王立強，項 春

（浙江水利水電學院機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018）

1 問題的提出

目前全省排灌裝能力約150萬kW，各類大、中、小型固定排灌泵站約5.5萬座，擔負著省內(nèi)超過1 000 000 hm2農(nóng)田的灌溉和近66 667 hm2的純排澇面積及城鎮(zhèn)地區(qū)的防洪、供水及配水任務(wù)，在保護糧食基地的安全和城市、工礦及國民經(jīng)濟設(shè)施免遭洪澇威脅方面做出了巨大貢獻，取得了巨大的經(jīng)濟及社會效益。

全省泵站工程點多、面廣、量大，泵站工程安全運行管理任務(wù)艱巨且繁重，泵站的管理還存在管理基礎(chǔ)薄弱及管理方式粗放的問題；各地區(qū)間泵站工程管護水平差異大；很多中小型泵站還需有人值守并人工檢查巡視，工作量大、效率低、反應(yīng)慢、成本高。因此實現(xiàn)泵站信息化智能管理，不僅可為泵站的安全運行提供有力保障，還可為泵站節(jié)能增效、集中管理奠定基礎(chǔ)[1]。

《關(guān)于全面推行水利工程標準化管理的意見》（浙政辦發(fā)[2016]4號）及《關(guān)于印發(fā)全面推行水利工程標準化管理實施方案（2016 — 2020年）的通知》（浙水科[2016]1號）要求全面推行浙江省泵站運行管理標準化。信息化管理是泵站標準化管理的基礎(chǔ)，建立信息化管理平臺，實現(xiàn)泵站運行管理信息透明化，有利于資源整合及優(yōu)化，提高泵站運行管理效率，降低能源消耗，實現(xiàn)泵站安全、高效、可靠運行。

泵站運行管理中，運行監(jiān)控系統(tǒng)起著重要的作用。泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)，主要有以下4方面作用：①實現(xiàn)泵站高效自動控制及保護；②實現(xiàn)泵站運行信息自動采集、分析、備份及上報；③基于運行信息的分析及智能診斷，可為泵站設(shè)備維護保養(yǎng)提供重要參考信息；④可為上層智能運行調(diào)度系統(tǒng)提供重要參考信息。因此構(gòu)建可靠、高效、智能的泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)浙江省泵站信息化管理的基礎(chǔ)，有助于推進浙江省泵站的標準化管理。

本文通過分析泵站監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，提出一種三級泵站運行管理監(jiān)控系統(tǒng)的新架構(gòu)，通過對架構(gòu)中各層級及模塊的解析，進一步提出該監(jiān)控系統(tǒng)平臺構(gòu)建過程中需要注意及考慮的問題，可為浙江省泵站運行管理監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提供重要參考。

2 泵站監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀[2]

泵站工程是防洪排澇及配水的基礎(chǔ)性工程，通過將監(jiān)控技術(shù)與自動控制技術(shù)有機結(jié)合形成泵站智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)泵站實時智能監(jiān)測及控制，可實現(xiàn)無人值守或少人值守，確保泵站安全、可靠及高效運行。

我國泵站監(jiān)控系統(tǒng)起步較晚，其發(fā)展基本可分為3個階段：常規(guī)控制并由計算機輔助（簡稱CASC）、計算機監(jiān)控與常規(guī)控制共同應(yīng)用（簡稱CCSC）以及通過計算機系統(tǒng)實現(xiàn)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱CBSC）等階段。其中，CCSC一般于舊泵站的升級改造，復雜的改造環(huán)節(jié)不僅增加人力物力成本，也增加系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，不適宜推廣。CBSC自動化監(jiān)控系統(tǒng)將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計算技術(shù)有機融合，可實現(xiàn)對泵站安全運行的實時監(jiān)控，是泵站安全運行技術(shù)的大飛躍，目前應(yīng)用較為廣泛。

CBSC自動化監(jiān)控系統(tǒng)可分為集中式與分布式2種。集中式利用1臺或2臺計算機實現(xiàn)對泵站中各種設(shè)備的實時監(jiān)控；分布式則采用開放、分層的架構(gòu)，由主控及現(xiàn)地控制系統(tǒng)（LCU）組成，系統(tǒng)分工明確，主控系統(tǒng)進行泵站全局控制，負責統(tǒng)計分析，而LCU負責收集數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控設(shè)備運行并完成控制操作。在實際應(yīng)用中大都采用分布式的自動化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)泵站的監(jiān)控。泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)具有設(shè)備運行狀態(tài)檢測、運行管理、流量控制系統(tǒng)、調(diào)度監(jiān)控等功能。

