一種自動化融合信息化的中小型泵閘站群遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

陳雨晴,邢述春

(鈦能科技股份有限公司,南京 211800)

0 引言

泵閘站信息化是水利信息化的綜合體現(xiàn),而中小型泵閘站的自動化水平是水利自動化和信息化水平的重要體現(xiàn)。長久以來,中小型泵閘站大都存在自動化水平偏低、帶病運(yùn)行的現(xiàn)狀,漸漸成為水資源優(yōu)化配置和聯(lián)合調(diào)度的掣肘。因此,建設(shè)一套成本低、自動化程度高、運(yùn)行安全、穩(wěn)定可靠的中小型泵閘站群遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)顯得越發(fā)重要。黨的十八大以來,全國各地按照“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針,按照“強(qiáng)水利、美生態(tài)、富百姓、建隊伍、保平安”的總體要求[1],著力補(bǔ)齊信息化短板和不足,全力推進(jìn)泵站、水閘等重要設(shè)施的自動化和信息化建設(shè)。

中小型泵閘站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是：運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理手段,融合自動化、信息化和智慧化等先進(jìn)技術(shù),建立一個覆蓋區(qū)域內(nèi)大大小小泵閘站的,以物聯(lián)感知系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信傳輸系統(tǒng)為保障、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、決策支持系統(tǒng)為核心的,能夠提高泵閘站管理水平、促進(jìn)泵閘站技術(shù)優(yōu)化和提高用水效率的[2],支持遠(yuǎn)程安全可靠控制的智慧遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),為整個區(qū)域水資源的優(yōu)化配置和合理利用提供調(diào)度運(yùn)行決策支持。

1 技術(shù)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中小型泵閘站群遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是一套自動化融合信息化的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計按照物聯(lián)網(wǎng)“云、管、邊、端”的概念,劃分為云端服務(wù)系統(tǒng)、管端通信通道及安全加密、邊設(shè)備和端設(shè)備一體化配置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由六大部分構(gòu)成：一是基于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)加密的云端服務(wù);二是基于云端服務(wù)的移動應(yīng)用;三是基于工情數(shù)據(jù)和視頻疊加的動態(tài)OSD服務(wù);四是基于邊端智能設(shè)備的邊緣計算;五是基于自學(xué)習(xí)、自動安全控制的人工智能;六是基于水位、開度、流量等工情信息的智能聯(lián)動[3]。

云端服務(wù)包括云物聯(lián)、云安全、云存儲和云計算。云物聯(lián)完成各中小型泵閘站的信息采集和數(shù)據(jù)共享;云安全通過對數(shù)據(jù)、通道、硬件進(jìn)行加密,確保信息與控制的安全;云存儲實現(xiàn)泵閘站群的海量信息存儲;云計算則是基于各泵站、水閘的全息感知,從而實現(xiàn)區(qū)域水資源聯(lián)合調(diào)度。移動應(yīng)用提供信息展示、統(tǒng)計分析和遠(yuǎn)程控制功能。邊緣計算則具備分布、實時、高效和安全的最終目標(biāo),泵機(jī)組和閘門就地分布式監(jiān)測、控制及保護(hù),實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時采集、控制的快速響應(yīng),通過就地數(shù)據(jù)計算分析和過濾實現(xiàn)系統(tǒng)的高效,此外原始數(shù)據(jù)就地存儲、控制等執(zhí)行本地化,提高了數(shù)據(jù)和操作的安全性。人工智能體現(xiàn)在系統(tǒng)可根據(jù)不同的執(zhí)行結(jié)構(gòu)自動識別啟停過程的智能啟停;可根據(jù)運(yùn)行工況智能識別異常并執(zhí)行應(yīng)對策略的智能運(yùn)行;定制化電氣、機(jī)械保護(hù)的智能保護(hù)和傳感器故障、機(jī)械阻尼、自我診斷的智能容錯。

1.3 功能特點

1.3.1 高度集成的一體化設(shè)計

泵閘智能遙測控制終端以RTU或小型PLC為核心監(jiān)控單元,采集泵閘站水情和工情數(shù)據(jù),通過4G無線網(wǎng)絡(luò),或者有線網(wǎng)絡(luò),也可自建微波,對于偏遠(yuǎn)地區(qū)甚至可采用北斗短報文技術(shù)進(jìn)行通信,將采集的信息送至綜合管理平臺。終端接收到平臺下發(fā)的控制指令后,可自動分析控制對象的運(yùn)行狀態(tài)和告警情況,結(jié)合內(nèi)置的保護(hù)邏輯,確定是否執(zhí)行。終端內(nèi)置小容量后備電源,從而實現(xiàn)非運(yùn)行期每天一次平安報的需求。終端采用一體化設(shè)計方案,外形精致,安裝方便。

