基于KingWater全組態(tài)平臺在供水智能調度系統(tǒng)的開發(fā)與應用

陳善超，王全林

（北京亞控科技發(fā)展有限公司，北京 100086）

根據(jù)水務集團的供水智能調度需求，結合通用組態(tài)軟件，研發(fā)智能調度控制算法組件和供水調度系統(tǒng)，實現(xiàn)供水智能調度，包括：渾水調度，管網壓力控制目標動態(tài)設定，管網壓力自動控制和泵組運行策略調整。智能控制算法用于供水調度系統(tǒng)實現(xiàn)，為調度人員日常工作提供信息監(jiān)視、信息查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析、業(yè)務處理、輔助調度、調度決策。通常供水調度系統(tǒng)的開發(fā)維護需要高級程序員參與，技術門檻高，后期維護擴展困難，熟悉水處理工藝和業(yè)務的自控工程師很難參與到智慧水務軟件系統(tǒng)開發(fā)當中。如何實現(xiàn)智能化控制，降低企業(yè)運營成本，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)運維成本，使項目快速落地，成為水務公司亟需解決的問題。通過項目的開發(fā)研究與實際應用，表明組態(tài)式平臺快速開發(fā)，實現(xiàn)供水智能調度是十分必要的。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)介紹

供水運營調度系統(tǒng)結合當前調度中心的業(yè)務需要，對原系統(tǒng)進行升級改造，將城市供水管網信息和管網實時監(jiān)測數(shù)據(jù)集成在一起，建立生產數(shù)據(jù)中心和綜合展示平臺。設計供水優(yōu)化調度系統(tǒng)，實現(xiàn)具有先進性、科學性、信息化的供水調度運行和管理模式，從而提升供水調度綜合能力，確保供水系統(tǒng)安全、經濟、合理地運行[1]。

1.2 系統(tǒng)現(xiàn)狀

根據(jù)某水務集團的供水智能調度需求，研究其系統(tǒng)與數(shù)據(jù)現(xiàn)狀。原系統(tǒng)設備較多，數(shù)據(jù)來源較復雜，其中監(jiān)測點需要對接100 多個測點的壓力、濁度、余氯、瞬時流量、正向累計、反向累計等。RSLinx OPC 和IFix OPC 采集有壓力點、報警監(jiān)測等數(shù)據(jù)。3 座水廠PLC 品牌有西門子、羅克韋爾。原調度系統(tǒng)缺乏智能調度功能，其中地圖總覽系統(tǒng)需對接水務集團原ArcGIS 地圖，監(jiān)控整個市區(qū)供水管網。

1.3 功能性需求

完成水務集團對下屬3 座水廠、3 座取水泵站及100多個管網測壓點的數(shù)據(jù)采集并研發(fā)智能調度控制算法組件和供水調度系統(tǒng)，實現(xiàn)供水智能調度。其主體實現(xiàn)以下功能模塊，見表1。

表1 功能模塊Table 1 Functional modules

1.4 非功能性需求

1）可靠性與穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)盡量不出現(xiàn)閃退、崩潰無響應等情況。

2）較高的交互性。根據(jù)用戶習慣進行開發(fā)，保證軟件的易用性，增加用戶交互[2]。

3）隨需而變。系統(tǒng)平臺支持拖拉拽式組態(tài)開發(fā)，維護工程師能夠根據(jù)業(yè)務需求的變化通過低代碼方式快速實現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能的變更。

