劉曉東

（山東省調(diào)水工程運行維護中心棘洪灘水庫管理站，山東 青島 266109）

泵站在水利工程建設(shè)中具有重要的作用。在城市居民區(qū)的供水、排水以及農(nóng)業(yè)灌溉等方面起到至關(guān)重要的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能化、自動化等高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用，其中，智能管控泵站是將現(xiàn)代智能化技術(shù)與傳統(tǒng)泵站系統(tǒng)結(jié)合的新型水利設(shè)施。現(xiàn)階段，當泵站運營時須采集大量數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)采集不及時、不全面，計算機智能控制運維系統(tǒng)在泵站中的處理能力不足，泵站的運維系統(tǒng)出現(xiàn)故障或預(yù)警不及時。針對這類狀況，須設(shè)計一種精確、高效以及實用的智能管控平臺泵站運維系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用遠程監(jiān)控、及時預(yù)警設(shè)備故障以及異常的運營情況等功能，及時、準確地將泵站運維數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，協(xié)助運維人員排除故障，并進行維修。通過智能控制系統(tǒng)提高泵站的運行效率，使泵站的運維系統(tǒng)更自動化、信息化與安全化[1]。因此，該文旨在探究如何利用綜合智能管控平臺實現(xiàn)對泵站運維系統(tǒng)的信息化管理。首先，采用泵站運維系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備進行硬件設(shè)計；其次，分析該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能及需求，設(shè)計系統(tǒng)軟件；最后，通過試驗分析，驗證該系統(tǒng)運行效率的穩(wěn)定性與可靠性，保證泵站運維系統(tǒng)正常工作。

1 智能管控系統(tǒng)框架設(shè)計

基于綜合智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)包括運營數(shù)據(jù)采集模塊、遠程監(jiān)控模塊、故障診斷維修模塊以及安全管理4 個模塊。具體框架圖如圖1 所示。

圖1 綜合智能管控平臺泵站運維系統(tǒng)框架

運營數(shù)據(jù)采集的過程是通過采集實時數(shù)據(jù)與監(jiān)測運行狀態(tài)等設(shè)備，采集泵站在運行過程中的實時數(shù)據(jù)，包括泵站運行狀況、趨勢以及異常情況等參數(shù)；遠程監(jiān)控模塊的作用是通過實時監(jiān)測與遠程控制設(shè)備，監(jiān)測泵站設(shè)備的水位、水壓以及泵站設(shè)備故障等；安全管理模塊通過訪問控制與權(quán)限管理等設(shè)備，保障泵站數(shù)據(jù)安全；故障診斷維修模塊是通過故障診斷與維修設(shè)備，自動或協(xié)助運維人員定位故障原因并提供故障處理方案。以上為綜合智能管控平臺泵站運維系統(tǒng)設(shè)計，通過各個模塊間的配合，可以對泵站整個系統(tǒng)運行時的監(jiān)察與管理，提高泵站智能化管理的手段與效率，保證運營數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2 硬件設(shè)計

基于綜合智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)硬件設(shè)計主要通過OHR-PR20 系列可編程PLC 控制器采集與存放泵站運行的實時數(shù)據(jù)，并通過機外執(zhí)行完成對泵站各個運維系統(tǒng)進行控制；采用JG-880OSND-IRCC2 系列的高清紅外高速遠程監(jiān)控器通過前端設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)實時掌握泵站運行動態(tài)，確保在最短時間內(nèi)勘測泵站故障點以及原因，并通過遠程控制解決問題；采用DKSENSORS，WH311 系列的水位傳感器以及MPX2202AP 集成式壓力傳感器對泵站水位、水壓進行勘測，從而獲取電壓、電流以及水流量等關(guān)鍵參數(shù)。此外，硬件設(shè)計部分還包括A/D 轉(zhuǎn)換器、Web云端服務(wù)器一系列硬件設(shè)備的組合，對智能泵站的運維系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、預(yù)警以及排除故障，為數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定可靠的硬件支持。

3 軟件設(shè)計

3.1 泵站運營數(shù)據(jù)采集

運營數(shù)據(jù)采集是泵站運維系統(tǒng)中重要的裝置之一，主要負責管理泵站數(shù)據(jù)以及優(yōu)化泵站運行速度。對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，以可視化的形式展示泵站內(nèi)的水流量、壓力和水位等一系列數(shù)據(jù)，并生成報表和圖表。將監(jiān)測設(shè)施采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫中心進行處理和存儲。系統(tǒng)可幫助運維人員了解泵站運行狀況、趨勢和異常情況，及時進行故障維修。具體數(shù)據(jù)采集流程如圖2 所示。

