智能化泵站信息系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

張成棟

摘? 要：依托當(dāng)今自動(dòng)化、信息化技術(shù)的高速發(fā)展，市北泵站管理所利用設(shè)備更新改造為契機(jī)，通過(guò)采用中心主站集中監(jiān)控、同步構(gòu)建就地?cái)?shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得自來(lái)水輸配泵站真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人運(yùn)行的控制管理模式。文章將以松花江泵站為案例，從通訊網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程安防這五個(gè)板塊簡(jiǎn)要介紹智能化泵站信息系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、功能原理和運(yùn)行狀況，并對(duì)將來(lái)的優(yōu)化方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：智能化泵站;信息系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP273.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0103-04

Abstract： In the context of the rapid development of automation and information technology， Shibei Pumping Station Management Institute makes use of equipment renewal and transformation as an opportunity to adopt the design of centralized monitoring and synchronous construction of local data transmission and control system in the central main station. It makes the tap water transmission and distribution pumping station so as to truly realize the control and management mode of unmanned operation. Taking Songhua River pumping station as a case， this paper briefly introduces the technical architecture， function principle and operation status of intelligent pumping station information system from five parts： communication network， automatic control， vibration monitoring， data management and remote security. The optimization direction in the future is prospected.

Keywords： intelligent pumping station; information system; remote control technology

1 概述

市北泵站管理所成立于1995年7月，轄區(qū)下屬共有23座給水泵站，供水范圍主要包括上海市黃浦江以西、蘇州河以北的楊浦、虹口、普陀、靜安、寶山及嘉定部分區(qū)域，供水面積達(dá)到約580平方公里，服務(wù)人口超過(guò)1500萬(wàn)。

泵站，作為水廠和用戶之間的重要樞紐，承擔(dān)著管網(wǎng)水水壓調(diào)節(jié)、區(qū)域水量調(diào)蓄輸配的任務(wù)，遵循供水調(diào)度指令來(lái)配合水廠，起到對(duì)供水管網(wǎng)“削峰補(bǔ)谷”的作用。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，給水泵站在城市管網(wǎng)中的數(shù)量正在不斷地上升，依托當(dāng)今自動(dòng)化、信息化技術(shù)的應(yīng)用普及，通過(guò)泵站設(shè)施設(shè)備的智能化更新和改造，采取完善設(shè)備層通訊能力和搭建數(shù)據(jù)監(jiān)控信息化平臺(tái)的方式，使得改造后的泵站均能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)“設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化運(yùn)行”的管控模式。

2 智能化泵站信息系統(tǒng)

簡(jiǎn)單地說(shuō)，智能化泵站就是指，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、利用工業(yè)控制手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程泵站生產(chǎn)設(shè)施、制水設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)等多項(xiàng)運(yùn)行管理領(lǐng)域進(jìn)行集中監(jiān)控的一種方法。

基于此理念，在位于市北泵站管理所行政總部的汶水綜合樓二樓，建設(shè)集中控制室（下稱“汶水中控室”），作為智能化泵站體系的控制中心和信息樞紐，形成以“汶水中控室”為核心、數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、各種遠(yuǎn)程監(jiān)控方式為手段，通過(guò)對(duì)下屬泵站生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)、安防情況等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)汶水中控室對(duì)下屬泵站各設(shè)備層級(jí)系統(tǒng)（機(jī)泵系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控、周界報(bào)警等等）的運(yùn)行監(jiān)控和設(shè)備管理。

松花江泵站，是轄區(qū)內(nèi)一座較為典型的水庫(kù)增壓泵站，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)清水庫(kù)2座（2萬(wàn)m3/座，庫(kù)容達(dá)4萬(wàn)立方米），泵房?jī)?nèi)配置6臺(tái)低壓380V機(jī)組（四增二庫(kù)），站點(diǎn)具備出水補(bǔ)氯的加藥能力。經(jīng)常運(yùn)行方式是一增一庫(kù)，夏季高峰期為2增1庫(kù)，作為規(guī)劃里完成自動(dòng)化改造的第一批次站點(diǎn)，投入運(yùn)行至今，泵站各個(gè)生產(chǎn)層級(jí)系統(tǒng)已逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

信息技術(shù)架構(gòu)。通訊網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理以及遠(yuǎn)程安防，這五大板塊構(gòu)成了一整套的實(shí)時(shí)監(jiān)控體系，支撐起松花江泵站的信息化技術(shù)基礎(chǔ)。

通訊網(wǎng)絡(luò)。

為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定、安全，實(shí)現(xiàn)汶水中控室與松花江泵站之間的數(shù)據(jù)鏈路連接，權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，采用中國(guó)電信PTN和中國(guó)聯(lián)通MSTP雙網(wǎng)有線入戶的形式，利用了“雙網(wǎng)負(fù)載均衡、熱備冗余”的技術(shù)，構(gòu)建起數(shù)據(jù)交互的橋梁，通過(guò)配置和使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，達(dá)到實(shí)現(xiàn)故障線路自動(dòng)切換和告警的功能。

