肖 勇，鄭會(huì)耀，林振鵬，張 鵬，許哲峰

(深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518000)

1 研究背景

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為各類工業(yè)系統(tǒng)研發(fā)了各種各樣的設(shè)備管理軟件，成為工業(yè)自動(dòng)化、企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要橋梁，但針對(duì)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備信息管理系統(tǒng)在最初的功能設(shè)計(jì)方面更多地體現(xiàn)在對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)信息的統(tǒng)計(jì)和管理上，其主要目的是降低總體維護(hù)成本和保證資源有效分配[1-2]。經(jīng)過長(zhǎng)期的理論研究和技術(shù)探索，如今設(shè)備信息管理系統(tǒng)所需的功能不僅局限于信息的統(tǒng)計(jì)和管理，而且需要在故障預(yù)測(cè)與提醒、信息儲(chǔ)存與共享、數(shù)據(jù)挖掘與分析、事故決策與處理等功能上有更寬、更廣的兼容度[3]。目前各國(guó)學(xué)者也運(yùn)用控制理論、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、大數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)和先進(jìn)的現(xiàn)代管理技術(shù)研究和開發(fā)具有更多、更復(fù)雜系統(tǒng)功能的綜合性設(shè)備信息管理系統(tǒng)[4-5]，使得設(shè)備信息管理系統(tǒng)的理論更豐富、發(fā)展更完善、技術(shù)更成熟，但關(guān)于泵站機(jī)電管理系統(tǒng)方面的研究運(yùn)用卻相對(duì)欠缺。

深圳市東江水源工程作為保障深圳原水輸送的大型跨流域調(diào)水重要工程，全線管網(wǎng)從惠州至深圳由100多km的輸水管道和箱涵組成，沿線設(shè)有東江、永湖、西枝江、獺湖、沙灣5個(gè)泵站和1座松子坑調(diào)蓄水庫(kù)，各站點(diǎn)安裝有專用變電站、電機(jī)、水泵、高壓開關(guān)、微機(jī)保護(hù)和其他輔助設(shè)備，總體具有設(shè)備分布范圍廣、局部集中、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位多的特點(diǎn)。為適應(yīng)泵站信息化、智慧化發(fā)展的要求，提高泵站運(yùn)行與監(jiān)管水平，工程利用分層分布式架構(gòu)搭建了以調(diào)度中心監(jiān)控為主體的，匯集各泵站和水庫(kù)的三層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)、控制部分設(shè)備，卻未集合設(shè)備信息管理功能，導(dǎo)致不能及時(shí)有效地整合設(shè)備資源、反映設(shè)備狀況，給設(shè)備的維護(hù)檢修、備件管理、信息儲(chǔ)存等工作帶來不少壓力，且在“智慧水務(wù)”、“智慧泵站”理念提出的前提下，為保障泵站設(shè)備使用的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，亟需一款適用于泵站體系的信息系統(tǒng)管理軟件。

本文依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備信息管理技術(shù)理論，結(jié)合東江水源工程機(jī)電設(shè)備覆蓋廣、沿線長(zhǎng)、數(shù)量多等特點(diǎn)，針對(duì)工程無法通過長(zhǎng)時(shí)間停用設(shè)備和間斷供水來完成硬件和軟件系統(tǒng)統(tǒng)一改造的特殊屬性，在考慮兼容現(xiàn)有硬件設(shè)施設(shè)備和原有計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種采用LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境[7]和SQL Server 2008軟件設(shè)計(jì)的泵站機(jī)電設(shè)備信息管理系統(tǒng)，為泵站機(jī)電設(shè)備信息管理模式提供了一種較新穎的解決方案，本系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)也為泵站信息管理系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)和完善提供了相應(yīng)的參考。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

本文研究的泵站信息管理系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)集數(shù)據(jù)查詢、故障預(yù)測(cè)、報(bào)表生成等多種功能于一體的自動(dòng)化信息管理平臺(tái)(如圖1所示)。系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境采用NI Labview軟件平臺(tái)和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，其中LabWindows/CVI是由美國(guó)NI公司推出的基于ANSIC的集成開發(fā)環(huán)境，作為交互式C語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)，可通過集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)支持GPIB、PCI、RS485等各類總線接口的檢測(cè)設(shè)備連接與控制，從而有效兼容現(xiàn)有硬件設(shè)施的各類數(shù)據(jù)傳輸總線接口；而SQL 2008則通過秘鑰登錄、數(shù)據(jù)格式一致、數(shù)據(jù)共享的方式打通信息管理系統(tǒng)與原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)數(shù)據(jù)壁壘，提升監(jiān)控、檢測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)用性和利用效率。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SQL 2008是微軟公司專為新的信息類型，例如圖片和視頻的數(shù)字化造成數(shù)字信息存儲(chǔ)爆炸而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，具有智能性、高效性、安全性和可拓展性，是功能齊全的平臺(tái)，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)的查詢、插入、保存和刪除等功能。