1.5 系統(tǒng)難點及設計方案

針對系統(tǒng)現(xiàn)狀，本項目的重點難點如下：

1）數(shù)據(jù)來源眾多，數(shù)據(jù)來源復雜且有些系統(tǒng)和設備比較老舊，部分數(shù)據(jù)采集較為困難。

2）現(xiàn)有系統(tǒng)無智能調度功能，缺乏智能控制供水調度能力；在城市的供水設備中，有一定的差異性，目標眾多，需要注意的方面也很多[3]。

3）系統(tǒng)部分數(shù)據(jù)監(jiān)控功能需要優(yōu)化。

針對以上重點難點問題，本方案有如下措施：

a）針對數(shù)據(jù)來源繁雜問題，采用亞控公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集產品KingIOServer，支持多種類型設備驅動、OPC 等，具有采集穩(wěn)定時延小等優(yōu)點，可統(tǒng)一采集儲存至數(shù)據(jù)庫。然后，采用KingHistorian 工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫，將分散的海量過程數(shù)據(jù)采集并存儲下來，不僅解決了關系數(shù)據(jù)庫應用難題，還為企業(yè)將“數(shù)據(jù)轉化為信息”提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)支持平臺[4]。

b）針對智能供水調度優(yōu)化等問題，采用KingWater 智慧水務開發(fā)平臺。平臺含計算組件，支持多種計算模式，滿足不同業(yè)務場景下不同數(shù)據(jù)類型的分析處理需求；同時支持JavaScript、Python、C++普通依賴擴展包等多種編程語言算法的接口擴展，方便調用各種成熟的算法庫。優(yōu)化方式上，在進行城市供水調度優(yōu)化的時候，對供水能力、水力平衡和用戶的水壓條件等形成一定約束的情況[5]，系統(tǒng)融合調度經驗（數(shù)據(jù)建模）、歷史數(shù)據(jù)（特征提?。?、機器學習等算法（成熟庫文件調用），開發(fā)包括設定監(jiān)測點目標壓力、渾水量調度、出場壓力調整和機泵搭配方式的智能控制算法和應用。

c）系統(tǒng)功能優(yōu)化?；贙ingWater 開發(fā)平臺，靈活采用其客戶端組件，各種UI 控件展示，2D 流程圖；平臺支持17 種基本圖素繪制，內嵌3500 種各行業(yè)常見設備圖素，支持28 種數(shù)據(jù)動畫關聯(lián)展示，如時間段、監(jiān)測點靈活曲線查詢、曲線對比、廠網聯(lián)合監(jiān)控、排班管理、報警配合等都可以靈活組態(tài)開發(fā)。

圖1 數(shù)據(jù)流拓撲Fig.1 Data flow topology

圖2 系統(tǒng)架構圖Fig.2 System architecture diagram

圖3 地圖總覽Fig.3 Map overview

圖4 數(shù)據(jù)總覽Fig.4 Data overview

圖5 出廠壓力計算Fig.5 Calculation of factory pressure

2 建設方案

2.1 數(shù)據(jù)采集

1）水廠數(shù)據(jù)采集：系統(tǒng)使用KingIOServer 軟件，通過水廠PLC 直接采集進出水濁度、余氯、pH、溫度、水量、流量、累計流量及清水池水位、中間濾池等生產環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)。

2）供水管網數(shù)據(jù)采集：通過OPC 的方式從各供水管網監(jiān)測點監(jiān)控設備實時采集壓力、水質等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)異常報警提醒。從各供水管網流量監(jiān)測點監(jiān)控設備實時采集各區(qū)域流量數(shù)據(jù)，從和達中間數(shù)據(jù)庫接入管網監(jiān)測點數(shù)據(jù)。

3）第三方業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接：對原有調度系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行接入。

2.2 數(shù)據(jù)儲存

采用KingHistorian 工業(yè)實時歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)監(jiān)測點、水廠、泵站、管網等過程數(shù)據(jù)秒級儲存。原始生產運行歷史數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)統(tǒng)計、分析的基礎依據(jù)，同時為調度監(jiān)測軟件、報表軟件、信息發(fā)布系統(tǒng)、報警系統(tǒng)提供后臺數(shù)據(jù)支持。歷史數(shù)據(jù)可以保存長達10 年，確保數(shù)據(jù)的長時間存儲和數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)運維、管理等數(shù)據(jù)儲存到SQLServer關系型數(shù)據(jù)庫。

