒng)人員的合法身份，并從數(shù)據(jù)庫中查詢出合法用戶的權(quán)限和密碼。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測。包括閘門監(jiān)測、水位監(jiān)測、主機減速箱溫度監(jiān)測、循環(huán)泵進(jìn)出水溫度監(jiān)測、主變壓器溫度監(jiān)測、所變壓器溫度監(jiān)測、輔機運行監(jiān)測。對這些參數(shù)量值（如溫度）可預(yù)先設(shè)定其報警范圍，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)越限時要作相應(yīng)的處理，啟動相關(guān)量分析功能，作故障原因提示，對于一些重要參數(shù)有趨勢報警功能。

（3）狀態(tài)監(jiān)測。對主設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視，包括當(dāng)前各設(shè)備的運行及停運情況，設(shè)備保護(hù)狀態(tài)情況。對實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的異常狀況在監(jiān)控畫面醒目位置顯示提示信息。當(dāng)機組發(fā)生事故造成跳閘動作等情況時，系統(tǒng)立即以中斷方式響應(yīng)并自動顯示、記錄和打印事故名稱及時間。

（4）控制與調(diào)節(jié)[6]。操作員根據(jù)泵站當(dāng)前的運行情況和控制命令，對設(shè)備進(jìn)行控制。控制的內(nèi)容包括主水泵機組的開、停機操作，輔機系統(tǒng)的開、停機操作，開關(guān)斷路器操作等。

（5）報表查詢。提供泵站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和各種工程運行統(tǒng)計報表查詢，并具有瀏覽和打印功能。

4.4 視頻系統(tǒng)功能

（1）對泵站主廠房、變配電室、河道等區(qū)域或者關(guān)鍵部位進(jìn)行實時視頻監(jiān)視。

（2）攝像機在白天及夜晚可以清晰、有效地獲取視頻圖像。

（3）活動攝像機使用自動掃描方式，即通過云臺控制攝像機上下左右來回掃描，獲取監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)的視頻圖像、顯示攝像機采集的清晰、穩(wěn)定的圖像。

（4）使用手動或自動操作，對攝像機、云臺等進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

（5）具有河道垃圾自動識別、分析、告警功能。

（6）可以以C/S和B/S模式進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視。授權(quán)用戶可遠(yuǎn)程瀏覽泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)的全部或部分視頻圖像，也可對攝像機等設(shè)備進(jìn)行控制。

5.系統(tǒng)應(yīng)用

本文研究了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)，結(jié)合夏港多源異構(gòu)數(shù)據(jù)以及自動化控制業(yè)務(wù)需求，開發(fā)了功能應(yīng)用軟件，完成了多種不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集集成，實現(xiàn)泵站機組自動化控制目標(biāo)。圖6是顯示數(shù)據(jù)交換獲取的長江側(cè)水位、內(nèi)河側(cè)水位過程線；圖7是機組運行工況報表界面；圖8是機組運行自動控制界面。

圖6 實時水位過程線界面

圖7 機組運行工況報表界面

圖8 機組運行自動控制界面

6.結(jié)語

泵站自動化控制系統(tǒng)需要涉及大量的監(jiān)測傳感器、儀器儀表等裝置，而這些設(shè)備往往來自不同的廠家，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不盡相同，甚至部署在不同網(wǎng)絡(luò)、不同平臺，運行監(jiān)測數(shù)據(jù)量大。本文針對夏港泵站多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，提出了跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺的數(shù)據(jù)采集方法，把所有監(jiān)測信息匯聚到統(tǒng)一平臺，有效提高采集數(shù)據(jù)的實時性[7]，有力支撐自動化控制系統(tǒng)。基于XML格式的數(shù)據(jù)交換方式為重要水利樞紐的水文遙測與自動化控制系統(tǒng)信息共享提供參照，解決了一個測井兩套甚至多套水位采集裝置的尷尬設(shè)計。

夏港泵站多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集及自動化控制系統(tǒng)自2019年1月投入運行以來，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，運行穩(wěn)定。泵站信息化水平的提高有效減輕了工作人員勞動強度，減少了運行值班人員，改善了工作環(huán)境[8]。系統(tǒng)建設(shè)為江陰市防汛調(diào)度、科學(xué)決策發(fā)揮了重要作用，保障了人民生命財產(chǎn)安全，創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。