泵站監(jiān)控自動化監(jiān)控系統(tǒng)普及一個重要的影響因素是監(jiān)控系統(tǒng)的安全及可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)安全包括軟件安全（互聯(lián)網(wǎng)攻擊、軟件病毒等）及監(jiān)控系統(tǒng)硬件（LCU、服務(wù)器、PLC、傳感器、傳感器、控制器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電源系統(tǒng)等）的可靠性都會對泵站的安全可靠性造成影響。目前，不少地區(qū)泵站監(jiān)控系統(tǒng)逐步聯(lián)網(wǎng)，有些泵站還與公網(wǎng)直連，形成復雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然而，一些泵站工程的監(jiān)控在構(gòu)建時對安全性考慮不足，導致監(jiān)控系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，給泵站的安全運行帶來較大威脅。因此提高泵站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，是泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展很重要的一個環(huán)節(jié)[3-4]。

3 泵站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)具有一體化、故障診斷功能越來越完善、數(shù)據(jù)傳輸實時化、安全加強化的發(fā)展趨勢。

3.1 一體化發(fā)展

各種集成系統(tǒng)，智能控制器及集成式新型控制技術(shù)不斷結(jié)合，泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)朝著集成化和一體化的方向發(fā)展，還可實現(xiàn)多泵站集群自動化監(jiān)控，實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和統(tǒng)一調(diào)度。

3.2 故障診斷功能越來越完善

泵站運行發(fā)生故障時要求能夠及時發(fā)現(xiàn)并進行停機保護，這就要求系統(tǒng)能實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)及運行參數(shù)，并具有智能的故障診斷功能，在停機保護的同時，還能給出可能故障的原因，甚至還可自動切換至其他機組或備用機組運行確保防洪排澇工作的順利進行。將智能算法（BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊運算等）、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及云計算等新技術(shù)融入至泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，可提升系統(tǒng)的故障診斷功能，甚至還能實現(xiàn)故障預測功能，可進一步提升泵站運行的可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸實時化

泵站運行控制策略依賴于泵站運行的各種動態(tài)、實時數(shù)據(jù)信息的獲取，這就要求系統(tǒng)運行信息的傳輸具有實時性。將實時衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)、實時巡視情況、設(shè)備實時狀態(tài)信息引入泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)，同時通過云平臺實現(xiàn)各個泵站監(jiān)控系統(tǒng)之間進行實時數(shù)據(jù)共享及交互，不僅可實現(xiàn)泵站的高效、實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)信息的實時化管理，還可實現(xiàn)泵站設(shè)備健康狀況實時管理。

3.4 安全加強化

泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)的安全涉及到泵站運行的可靠性，因此在泵站設(shè)計及改造時，必須從軟件及硬件2個層面，進行必要的安全冗余設(shè)計及考慮，以確保泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)能確實提高泵站運行管理效率，減少經(jīng)濟損失及安全事故的危害。

4 泵站監(jiān)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)[5 - 9]

依據(jù)2016年發(fā)布的《浙江省泵站運行管理規(guī)程（試行）》及《浙江省水利工程標準化管理驗收辦法（試行）》，結(jié)合制造業(yè)信息化管理經(jīng)驗，建立泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)（見圖1）。泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)可分為信息管理層、區(qū)域總/分運行控制層以及泵站實時監(jiān)控層3個層級。

圖1 泵站運行監(jiān)控系統(tǒng)平臺架構(gòu)圖

4.1 信息管理層

信息管理層又稱管理信息網(wǎng)，可實現(xiàn)全省范圍的泵站運行管理信息數(shù)據(jù)共享，聯(lián)網(wǎng)的計算機或手機客戶端可根據(jù)其權(quán)限可查詢泵站檔案信息、實時或歷史數(shù)據(jù)、運行調(diào)度記錄、安全及應(yīng)急管理事件、運行日志等信息，提高泵站運行管理的效率。信息管理層通過以太網(wǎng)（WLAN）與運行控制層進行數(shù)據(jù)交互，同時用戶可通過PC或手機客戶端以太網(wǎng)（有線或無線）方式接入管理信息網(wǎng)。

4.2 區(qū)域總/分運行控制層

區(qū)域總/分運行控制層又稱調(diào)度中心，該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)將區(qū)域內(nèi)的各個泵站實時監(jiān)控系統(tǒng)連接起來，調(diào)度中心可以對各個泵站進行調(diào)度控制，通過各個泵站通過網(wǎng)絡(luò)將其運行數(shù)據(jù)及視頻反饋至調(diào)度中心。調(diào)度中心設(shè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器及交換機、大屏幕、監(jiān)控主機及備份機以及管理維護終端等。調(diào)度中心主要實現(xiàn)如下功能：