圖2 運營數(shù)據(jù)采集流程

根據(jù)流程圖可知，在運營數(shù)據(jù)采集過程中，整合泵站當前水流量以及水壓等重要數(shù)據(jù)后，采用壓力傳感器以及水位傳感器對以上數(shù)據(jù)進行篩選，將篩選后的數(shù)據(jù)進行存儲，然后確定泵站運行狀態(tài)是否正常，如果監(jiān)測到泵站發(fā)生故障及時預(yù)警，將故障數(shù)據(jù)通過特定傳輸通道輸送至遠程客戶端，同時為維修人員提供可靠的維修方案，最后將以上監(jiān)測到所有的數(shù)據(jù)詳細精確存儲至數(shù)據(jù)庫，電壓計算如公式（1）所示。

式中：Us為電源電壓；P為被測量電壓；a為水壓誤差系數(shù)；Pr為電壓誤差；利用Uo的表達式可控制以及修正電壓。

3.2 遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控模塊旨在根據(jù)泵站對遠程監(jiān)控系統(tǒng)的需求，直觀清晰地為用戶展現(xiàn)泵站運行狀態(tài)[2]。系統(tǒng)的顯示界面需要展現(xiàn)較多泵站圖像以及各類數(shù)據(jù)列表，并需要通過實時刷新數(shù)據(jù)庫更新數(shù)據(jù)且具有對訪問速度及管理能力的高精度、高效率等要求。根據(jù)以上需求，泵站運維系統(tǒng)的遠程監(jiān)控模塊主要采用HYM708S 系列的遠程監(jiān)控硬件設(shè)備，以PLC 作為控制中心實現(xiàn)監(jiān)測泵站數(shù)據(jù)的采集與處理，遠程監(jiān)控模塊的具體運行流程如下：第一步，根據(jù)泵站需求，定點建立遠程監(jiān)控系統(tǒng)，安裝軟件和硬件設(shè)備。調(diào)整數(shù)字視頻錄像機DVR 的IP 地址；第二步，布控所需無線視頻監(jiān)控的移動寬帶、ISDN 數(shù)據(jù)線、Wi-Fi 等互聯(lián)網(wǎng)通道，實現(xiàn)泵站各個角落的全方位控制勘察；第三步，連接泵站設(shè)備，將泵站設(shè)備與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行連接，可使用網(wǎng)絡(luò)連接或無線連接配置；第四步，設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)要監(jiān)測的指標和參數(shù)，例如水位、流量以及壓力等具體數(shù)據(jù)。泵站流量的計算如公式（2）所示。

式中：Q為泵站流量系數(shù)；m為最大一次灌水額度；A為灌溉面積；T為灌水延續(xù)時間，指灌區(qū)一次灌水所需延續(xù)的天數(shù)，一個周期取7 天；t為水泵每天工作時間；η為灌溉水的有效利用系數(shù)，此處取0.85。泵站的水壓主要取決于液體流量和揚程的變化。揚程是指液體從輸入端到輸出端的靜壓差，如公式（3）所示。

式中：M為揚程；m為特定時間內(nèi)平均水流量額度；K為摩擦系數(shù)；ρ為特定質(zhì)量密度。通過揚程可計算泵站正常運行是水壓的大小，如公式（4）所示。

式中：Pa為泵站水壓值；m為揚程；ρ為特定質(zhì)量密度；g為重力加速度。

通過以上公式對監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算可精確勘測出泵站實時運行狀態(tài)是否正常。

第五步，實時監(jiān)測泵站運行狀態(tài)，通過監(jiān)控系統(tǒng)實時獲取泵站的運行數(shù)據(jù)，并將其顯示在遠程監(jiān)控界面上。

第六步，報警和異常處理，當監(jiān)控指標超過設(shè)定的數(shù)據(jù)指標或出現(xiàn)異常情況時，監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，操作員可以及時采取措施進行處理，保證泵站正常運行。

3.3 故障診斷維修

基于智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)可以提供高效且智能化的故障診斷和維修功能。以下是根據(jù)泵站運維技術(shù)人員對泵站運行時故障診斷和維修的具體設(shè)計。

3.3.1 故障診斷

建立故障診斷數(shù)據(jù)庫，收集和整理泵站的歷史故障數(shù)據(jù)，并構(gòu)建一個故障診斷數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中應(yīng)包括故障類型、典型故障特征、可能的原因和解決方案等信息。采用機器學習和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，利用機器學習算法（例如分類、聚類和回歸等）和數(shù)據(jù)分析方法對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，從而自動識別和分類泵站故障。該文基于故障診斷數(shù)據(jù)庫和算法，設(shè)計故障診斷引擎，能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行故障診斷，并輸出診斷結(jié)果。具體泵站故障計算如公式（5）所示。

