南水北調(diào)過程數(shù)據(jù)采集研究與分析

盧建軍

南水北調(diào)中線信息科技有限公司，中國·北京 100038

物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫

1 引言

隨著信息化的加快和大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，數(shù)據(jù)已然成為一個(gè)企業(yè)發(fā)展的重要因素，各個(gè)企業(yè)單位都致力于開發(fā)自身的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，都希望盡快盡早地投入到大數(shù)據(jù)中，并走在行業(yè)的前列。南水北調(diào)也在致力于開發(fā)信息化產(chǎn)品，希望以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、過程控制以及設(shè)備的大數(shù)據(jù)管控等功能，而支撐這些功能的基礎(chǔ)就是數(shù)據(jù)[1]。

2 南水北調(diào)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀及需求分析

南水北調(diào)設(shè)備種類繁多，系統(tǒng)平臺(tái)較多，目前南水北調(diào)有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、閘控系統(tǒng)及其他各種小系統(tǒng)。如何將沿線所有設(shè)備及系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合到一個(gè)平臺(tái)，是擺在大數(shù)據(jù)開發(fā)前的一個(gè)問題。由于南水北調(diào)線路較長，施工時(shí)采取分段招標(biāo)方式，因此各段系統(tǒng)廠商不一致，數(shù)據(jù)通訊協(xié)議也是各種各樣。由于系統(tǒng)繁多，因此數(shù)據(jù)整合能力較弱。以閘控系統(tǒng)為例，閘控系統(tǒng)是林克森開發(fā)的一套調(diào)水控制系統(tǒng)，添加新數(shù)據(jù)時(shí)需要專業(yè)軟件人員從后臺(tái)添加，且采集數(shù)據(jù)量受限，因此數(shù)據(jù)源比較單一且數(shù)據(jù)量較少。

針對(duì)目前南水北調(diào)大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)的需求，需要對(duì)所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，提出了將現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過前置采集機(jī)采集，然后將所有數(shù)據(jù)匯總到INSQL 數(shù)據(jù)庫，利用INSQL 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，開發(fā)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)、調(diào)水ERP 系統(tǒng)等。

3 模型建立

3.1 各系統(tǒng)介紹

在整個(gè)南水北調(diào)輸水系統(tǒng)中，主要分為安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、閘控監(jiān)控系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)系統(tǒng)等。下面對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的情況進(jìn)行分析。

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是南水北調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，屬于一個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)。安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集單元首先從傳感器讀取原始數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過各管理控制層逐級(jí)將數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行傳遞。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穿插于南水北調(diào)中線干線工程各級(jí)管理機(jī)構(gòu)，沿線各現(xiàn)地閘站及建筑物，特點(diǎn)是監(jiān)測(cè)范圍大、網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域范圍廣、實(shí)時(shí)性要求不強(qiáng)。安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)大部分站點(diǎn)通過綜合業(yè)務(wù)傳輸平臺(tái)的MSTP 的SDE 光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)利用全線專用通信傳輸網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控中心、安全監(jiān)測(cè)分中心、安全監(jiān)測(cè)站、安全監(jiān)測(cè)分站及布置在現(xiàn)地閘站的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集單元間的數(shù)據(jù)通信。

閘控監(jiān)控系統(tǒng)是南水北調(diào)調(diào)水執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分。閘站監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成，分別是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)，PLC 主要采用施耐德系列和西門子系列PLC。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為四部分：總公司、分公司、管理處及監(jiān)控服務(wù)，其架構(gòu)在統(tǒng)一的監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)之上，將各類閘站的監(jiān)控和控制功能整體地發(fā)送到平臺(tái)進(jìn)行管理。主要包括每個(gè)閘站的水位、流量及開度，成為各級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。各閘站作為一整個(gè)監(jiān)控對(duì)象，根據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)的狀況，靈活部署在監(jiān)控平臺(tái)上，負(fù)責(zé)與PLC 和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)采集與處理，最后向PLC 發(fā)送控制指令。

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線工程北京段渠首處一座大型加壓泵站，是北京段實(shí)現(xiàn)管涵加壓輸水的關(guān)鍵控制性工程。泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)全站泵組等主機(jī)設(shè)備、技術(shù)供排水等輔機(jī)系統(tǒng)以及公用設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制，保證泵站安全可靠運(yùn)行。自動(dòng)化系統(tǒng)主要設(shè)備包括1～8#泵組LCU、變電站LCU、公用LCU、技術(shù)供水PLC 控制柜、滲漏排水PLC 控制柜等設(shè)備，PLC 采用施耐德67160 系統(tǒng)冗余PLC，通訊模塊采用NOE 以太網(wǎng)通訊模塊。