4.2.1 泵站檔案及健康監(jiān)測

從泵站實時監(jiān)控層獲取區(qū)域內(nèi)各個泵站的檔案及泵站的健康狀態(tài)信息，以便調(diào)度中心實時掌握區(qū)域內(nèi)泵站的實際可調(diào)用機泵資源。

4.2.2 調(diào)度控制

對區(qū)域內(nèi)泵站實時監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)度控制，具有泵站群控功能，可實現(xiàn)泵站群的系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度控制。

調(diào)度中心根據(jù)系統(tǒng)運行實際要求（如目標流量）及現(xiàn)場機組運行工況發(fā)送調(diào)度控制指令給目標泵站的實時監(jiān)控系統(tǒng)，目標泵站的實時監(jiān)控系統(tǒng)收到調(diào)度控制指令后，按照運行要求執(zhí)行自動起停機組。調(diào)度運行過程中，調(diào)度中心可對泵站機組的運行、廠外環(huán)境、人員工作等情況進行實時監(jiān)視。

4.2.3 運行記錄管理

記錄每次調(diào)度運行情況，并將泵站反饋回來的運行臺時數(shù)、排水量、耗電量等數(shù)據(jù)，一同記錄，作為調(diào)度運行情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以便后期通過統(tǒng)計分析，提高調(diào)度運行系統(tǒng)效率。

4.2.4 安全及應(yīng)急管理

調(diào)度中心安全及應(yīng)急事件管理系統(tǒng)接受泵站實時監(jiān)控層反饋的相關(guān)記錄及報告數(shù)據(jù)，并進行智能分析、總結(jié)及備案。通過預設(shè)不同閾值或故障及事故情況，可將系統(tǒng)報警分為4 個級別。通過運行歷史數(shù)據(jù)查詢，結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫或智能算法，即可給出報警的可能原因及其他重要信息（如發(fā)生時間、位置及故障發(fā)生前后的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)等），為快速分析及處理安全事故提供有效支持。

4.2.5 報表及臺賬管理

具有自動報表及臺賬功能，可實現(xiàn)用運行用電量、過水量、機組運行臺時數(shù)等運行信息統(tǒng)計。報表有多種預定義模板可供選擇，同時還可由用戶自定義模板。

4.2.6 日志記錄及管理

對調(diào)度系統(tǒng)中所有操作記錄及重要狀態(tài)參數(shù)進行自動記錄，形成歷史數(shù)據(jù)，以便有跡可循，做到所有操作及重要狀態(tài)參數(shù)可追溯。

4.3 泵站實時監(jiān)控層

泵站實時監(jiān)控層又稱泵站監(jiān)控系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)每個泵站需建立獨立運行的包括泵站實時監(jiān)控系統(tǒng)和機組現(xiàn)地控制系統(tǒng)（LCU）的泵站監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)地控制系統(tǒng)負責主機組的控制與調(diào)節(jié)，以及設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與處理，并將運行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過工業(yè)現(xiàn)場總線反饋至泵站實時監(jiān)控系統(tǒng)。

泵站監(jiān)控系統(tǒng)，以分布式總線的智能測控網(wǎng)絡(luò)為主站，在其所有設(shè)備中集成各種傳感器，利用傳感探測技術(shù)，自動監(jiān)測和控制水泵、電機、閘門、供電設(shè)備的運行、操作、管理等生產(chǎn)過程狀態(tài)及運行參數(shù)。泵站監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)如下功能：

4.3.1 泵站檔案及健康監(jiān)測

通過引入泵站檔案及健康監(jiān)測子系統(tǒng)，可對泵站的工程及設(shè)備設(shè)施等級及安全鑒定結(jié)果進行實時跟蹤，并對設(shè)備、設(shè)施建立健康檔案，對維護養(yǎng)護周期、維修養(yǎng)護記錄等進行記錄，并能及時提醒管理人員哪些設(shè)備設(shè)施何時需要保養(yǎng)及維修養(yǎng)護。

4.3.2 機泵操作控制

由計算機實現(xiàn)多臺機組的起?？刂萍肮ぷ鞴收媳Ｗo，并實時監(jiān)測各機組的運行狀態(tài)及運行參數(shù)（如機組運行溫度、軸承溫度、電壓、電流、前池水位等），同時將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至調(diào)度中心，形成調(diào)度運行的閉環(huán)控制。