1.3.2 多重保護(hù)確保安全運(yùn)行

終端針對泵閘站日常操作過程中可能出現(xiàn)的故障及非正常運(yùn)行狀態(tài),結(jié)合其他工程的總結(jié)與分析成果,設(shè)計了雙重限位保護(hù)、閘門卡阻保護(hù)(閘門卡阻保護(hù)程序及保護(hù)邏輯見圖2)、閘位信號斷線保護(hù)、運(yùn)行超時保護(hù)、電氣量保護(hù)等保護(hù)措施,確保泵閘運(yùn)行的自動、高效與安全,全面提升泵閘運(yùn)行管理的效率和效能,對改善區(qū)域水資源調(diào)度和安全運(yùn)行具有重要的意義[4],是全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè)、提升水安全保障能力、助力水利事業(yè)改革發(fā)展的基礎(chǔ)手段之一。

圖2 閘門卡阻保護(hù)程序及保護(hù)邏輯

1.3.3 邊緣計算助力人工智能

系統(tǒng)使用多種邊緣計算,以閘門行進(jìn)過程的整體邊緣計算(計算流程見圖3)為例,邊端設(shè)備接收到閘門啟動命令后,根據(jù)當(dāng)前的動力電狀態(tài)、閘前、閘后水位、閘門當(dāng)前位置及目標(biāo)位置,進(jìn)行歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的記憶庫匹配檢索,通過計算形成本次的運(yùn)行曲線擬合,給出安全的運(yùn)行邊界,在運(yùn)行過程中實時進(jìn)行邊界判斷,保證閘門在安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)行,超出安全區(qū)域進(jìn)行預(yù)警和停止。同時記錄本次的運(yùn)行軌跡,結(jié)合歷史相似軌跡進(jìn)行軌跡模型的優(yōu)化,更新記憶庫模型。通過不斷的自學(xué)習(xí)和自修正,保證閘門的安全可靠運(yùn)行。

圖3 閘門行進(jìn)過程的整體邊緣計算

1.3.4 自動化融合信息化理念

系統(tǒng)面向的對象為中小型泵閘站,特別是小型泵閘站的智能化升級。目前,很多區(qū)域的中小型泵閘站只配置了現(xiàn)地手動控制柜,控制方式采用電話或微信通知,運(yùn)維人員現(xiàn)場操作,工作效率低、響應(yīng)不及時、安全風(fēng)險大。但如果按照大型泵閘站進(jìn)行自動化升級,需配套現(xiàn)地PLC控制柜、SCADA系統(tǒng)和信息化平臺,建設(shè)成本確實偏高。本系統(tǒng)特別適合這類場景,將自動化控制融入信息化平臺,一體化設(shè)計的智能遙測控制終端作為采集控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制指令執(zhí)行設(shè)備,配套多重泵閘保護(hù)措施,既實現(xiàn)了遠(yuǎn)程和自動控制,又確保了控制的安全可靠,還能夠輔助完成區(qū)域的綜合調(diào)度和聯(lián)合運(yùn)行。

1.3.5 海量數(shù)據(jù)支撐智能調(diào)度

配套的智慧管理平臺可根據(jù)接收到的區(qū)域調(diào)度指令,分析各泵閘的實時工情、水情、氣象等信息,結(jié)合區(qū)域各水系和泵閘關(guān)系情況,利用水動力學(xué)模型,匹配并分析歷史類似工況調(diào)度工作的成果,自動生成調(diào)度方案,確定最優(yōu)調(diào)度路線和泵閘控制方案。調(diào)度過程中,根據(jù)水位變化情況、泵閘運(yùn)行工況和海量的歷史數(shù)據(jù),自動優(yōu)化調(diào)度方案,確保調(diào)度工作按既定的目標(biāo)平穩(wěn)推進(jìn)。