動(dòng)環(huán)系統(tǒng)主要監(jiān)控南水北調(diào)中線沿線閘站及各管理處UPS 電池組電壓、UPS 輸入輸出電壓電流、室內(nèi)溫濕度、空調(diào)機(jī)組回風(fēng)溫度、壓縮機(jī)工作狀態(tài)、風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)、各類報(bào)警信息等參數(shù)，各類參數(shù)以智能接口方式接入動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)，并可以遠(yuǎn)程集中開關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)溫度設(shè)置、輪換運(yùn)行、故障時(shí)備機(jī)自動(dòng)投入等功能。

電力系統(tǒng)是南水北調(diào)供電系統(tǒng)核心設(shè)備，沿線供電線路采取自有桿塔架設(shè)線路，線路采用35KV 供電線路，采取以中心開關(guān)站為中心，沿渠道上下游輻射形式供電，采用π 接方式接入各個(gè)站所。供電系統(tǒng)設(shè)備主要采用開關(guān)柜，干式變壓器，進(jìn)出線柜，監(jiān)控軟件采用ESD3000 上位軟件，監(jiān)控軟件通過通信管理機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息。

3.2 DASERVER 軟件介紹

DAServer 是建立在 ArchestrA 技術(shù)基礎(chǔ)上的新一代服務(wù)器組件，它符合OPC 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足工業(yè)生產(chǎn)中通訊的需求，提供更強(qiáng)的通訊診斷功能與更高的性能，是構(gòu)建無縫系統(tǒng)的重要組成部分。通過配置DAServer 采集軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基于TCP/IP 協(xié)議、MODBUS 協(xié)議、TCP/IP-MODBUS 協(xié)議設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，且配置方便，通訊可靠性高。

3.3 數(shù)據(jù)采集解決方案

通過對(duì)南水北調(diào)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，現(xiàn)有系統(tǒng)種類繁多，通訊協(xié)議各異，嚴(yán)重制約了數(shù)據(jù)的整合。鑒于此局限性，提出采用基于DASERVER 數(shù)據(jù)采集機(jī)的InSQL 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)／歷史數(shù)據(jù)庫采集的速度快，數(shù)據(jù)量大，精度要求高，并且?guī)в袝r(shí)標(biāo)，便于分析和生成報(bào)表，因此十分適合目前南水北調(diào)的數(shù)據(jù)采集和分析，而常規(guī)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫則在這些方面都相距甚遠(yuǎn)[2]。

采用InSQL 數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)壓縮、實(shí)時(shí)查詢、事件系統(tǒng)、內(nèi)嵌MS SQL SERVER、支持冗余等。網(wǎng)路結(jié)構(gòu)如下圖所示。

使用InSQL 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，需要在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)采集機(jī)，初步設(shè)定為每個(gè)管理處一臺(tái)數(shù)據(jù)采集機(jī)，通過DASERVER 與現(xiàn)場(chǎng)的PLC 系統(tǒng)、動(dòng)環(huán)系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通訊協(xié)議主要是TCP/IP、TCP/IP-MODBUS、MODBUS 等[3]，由于南水北調(diào)中線業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)和動(dòng)環(huán)系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)是相互獨(dú)立的，且考慮到各系統(tǒng)采用冗余系統(tǒng)，所以采集機(jī)需要具備三網(wǎng)卡功能，兩塊網(wǎng)卡完成數(shù)據(jù)采集（冗余配置），一塊網(wǎng)卡通過業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nSQL 數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)語

通過對(duì)南水北調(diào)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的分析，提出基于DASERVER 前置采集機(jī)通過InSQL 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的方式完成對(duì)過程數(shù)據(jù)的跟蹤和采集，完成各系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)的整合，確保了數(shù)據(jù)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，為設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行過程分析、故障處理、數(shù)據(jù)溯源提供了可靠數(shù)據(jù)保證，為進(jìn)一步發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了一體化平臺(tái)。但是對(duì)于一些高頻的數(shù)據(jù)項(xiàng)InSQL 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還達(dá)不到要求。