機泵操作的故障保護，可通過設(shè)定各種運行參數(shù)的允許上限及下限，故障發(fā)生時停機保護機組，同時根據(jù)故障前、后相關(guān)運行狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對故障原因進行智能診斷，并給出報警內(nèi)容及處理建議。

4.3.3 機泵運行監(jiān)測

通過直流模擬量傳感器，實現(xiàn)電機、水泵、溫度、前池水位、直流電壓等的監(jiān)測；通過開關(guān)量傳感器，實現(xiàn)高壓開關(guān)柜隔離刀閘位置、斷路器分合判斷及控制以及指示信號、保護信號的監(jiān)測；通過互感器及交流量傳感器，實現(xiàn)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電量、頻率等的監(jiān)測。

電壓、電流顯示實時數(shù)據(jù)，可采用數(shù)字儀表或模擬儀表的方式顯示；電度、溫度、水位、流量等可采用模擬圖表（直方圖、柱狀圖、曲線圖）顯示實時或歷史數(shù)據(jù)。

泵站監(jiān)控狀態(tài)、機組運行狀態(tài)、開關(guān)位置、閥門位置等各種運行狀態(tài)，可采用模擬指示燈、模擬開關(guān)或動態(tài)圖像的方式進行顯示。

4.3.4 安全及應(yīng)急事件管理

可對防汛物資管理、安全事故記錄報告管理及應(yīng)急管理相關(guān)事件進行記錄，并上傳至調(diào)度中心備案。

4.3.5 報表及臺賬管理

系統(tǒng)自動記錄泵站操作記錄、統(tǒng)計各種數(shù)字，自動輸出用戶需要的報表，以用于運行調(diào)度層進行統(tǒng)計分析。

4.3.6 日志記錄及管理

日志記錄及管理對泵站運行中的所有操作記錄及相關(guān)參數(shù)進行記錄，以便有記錄可查，做到任何操作可追溯。

5 泵站監(jiān)控系統(tǒng)平臺建設(shè)關(guān)鍵問題

泵站監(jiān)控系統(tǒng)平臺建設(shè)的關(guān)鍵問題包括泵站健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、機泵操作控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計以及監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互安全策略。

5.1 泵站健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求

泵站健康監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)對包括泵站工程、設(shè)備及設(shè)施建立完整的健康檔案，如設(shè)備生產(chǎn)廠商、生產(chǎn)時間、投入運行時間等，并對保養(yǎng)、維修周期等進行明確，每次保養(yǎng)、維修記錄均錄入系統(tǒng)。泵站操作控制系統(tǒng)會在泵站運行過程中，對主機組等運行狀況進行檢測，并可進行實時故障智能診斷，當發(fā)生硬件損壞等故障時，除故障診斷結(jié)果提示外，應(yīng)在泵站健康監(jiān)測系統(tǒng)中，對健康出問題的設(shè)備進行提示。對工程檢查過程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障問題，也應(yīng)及時錄入該系統(tǒng)，以便及時跟蹤泵站設(shè)備健康狀態(tài)，提高泵站系統(tǒng)安全及可靠性。

5.2 機泵操作控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計要求

機泵操作控制系統(tǒng)，中心控制室應(yīng)設(shè)2套主機兼操作員工作站、1套通信及工程師工作站、2臺網(wǎng)絡(luò)打印機、2套不間斷電源UPS電源、1套GPS同步時鐘系統(tǒng)、1套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和控制臺、坐椅等。兩套監(jiān)控操作員站互為熱備份，當主站發(fā)生故障或異常退出時，備用站可自動或手動切換為主站[7]。

同時，機泵運行過程中，應(yīng)結(jié)合智能故障診斷系統(tǒng)的診斷結(jié)果，迅速執(zhí)行故障保護動作，確保泵站故障時，不發(fā)生安全事故。

5.3 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互安全策略

鑒于3個層級之間通過WLAN進行數(shù)據(jù)交互，且信息管理層與用戶之間有WLAN或WIFI數(shù)據(jù)交互，因此監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互應(yīng)確保監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互安全。

可通過身份控制、數(shù)據(jù)加密、設(shè)置數(shù)據(jù)庫熱備份等確保監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全及監(jiān)控系統(tǒng)安全運行。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了泵站監(jiān)控系統(tǒng)平臺的架構(gòu)，提出平臺建設(shè)的關(guān)鍵問題，并對關(guān)鍵問題解決提出明確的要求。進一步深入研究，可將該監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用于區(qū)域泵站智能群控系統(tǒng)，實現(xiàn)智慧泵站，極大提高泵站群運行效率，節(jié)約人工，提高系統(tǒng)可靠性，為浙江省泵站運行管理標準化提供重要參考。

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