2 應(yīng)用案例

以“上海金山區(qū)智能生態(tài)調(diào)水工程”為例,項目計劃完成400余座泵閘接入,目前,已完成129座泵閘站智慧化改造和系統(tǒng)接入,實現(xiàn)了現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)程集控、“云控制”和移動端多級聯(lián)控。系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、人工智能、邊緣計算、異常預(yù)警、遠(yuǎn)程通信、視頻監(jiān)控等技術(shù),確保數(shù)據(jù)精確穩(wěn)定、控制安全可視、預(yù)警及時準(zhǔn)確、通信可靠穩(wěn)定,為區(qū)域生態(tài)調(diào)水和智慧化防汛保駕護(hù)航,實現(xiàn)了金山區(qū)各接入泵閘站的集中統(tǒng)一調(diào)度和智能化決策。項目運(yùn)行3年多來,在金山區(qū)生態(tài)調(diào)水和圩區(qū)防洪工作中發(fā)揮了重要作用。

上海金山區(qū)智能生態(tài)調(diào)水工程包括物聯(lián)感知設(shè)備、遙測控制終端、視頻監(jiān)控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和具有遠(yuǎn)程控制功能的信息化平臺五部分組成。

2.1 物聯(lián)感知設(shè)備

物聯(lián)感知設(shè)備主要包括超聲波水位計和閘門開度傳感器,完成泵閘站上下游水位、閘門開度等數(shù)據(jù)的實時采集,同時為遠(yuǎn)程自動控制、智能邊緣計算及智能保護(hù)邏輯等提供數(shù)據(jù)。

2.2 遙測控制終端

遙測控制終端以智能遙測終端機(jī)為核心設(shè)備,負(fù)責(zé)全站數(shù)據(jù)的采集、分析和傳輸,是系統(tǒng)承上啟下的關(guān)鍵設(shè)備。設(shè)備集成各類水利專業(yè)模型算法,自定義智能保護(hù)邏輯,同時具備自學(xué)習(xí)功能,不斷完善更新保護(hù)邏輯和記憶庫,確?？刂葡到y(tǒng)的安全可靠。最重要的是在保證控制安全智能的前提下,遙測控制終端的建設(shè)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的“PLC+SCADA系統(tǒng)”自動化解決方案,從而大大降低了整個項目的建設(shè)投資,使中小型泵閘站的自動化改造成為了可能。

2.3 視頻監(jiān)控設(shè)備

系統(tǒng)中引入視頻監(jiān)控設(shè)備主要從安防和“可視”兩個方面進(jìn)行考慮,從而實現(xiàn)控制的可視化,提供站點設(shè)備的安全性。無線站點攝像機(jī)采用4G攝像機(jī),內(nèi)置存儲卡進(jìn)行視頻畫面的現(xiàn)地存儲,中心管理平臺按需調(diào)用,從而降低流量費(fèi)用。

2.4 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)主要采用4G無線網(wǎng)絡(luò)、家庭寬帶相結(jié)合的方式。條件允許的情況下優(yōu)先選擇家庭寬帶,費(fèi)用低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠;對位置偏遠(yuǎn)、不便架設(shè)網(wǎng)絡(luò)的站點采用4G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 智能生態(tài)調(diào)水云平臺

系統(tǒng)部署在租用的云平臺上,系統(tǒng)集站點運(yùn)行總覽、設(shè)備實時監(jiān)視、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、遠(yuǎn)程運(yùn)行操作、自動控制調(diào)度等功能于一身(見圖4),為金山區(qū)生態(tài)調(diào)水和圩區(qū)防洪提供了重要的技術(shù)手段和決策依據(jù)。

圖4 云平臺系統(tǒng)界面

3 結(jié)語

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和功能特點等方面系統(tǒng)介紹了一套自動化融合信息化的中小型泵閘站群遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的技術(shù)路線和實現(xiàn)方案,并結(jié)合“上海金山區(qū)智能生態(tài)調(diào)水工程”的應(yīng)用案例進(jìn)行整體評價。系統(tǒng)在建設(shè)可行性、運(yùn)行安全性、智能保護(hù)、智能控制、人工智能和區(qū)域聯(lián)合控制等方面均具有較高的推廣意義和參考價值。

要推進(jìn)新時代水利現(xiàn)代化發(fā)展,必須全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè),提升水安全保障能力,為水利改革發(fā)展提供有力支撐。在進(jìn)行新時期智慧水利信息化建設(shè)時,需找出現(xiàn)階段水利信息化建設(shè)的短板與不足,結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、信息化等先進(jìn)技術(shù),全力推進(jìn)泵站、水閘的信息化建設(shè),提升遠(yuǎn)程安全控制水平,著力補(bǔ)足信息化短板和盲區(qū),高效實現(xiàn)區(qū)域水資源的優(yōu)化配置和聯(lián)合調(diào)度,早日達(dá)成綠色可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)。