從總體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上說(shuō)，雙運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的冗余專線形式，不單可以有效消除泵站網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)吞吐能力，還能為將來(lái)大量其他的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的后期改造接入做足準(zhǔn)備（如圖1）。

自動(dòng)控制。

自控設(shè)備硬件方面，作為遠(yuǎn)程化控制技術(shù)執(zhí)行層的核心，松花江泵站就地采用的是市面上比較主流的AB-1756系列產(chǎn)品，配置RM2冗余模組，確保實(shí)現(xiàn)CPU、以太網(wǎng)模塊的熱備自切功能，使得整個(gè)泵站的數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行，達(dá)到高效、穩(wěn)定、安全的目標(biāo)。

上位SCADA軟件方面，汶水中控室和松花江泵站本地的SCADA系統(tǒng)采用Wonderware System Platform 2014 R2平臺(tái)版組態(tài)軟件來(lái)聯(lián)合開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面。采用基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)C/S分布式構(gòu)架，提供工業(yè)域服務(wù)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)集中管理服務(wù)，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)框架可簡(jiǎn)化分布式信息與自動(dòng)化應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、部署、維護(hù)和管理（如圖2）。

工藝控制邏輯方面，在設(shè)計(jì)階段就以無(wú)人值守的理念將泵站生產(chǎn)層級(jí)系統(tǒng)的控制要求從工藝的角度劃分為三大塊，分別是“機(jī)組聯(lián)動(dòng)開(kāi)停系統(tǒng)”、“水庫(kù)自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)”和“出水自動(dòng)加藥系統(tǒng)”。

機(jī)組聯(lián)動(dòng)開(kāi)停系統(tǒng)：通過(guò)真空系統(tǒng)、水泵電機(jī)、出水電動(dòng)閥門(mén)的控制配合，達(dá)到一步化機(jī)組開(kāi)停的要求，滿足調(diào)度指令執(zhí)行要求的同時(shí)，具備平衡調(diào)泵、啟動(dòng)間隔保護(hù)、低限水位強(qiáng)制停機(jī)、流量和電流參控預(yù)警等泵機(jī)保護(hù)的功能。

水庫(kù)自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)：按照設(shè)定的時(shí)間段，可自由選擇控流或控壓模式進(jìn)行進(jìn)水操作，自動(dòng)調(diào)節(jié)水庫(kù)進(jìn)水閥補(bǔ)水至設(shè)定的水庫(kù)液位。整個(gè)系統(tǒng)具備進(jìn)水條件增刪、調(diào)流閥選定、庫(kù)容調(diào)節(jié)、液位計(jì)偏差修正、進(jìn)水狀態(tài)異常告警等調(diào)校水庫(kù)進(jìn)水精度的功能。

出水自動(dòng)加藥系統(tǒng)：采取比例投加細(xì)控、余氯反饋值粗調(diào)的策略，在機(jī)組開(kāi)啟狀態(tài)下，每隔一個(gè)調(diào)節(jié)周期作投加需求判定，按預(yù)設(shè)調(diào)整倍率去自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥泵的頻率給定，最終直至水藥比達(dá)到穩(wěn)定值、當(dāng)前余氯檢測(cè)值穩(wěn)定運(yùn)行在合格指標(biāo)范圍內(nèi)。同時(shí)，還需具備泵管和加注點(diǎn)組合切換、參控調(diào)節(jié)量手動(dòng)調(diào)整、反沖洗程序定期提示介入等功能。

從泵站的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制、泵站與汶水中控室之間的通訊鏈路到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)和執(zhí)行控制的切換機(jī)制，均引入了冗余和負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)理念，配以契合泵站無(wú)人值守理念的三大工藝控制邏輯功能，大大加強(qiáng)了整個(gè)松花江泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能性、安全性與可靠性，同時(shí)也是改造后泵站體現(xiàn)智能化成果的一個(gè)重要方面。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

通過(guò)在松花江泵站的機(jī)組上加裝在線的實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)、水泵上各個(gè)點(diǎn)位的振動(dòng)變化和轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和記錄，對(duì)實(shí)時(shí)的振動(dòng)超標(biāo)可及時(shí)報(bào)警，以便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員采取相應(yīng)的措施，避免、減緩和減少重大生產(chǎn)事故的發(fā)生;通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析可有效的預(yù)測(cè)出機(jī)組可能的故障趨勢(shì)（原因、程度和部位等），為機(jī)泵設(shè)備的在線調(diào)整、停機(jī)檢修提供科學(xué)依據(jù)，最終達(dá)到對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做出評(píng)估（屬于健康、亞健康還是不健康）的功能，從而起到對(duì)于機(jī)泵故障預(yù)警預(yù)判的最終效果（如圖3）。

系統(tǒng)組成包括：前端傳感器（單機(jī)組含10個(gè)加速度（測(cè)振動(dòng)幅值）、1個(gè)光電式（測(cè)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速））、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)交互網(wǎng)關(guān)和就地監(jiān)控服務(wù)器?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)報(bào)警、顯示趨勢(shì)圖和就地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。在汶水中控室配置的泵管平臺(tái)上，也設(shè)立單獨(dú)的業(yè)務(wù)模塊，用于接收上傳的機(jī)泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)報(bào)警、趨勢(shì)形成、頻譜讀取、原因分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等組件，并能定期生成機(jī)泵狀態(tài)的結(jié)論報(bào)告。