2.3 數(shù)據(jù)接口

標準協(xié)議：OPC UA/DA、Modbus、MQTT 等。

關系庫：Oracle、MySQL、Sqlserver、PostgreSQL、達夢數(shù)據(jù)庫等。

非關系庫：TDengine、redis、TimescaleDB、Hbase、mangoDB 等。

基于restful 接口集成開源的JavaScript 模塊和Python模塊、C++。

2.4 控制算法調用

KingSCADA 作為基礎數(shù)據(jù)服務端，采用KingWater 軟件計算組件，定時和條件觸發(fā)智能調度算法并結合Python調用庫文件或函數(shù)，計算結果傳遞給前端或KingSCADA 服務器，并在自控模式下自動給PLC 下發(fā)控制指令。

2.5 前端交互

通過KingWater 軟件與KingSCADA 監(jiān)控軟件、KingHistorain 工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫、KingIOServer 實時采集軟件完美交互構建管控一體化的供水智能調度系統(tǒng)[5]。

3 總體設計

3.1 系統(tǒng)整體架構設計

現(xiàn)場層：通過局域網和廣域網連接各原水泵站、水廠、加壓泵站、管網測點等，讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸層：現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過光纖、4G 等網絡傳輸，完成現(xiàn)場設備與集團調度中心服務端平臺網絡連接，采集并上傳數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收層：通過各種標準化的協(xié)議或雙方協(xié)定的協(xié)議接口，實現(xiàn)不同設備和終端的數(shù)據(jù)接入。

數(shù)據(jù)存儲層：建立數(shù)據(jù)中心，集中存儲、處理海量過程數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)，提供整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。

應用層：生產數(shù)據(jù)及業(yè)務數(shù)據(jù)展示，為調度和管理人員調度決策提供支持，同時和其它業(yè)務系統(tǒng)對接。

3.2 技術架構

WEB 前端表示層采用自主研發(fā)的框架，部分使用Vue架構，提供ElementUI、easyUI 組件庫，支持echart 和2D流程圖、3D 視頻展示等；支持跨平臺瀏覽，包括移動端和PC 端。

安全認證采用標準的OAuth2.0，支持單點登錄。

后臺服務采用自主研發(fā)的平臺，采用“微組件”設計，豐富的組件保證系統(tǒng)的靈活性、擴展性。

中間件層：集成測試環(huán)境，生產環(huán)境：Nginx；依賴平臺：Node，中間件：EMQX，Kafka。

運行層：支持虛擬機化服務器。

數(shù)據(jù)來源：標準協(xié)議采集、非標協(xié)議定制，常用數(shù)據(jù)庫接入（支持國產數(shù)據(jù)庫達夢），第三方系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入（ERP、WMS 等）。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 地圖總覽模塊實現(xiàn)

在地圖上標注水源、水廠、管網監(jiān)測點等地理位置和管道、閥門分布，并顯示每個站點重要數(shù)據(jù)。地圖總覽主要實現(xiàn)：

1）實現(xiàn)與第三方廠家ArcGIS 平臺的對接，保證管道、監(jiān)測點等設施的同步修改。

2）實現(xiàn)監(jiān)測點、水廠等設備實時數(shù)據(jù)監(jiān)測以及基礎數(shù)據(jù)查詢。

3）點位查詢，報警定位提示，圖標閃爍提示，多層級動態(tài)顯示。

4.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊實現(xiàn)

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)：

1）實現(xiàn)所有水廠泵狀態(tài)、頻率、啟停時間，監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，歷史曲線查詢，多個監(jiān)測點對比分析。

2）實現(xiàn)點擊泵人工下發(fā)控制指令，點擊監(jiān)測點可查詢曲線、基本信息、歷史報警等。

3）實現(xiàn)泵站、水廠、管網、主控點聯(lián)動智能控制，實際值與智能算法目標值實時監(jiān)控。

4.3 算法控制實現(xiàn)