本設(shè)計(jì)采用SQL Server2008的圖形化用戶界面設(shè)置了數(shù)據(jù)庫(kù)表格，通過表節(jié)點(diǎn)新建表并在設(shè)計(jì)窗口輸入自定義列名并選擇數(shù)據(jù)類型等，再根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的容量、文件類型、存放路徑、排序規(guī)則、兼容級(jí)別等內(nèi)容[8]。其中設(shè)備信息相關(guān)的參數(shù)名和數(shù)據(jù)類型設(shè)置如圖2所示，系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的綁定通過在 LabWindows/CVI編寫C語(yǔ)言代碼來完成，包括連接數(shù)據(jù)庫(kù)、讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)等，圖3為CVI中連接數(shù)據(jù)庫(kù)的函數(shù)，本系統(tǒng)根據(jù)自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)格式、賬號(hào)及密碼，以代碼逐一綁定的方式通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取需要的各類設(shè)備電參數(shù)、溫度、檢修狀況、閥門開度等信號(hào)，并以此為數(shù)據(jù)分析功能提供保障。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)列表設(shè)置示意

圖3 CVI連接數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)示意

2.3 泵站的硬件結(jié)構(gòu)

泵站的硬件結(jié)構(gòu)分整體和泵站層次，首先泵站層次采用分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)，主要由泵站LCU柜(計(jì)算機(jī)現(xiàn)地控制單元)、以太網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)、服務(wù)器和計(jì)算機(jī)(安裝win7操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)中安裝有NI Labview軟件)及所需的其他具備數(shù)據(jù)傳輸條件的機(jī)電設(shè)備組成，該層次所有設(shè)備都通過RS485、RJ45、GPIB或PCI等總線連接，其中泵站LCU柜(計(jì)算機(jī)現(xiàn)地控制單元)負(fù)責(zé)采集單個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并傳輸給安裝于計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)，而其他未被監(jiān)控但具備數(shù)據(jù)傳輸條件的機(jī)電設(shè)備則可以將自身監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接通過總線連接方式傳輸給計(jì)算機(jī)。整體層次中不同泵站間的數(shù)據(jù)交換則通過工業(yè)交換機(jī)配套、光纜敷設(shè)搭建的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，且由于泵站數(shù)據(jù)相對(duì)重要，為了保證數(shù)據(jù)通訊真實(shí)、安全，防止外部網(wǎng)絡(luò)攻擊，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)之間采取物理隔離。最終計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過環(huán)網(wǎng)采集匯總整個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)后，通過信息管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的篩選、儲(chǔ)存、管理、分析和預(yù)測(cè)(見圖4)。

2.4 信息管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)包含了機(jī)電設(shè)備臺(tái)賬、備品備件管理、水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度、制度分級(jí)匯編、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析、故障預(yù)測(cè)預(yù)警6大板塊功能，各版塊功能根據(jù)現(xiàn)有管理模式及重點(diǎn)需求設(shè)計(jì)，相互之間獨(dú)立又互相兼容。系統(tǒng)能夠全面反映泵站機(jī)電設(shè)備的設(shè)備名稱、型號(hào)規(guī)格、生產(chǎn)廠商、出廠編號(hào)、投運(yùn)時(shí)間、安裝位置、使用狀態(tài)、剩余數(shù)量等信息，管理人員通過該軟件可以實(shí)時(shí)掌握各個(gè)管理所機(jī)電設(shè)備的信息，可以清楚備品備件剩余數(shù)量和入庫(kù)情況，也可以提供各主要機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)，有利于管理人員處理運(yùn)行和檢修規(guī)程的修編、完成檢修計(jì)劃制定、統(tǒng)籌備品備件購(gòu)買計(jì)劃等工作，該框架也保留了可以為滿足條件的自控設(shè)備提供必要數(shù)據(jù)和控制接口的服務(wù)，為以后二次開發(fā)提供便利(如圖5所示)。

圖4 泵站的硬件結(jié)構(gòu)示意

圖5 泵站信息管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意

3 系統(tǒng)部分子模塊功能

3.1 查詢模塊

泵站信息管理系統(tǒng)的查詢模塊如圖6所示，該模塊實(shí)現(xiàn)了泵站所有設(shè)備的查詢功能，通過查找條件1和查找條件2選擇設(shè)備所屬泵站及選定查找信息，條件1為管理處及管理處管轄內(nèi)泵站，條件2為設(shè)備基本信息，其中包含設(shè)備名稱、型號(hào)規(guī)格、出廠編號(hào)、資產(chǎn)編號(hào)等關(guān)鍵性內(nèi)容，并于內(nèi)容框內(nèi)綁定查詢所需數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則根據(jù)所選擇內(nèi)容在數(shù)據(jù)庫(kù)里篩選符合條件的設(shè)備并進(jìn)行顯示，此后可通過該界面修改和整理所需報(bào)表素材并最終生成和存儲(chǔ)報(bào)表如圖7，省去人工逐項(xiàng)整理數(shù)據(jù)的麻煩，有效解決了目前word文檔格式臺(tái)賬或者功能簡(jiǎn)單的信息管理軟件帶來的實(shí)時(shí)性不高、迭代性不強(qiáng)等問題。