式中：FI為泵站故障指數(shù)；A為故障特征值；B為權(quán)重系數(shù)；∑為求和指示。

根據(jù)泵站的不同故障特征，為每個特征賦予相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，對各特征值的加權(quán)求和得到故障指數(shù)。當故障指數(shù)超過一定閾值時，可以判斷存在故障。

3.3.2 故障報警和通知

定義各種故障類型的報警規(guī)則，包括閾值設(shè)定、故障模式識別等。當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值或觸發(fā)特定故障模式時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)報警。將報警信息發(fā)送給泵站專業(yè)技術(shù)人員，可以通過手機短信、電子郵件和應(yīng)用程序通知等方式進行通知。技術(shù)人員可以及時了解故障信息，并采取相應(yīng)的維修行動。根據(jù)故障嚴重程度，將報警劃分為以下幾點不同的級別，以便運維人員根據(jù)緊急程度進行相應(yīng)的處理。

3.3.2.1 閾值報警

當監(jiān)測參數(shù)超過或低于設(shè)定的閾值時觸發(fā)報警。例如當泵站壓力超過預(yù)設(shè)的最大值或低于最小值時，觸發(fā)報警。

3.3.2.2 故障模式識別

基于歷史故障數(shù)據(jù)和模式識別算法，建立故障模型，當檢測到與已知故障模式相似的運行狀態(tài)時觸發(fā)報警。

3.3.2.3 異常檢測

使用統(tǒng)計分析方法或機器學習算法，檢測監(jiān)測參數(shù)的異常行為。當監(jiān)測參數(shù)的變化超出正常范圍時，觸發(fā)報警。

3.3.2.4 維修工單管理

當發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動生成維修工單，包括故障描述、緊急程度和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄等。根據(jù)技術(shù)人員的工作負載和專業(yè)技能，將維修工單分派給合適的人員?？梢钥紤]技能匹配度、工作負荷均衡等因素進行分派。技術(shù)人員可以查看和更新工單狀態(tài)、記錄維修過程、添加備注等信息。管理人員可以隨時跟蹤工單進展情況，確保及時維修和關(guān)閉工單。

3.3.2.5 維修記錄和知識庫

系統(tǒng)應(yīng)記錄每次維修的詳細信息，包括故障描述、維修措施以及使用的零件等。維修記錄可用于故障分析、評估維修效果和未來維修。

3.3.2.6 知識庫和經(jīng)驗分享

建立一個知識庫，包括存儲泵站維修的經(jīng)驗、故障處理方法和維修手冊等信息。技術(shù)人員可以在維修過程中參考知識庫，獲取相關(guān)信息和建議。

3.3.2.7 數(shù)據(jù)分析和改進

對故障診斷和維修過程的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)潛在的問題和改進機會。例如可以分析常見故障類型、故障頻率以及維修耗時等指標，并提供報表和圖表進行可視化展示。性能改進建議：基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，系統(tǒng)可以提供性能改進的建議，例如優(yōu)化維護計劃、升級設(shè)備和改進工藝等，以提高泵站的穩(wěn)定性和可靠性。

通過智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)，可以實現(xiàn)故障診斷和維修的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、快速響應(yīng)和預(yù)防性維護，提高泵站設(shè)備的可靠性和運行效率[3]。具體操作流程如圖3 所示。

圖3 故障診斷維修流程

如圖3 所示，基于泵站故障運維系統(tǒng)的監(jiān)測是通過不同類型的傳感器對泵站運行數(shù)據(jù)的掃描篩選實現(xiàn)的。例如通過溫度傳感器中Pt100 系列鉑熱電阻測量泵站內(nèi)水溫，將所測溫度物理量轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換后的電子信號及時掌握泵站水溫運行狀況；鉑熱電阻的電阻值與溫度如公式（6）所示。

式中：Pt為溫度t時的阻值；Pt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應(yīng)的電阻值；a 為溫度系數(shù)；將溫度傳感器所測部件傳送至PLC 模塊進行處理，從而協(xié)助總控制端控制泵站的運行狀態(tài)。

3.4 安全管理

泵站安全管理在基于綜合智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)設(shè)計中具有重要的作用，其操作要求如下：1）用戶權(quán)限管理。根據(jù)泵站安全管理的需求，設(shè)定不同的用戶角色，例如管理員、操作員和維護人員等，并為每個角色分配相應(yīng)的權(quán)限。2）訪問控制。通過用戶名和密碼進行身份驗證，確保只有經(jīng)過授權(quán)的用戶可以訪問和操作系統(tǒng)。3）安全事件記錄與分析。系統(tǒng)負責記錄所有安全事件的詳細信息，包括時間、地點、事件類型以及責任人等，對安全事件進行分析和統(tǒng)計，以便發(fā)現(xiàn)潛在的安全問題。4）改進措施跟蹤。系統(tǒng)追蹤安全評估的結(jié)果和改進措施的執(zhí)行情況，確保及時解決安全問題。