數(shù)據(jù)管理。

在數(shù)據(jù)管理板塊，在設(shè)計(jì)時(shí)融合了各個(gè)管理專業(yè)的統(tǒng)計(jì)需求，采用了軟、硬件互備的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，為松花江泵站制訂專屬的個(gè)性化電子報(bào)表。除了能達(dá)到對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的不間斷記錄外，還能清晰表現(xiàn)松花江站點(diǎn)的電耗、藥耗等情況，從而指導(dǎo)汶水中控室當(dāng)班人員對(duì)機(jī)組進(jìn)行平衡調(diào)泵、擇優(yōu)啟停的操作指導(dǎo)。

設(shè)備架構(gòu)上，松花江泵站設(shè)數(shù)據(jù)緩存服務(wù)器1臺(tái)，安裝AOS在線運(yùn)行授權(quán)（Application Server 2014R2 Platform）、配置數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)（Device Integration Servers 2014R2），具備就地?cái)?shù)據(jù)采集與監(jiān)控功能，擔(dān)負(fù)與汶水中控室的數(shù)據(jù)交互任務(wù)，同時(shí)與泵站里的操作員站互為熱備;汶水中控室設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，安裝SQL2014、并配置冗余數(shù)據(jù)庫(kù)軟件（Historian Svr 2017 Standard， 25，000），作為Hisrorian歷史數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，再配以存儲(chǔ)交換機(jī)（Dell Brocade 300）和磁盤(pán)陣列，達(dá)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)終端的功能。

遠(yuǎn)程安防。

從泵站安全和無(wú)人運(yùn)行的角度考量，設(shè)計(jì)上遵循先進(jìn)、可靠、安全、實(shí)用、管理可控和維護(hù)簡(jiǎn)便的原則，建立遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程安防報(bào)警系統(tǒng)（包括電子圍欄報(bào)警、煙感、入侵等報(bào)警系統(tǒng)）、出入口車牌人臉識(shí)別系統(tǒng)、遠(yuǎn)程門(mén)禁控制等子系統(tǒng)。

泵站就地安防系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置在泵站中心控制室（值班室），泵站門(mén)衛(wèi)室設(shè)立分控設(shè)備用于監(jiān)視技防監(jiān)控圖像、接收實(shí)時(shí)報(bào)警信息，確保所有數(shù)據(jù)、圖像和信息在松花江泵站本地都可以查詢。依靠雙網(wǎng)的負(fù)載均衡技術(shù)，此次在松花江泵站布置的56個(gè)高清攝像點(diǎn)位、15個(gè)門(mén)禁控制點(diǎn)、21個(gè)報(bào)警點(diǎn)位，均能夠通過(guò)汶水中控室的安防平臺(tái)上做到數(shù)據(jù)接收和統(tǒng)一監(jiān)管，基本達(dá)到生產(chǎn)場(chǎng)所無(wú)死角、安全防范無(wú)盲區(qū)的效果。

這些遠(yuǎn)程安全防范系統(tǒng)組成了松花江泵站的一張無(wú)形的防護(hù)網(wǎng)，在技術(shù)層面上為這座無(wú)人運(yùn)行的泵站提供了最為穩(wěn)定、效率的技防措施。

3 智能化泵站信息系統(tǒng)的發(fā)展展望

得益于上海水務(wù)集團(tuán)和制水公司的項(xiàng)目資金和政策支持，市北泵站管理所轄區(qū)泵站的智能化改造進(jìn)程日益加快，越來(lái)越多的先進(jìn)設(shè)備和創(chuàng)新理念將予以實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。從信息化技術(shù)層面上說(shuō)，還有包括無(wú)線測(cè)溫與SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并軌、上位控制系統(tǒng)與安防平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)預(yù)警、機(jī)泵健康診斷系統(tǒng)后期的分析應(yīng)用、大數(shù)據(jù)整合分析（實(shí)時(shí)預(yù)警、報(bào)警系統(tǒng)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警的融合）等等可以繼續(xù)優(yōu)化和深入研究的方向。

隨著自控、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，相信未來(lái)智能化泵站將朝著“使用更方便、響應(yīng)更快捷，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高”的趨勢(shì)發(fā)展。通過(guò)在智能化泵站信息系統(tǒng)上建設(shè)、運(yùn)行、管理和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)的積累，同時(shí)繼續(xù)在實(shí)踐中整合優(yōu)勢(shì)資源、順應(yīng)時(shí)代潮流、吸納先進(jìn)理念、嘗試新設(shè)備新技術(shù)，能夠不斷將“無(wú)人運(yùn)行的智能化泵站”向“智慧泵站”的理念逐步推進(jìn)，使我們城市的給水泵站運(yùn)行得更加安全、效率和穩(wěn)定。

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