圖6 泵站信息管理系統(tǒng)的查詢子模塊示意

圖7 生成報(bào)表界面示意

3.2 水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度

管理處所轄松子坑水庫(kù)位于深圳市坪山區(qū)龍?zhí)锝值?，水?kù)集雨面積為4.96 km2，總庫(kù)容為4 157萬m3，承擔(dān)為坪山區(qū)坑梓水廠日常供水和深圳市應(yīng)急供水的重任，且兼顧防洪度汛任務(wù)的的中型水庫(kù)。水庫(kù)在執(zhí)行日常調(diào)度指令時(shí)，何時(shí)開關(guān)閘門需專業(yè)工程師根據(jù)水雨情及庫(kù)區(qū)閘門抽排水等綜合參數(shù)結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，但在遇到極端雨量的情況下，其判斷不夠精準(zhǔn)且易受干擾，稍有不慎則可能造成重大財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡事故。為解決這一隱患，本文根據(jù)最優(yōu)控制理論搭建了控制模型，該模型可以讓專業(yè)工程師承擔(dān)更加專業(yè)和艱巨的任務(wù)，也可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度、降低安全隱患。

該控制模型如圖8所示，模型以安全水位或調(diào)度指令為控制輸入信號(hào)，假設(shè)在汛期，系統(tǒng)根據(jù)水庫(kù)狀況及調(diào)度指令判定該時(shí)期安全水位為A，目前水位為B，其偏差為E，將偏差E輸入控制模型，控制模型根據(jù)未來天氣情況、各個(gè)壩點(diǎn)的水雨情監(jiān)控、水庫(kù)庫(kù)容和面積、蒸發(fā)量、抽排水狀態(tài)等信息綜合計(jì)算應(yīng)開啟抽水水泵臺(tái)數(shù)或者排水閘門個(gè)數(shù)，結(jié)合單臺(tái)水泵或單個(gè)閘門的抽排水流量參數(shù)可計(jì)算最優(yōu)的抽排水時(shí)間，并將該結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至系統(tǒng)指導(dǎo)人員操作，以此達(dá)到控制水位的目的，從而實(shí)現(xiàn)安全度汛或完成調(diào)度指令的目標(biāo)。

圖8 水庫(kù)水位控制模型示意

3.3 數(shù)據(jù)分析與故障預(yù)測(cè)

備件更換提醒及庫(kù)存報(bào)警[10]：經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，備件更換是常態(tài)，在東江水源工程20 a各類備件更換時(shí)間、更換頻率等數(shù)據(jù)的支撐下，可以統(tǒng)計(jì)分析各備件的更換期，假設(shè)某一備件正常更換期是2 a，而此備件約2 a未更換了，系統(tǒng)將出現(xiàn)彈窗提醒，建議檢修人員去檢查更換，備件庫(kù)存不足時(shí)也會(huì)標(biāo)紅報(bào)警，并可導(dǎo)出采購(gòu)列表讓采購(gòu)人員進(jìn)行采購(gòu)。

泵組故障預(yù)測(cè)分析：本設(shè)計(jì)通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法搭建了泵組故障預(yù)測(cè)的學(xué)習(xí)模型[11-12]，并將泵組近20 a采集并存儲(chǔ)的參數(shù)：進(jìn)出水壓力、電機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、水泵揚(yáng)程、電機(jī)功率、泵組檢修狀況等信息訓(xùn)練該模型，得到不同條件下的輸出解，以此判斷泵組是否存在故障或提前預(yù)判故障點(diǎn)，可為檢修維護(hù)工作帶來保障。

3.4 制度管理

制度分級(jí)模塊主要提供文件錄入、查詢、在線閱讀、下載打印等功能，模塊展示主要采用列表形式，可通過PDF格式進(jìn)行存儲(chǔ)和展現(xiàn)并支持關(guān)鍵字、文件編號(hào)進(jìn)行模糊查找所需文件，點(diǎn)擊即可在線查閱和下載。其中存儲(chǔ)的文件類型分為制度規(guī)程、管理?xiàng)l例、法律法規(guī)、通知等，所有文件均通過上述類別進(jìn)行歸集分類，并實(shí)現(xiàn)更新功能以適應(yīng)相關(guān)制度的升級(jí)、修編、新增等情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本文嘗試提出泵站機(jī)電設(shè)備信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路并使用了LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境和SQL Server 2008軟件進(jìn)行開發(fā)。目前，系統(tǒng)已完成6大功能模塊組建，并成功建立泵站機(jī)電設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)，為深圳市東江水源工程管理處填補(bǔ)了機(jī)電設(shè)備信息管理功能上的空白。

該泵站機(jī)電設(shè)備信息管理系統(tǒng)可與原計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)通過秘鑰解鎖、匹配數(shù)據(jù)讀取格式打通數(shù)據(jù)壁壘，可以有效地解決整個(gè)自控系統(tǒng)重新開發(fā)所帶來開發(fā)量龐大、再開發(fā)周期長(zhǎng)的問題，也可分模塊設(shè)計(jì)并加入各項(xiàng)功能，為泵站信息管理現(xiàn)代化提供一定的參考，因此，本文機(jī)電設(shè)備信息管理系統(tǒng)和相應(yīng)的信息管理模式有較好的應(yīng)用前景。