算法控制主要實現(xiàn)：

1）支持運控人員控制算法輸入?yún)?shù)的前端修改，從而持續(xù)調整算法，優(yōu)化控制。

2）支持智能調度算法自動下發(fā)控制指令，記錄每條人工、自動指令。

3）實現(xiàn)監(jiān)測點目標壓力，渾水量計算，出廠壓力計算，機泵搭配算法的中間過程及曲線展示，便于進行優(yōu)化調試，最終達到最佳控制目標進行自動控制。

4.4 運行管理模塊實現(xiàn)

1）實現(xiàn)運行日志、班次維護、人員排班、交接班的管理記錄。

2）實現(xiàn)與生產計劃、水質報告的靈活對接。

3）支持天氣查詢，管道沖洗停水公告的記錄。

4.5 報警管理模塊實現(xiàn)

支持報警規(guī)則設定，支持用戶單點報警、多點聯(lián)動報警關聯(lián)的基礎配置；實現(xiàn)多點聯(lián)動報警不同等級報警的區(qū)分，實時報警自動彈窗展示，與水廠智能控制指令進行智能聯(lián)動報警，減少誤報警；支持報警歷史記錄查看。

4.6 系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)

實現(xiàn)用戶管理，用戶權限配置管理，可自由配置單個頁面權限。

實現(xiàn)變量管理，對變量進行增刪改查，相關頁面的變量會進行修改。

5 關鍵技術

5.1 數(shù)據(jù)采集

選用KingIOServer 軟件有效解決了多源數(shù)據(jù)采集困難的問題，實現(xiàn)的關鍵功能主要有：

變量解析：采集器可以解析變量的數(shù)據(jù)源地址信息，通過IOServer 接口訪問變量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)插入：采集器通過調用工業(yè)庫提供的API 接口將變量數(shù)據(jù)自動插入到工業(yè)庫。

變量枚舉：即變量瀏覽，通過指定具體通道、設備或者寄存器可以根據(jù)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)類型以及寄存器地址信息自動枚舉數(shù)據(jù)塊里的變量。

冗余功能：采集器支持冗余切換功能，可以指定兩個互為冗余的采集器完成對IOServer 的數(shù)據(jù)采集。

緩存處理：當采集器和服務器出現(xiàn)網絡中斷的情況時，采集器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地緩存，待網絡恢復后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鳌?/p>

壓縮處理：采集器可以配置數(shù)據(jù)壓縮方式，如變化壓縮、死區(qū)壓縮和旋轉門壓縮等。

5.2 全組態(tài)

全組態(tài)管控一體化平臺KingWater 框架主要包括基礎平臺+四大組件，四大組件包括：采集組件、數(shù)據(jù)組件、計算組件、客戶端組件。它基于微服務框架，維護簡單，擴展容易；運用容器化部署，一次開發(fā)隨處運行，運維簡單。系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)選用的全組態(tài)管控一體化平臺KingWater，可快速完成供水智能調度系統(tǒng)的開發(fā)與應用，通過工藝流程和業(yè)務流程的可組態(tài)，簡單、方便地實現(xiàn)生產過程透明化，生產管控實時性及產品與設備全生命周期管理，進而提升生產設備的績效評估和產品的質量管理，最大限度提高生產運營效率，降低企業(yè)運營成本，提高企業(yè)盈利能力。

6 結語

本文論述了智能供水調度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，主要介紹了系統(tǒng)需求、建設方案、軟件模塊設計與重要模塊的實現(xiàn)方法與呈現(xiàn)效果等內容。開發(fā)完成的系統(tǒng)確保了安全供水，供水管網壓力更優(yōu)，使設備優(yōu)化運行節(jié)約電耗，降低用電成本并保障了設備運行安全，同時解放人力，節(jié)約人工成本。

智能供水調度系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)基于亞控KingWater平臺架構建立，基于開放的理念，符合國際主流標準的技術規(guī)范。平臺解決了信息化過程中的信息孤島問題，達到各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享、流程自動化，規(guī)范系統(tǒng)接口標準。系統(tǒng)融合行業(yè)模型，實現(xiàn)模塊化開發(fā)，真正做到隨需而變，并大大提高系統(tǒng)質量。