泵站運維系統(tǒng)考慮安全管理，包括訪問控制、權(quán)限管理和數(shù)據(jù)加密等措施，以保護泵站數(shù)據(jù)的安全和機密性。同時，系統(tǒng)支持故障日志記錄和安全審計功能，以便追蹤和分析故障事件，保障泵站安全運行。

4 試驗分析

4.1 試驗準備

為保證基于綜合智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，通過模擬試驗測試系統(tǒng)的性能。試驗測試須準備PowerVaultME5 系列的中央處理器，該處理器具有16GB 的控制內(nèi)存，可混合其他驅(qū)動器的SED，為采集與存儲數(shù)據(jù)提供強大的性能與容量。采用JG-880OSNDIRCC2 系列高清遠程監(jiān)控器，監(jiān)測泵站運行狀態(tài)。提供Web 客戶端、WAP 手機端與ME5 處理器連接，通過遠程系統(tǒng)進行操作。通過采集實用、可靠的數(shù)據(jù)信息，以支撐試驗的準確性與可信度，為泵站的監(jiān)測、控制和優(yōu)化提供支持。

4.2 試驗結(jié)果

試驗開始前，根據(jù)試驗所需準備相應(yīng)的試驗工具以及試驗場地，保障試驗過程中相關(guān)人員的安全。使用精確的采集工具采集與泵站運行相關(guān)的重要參數(shù)。例如，對不同型號的泵機進行測驗，采集泵站的揚程系數(shù)、泵站流量以及泵站運行的效率等數(shù)據(jù)，同時測試遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行速率及抗壓能力。結(jié)合以上采集數(shù)據(jù)對智能管控平臺泵站運維系統(tǒng)進行詳細分析，并生成詳細的試驗報告，對該系統(tǒng)運行效率、穩(wěn)定性進行評估，通過試驗中呈現(xiàn)的問題以及需要改進的地方，提出相應(yīng)的解決方案。試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

由表1 的試驗數(shù)據(jù)可知，通過試驗測試智能管控平臺泵站運維系統(tǒng)的運行效率，當不同型號的泵機工作時，流量的輸送速度發(fā)生變化，其中，當泵機運行時，A4流量為31.61m3/s，與A3、A2、A1相比，泵機效率呈穩(wěn)定上升的趨勢，這說明當流量速率不同時，該系統(tǒng)能正常運行，穩(wěn)定性與可靠性較好。隨著流量增加系統(tǒng)的效率提高，隨著揚程遞增，運行效率遞增的趨勢較為穩(wěn)定，說明該系統(tǒng)的硬件設(shè)備性能、抗壓性較強。此外，智能管控平臺泵站運維系統(tǒng)可通過遠程監(jiān)控功能，實時對泵站運行狀態(tài)進行監(jiān)測，提高泵站設(shè)備運行的安全性，通過系統(tǒng)的故障預(yù)警維修以及安全管理功能可以及時發(fā)現(xiàn)泵站故障點以及原因，為維修人員提供遠程技術(shù)支持，能夠在縮短設(shè)備維修時間的同時將故障原因及解決方案進行總結(jié)，存儲至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為未來的運維操作提供數(shù)據(jù)報告。因此，基于綜合智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)提高了泵站的運行效率。

5 結(jié)語

基于綜合智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)的設(shè)計為泵站管理以及運維人員提供了良好的工作環(huán)境，提高泵站運行的性能。首先，該文通過實際需求對泵站運維系統(tǒng)硬件進行選型；其次，通過系統(tǒng)具體設(shè)計的方案，對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計，其中包括泵站運營數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、故障診斷維修以及安全管理等模塊，旨在提升泵站運維系統(tǒng)的監(jiān)測以及管理運維等方面。通過智能管控平臺的泵站運維系統(tǒng)的設(shè)計，以期為水利工程的發(fā)展提供有效的幫助，推動水利工程發(fā)展的步伐。在未來的研究中，應(yīng)進一步完善與改進泵站運維系統(tǒng)，從而滿足智能系統(tǒng)設(shè)計與實際應(yīng)用中的多樣性、復(fù)雜性的新要求，提升智能泵站運維系統(tǒng)在不同場景中的應(yīng)用適應(yīng)性與可靠性。