孫 毅，邵知宇，束長寶，徐 進(jìn)，丁衛(wèi)星，房 飛

（1.南水北調(diào)江蘇泵站技術(shù)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225006；2.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 概 述

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、大數(shù)據(jù)以及移動終端等技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧水利已經(jīng)成為水利現(xiàn)代化建設(shè)的著力點(diǎn)和突破口。國內(nèi)水電站、泵站等大型工程，已建有基于物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等技術(shù)的智能水利平臺，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、視頻圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)測以及遠(yuǎn)程控制，初步實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。如房靈常等［1］運(yùn)用智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等結(jié)合智能泵站的要求進(jìn)行了技術(shù)探討，為泵站現(xiàn)代化建設(shè)提供參考；唐鴻儒等［2］系統(tǒng)介紹了智能泵站系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)了統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺中的數(shù)據(jù)建模、異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和整合、智能存儲策略、數(shù)據(jù)共享發(fā)布4個部分要求，為泵站運(yùn)行智能化改造提供參考。目前國內(nèi)水電站、泵站等工程的發(fā)展已具有良好基礎(chǔ)，初步形成了行業(yè)規(guī)范。

為順應(yīng)智慧水利的發(fā)展，提升所管理項(xiàng)目的信息化水平，南水北調(diào)江蘇泵站技術(shù)有限公司已完成智能遠(yuǎn)程排水控制系統(tǒng)的開發(fā)，運(yùn)用邊緣控制器、手機(jī)App、云平臺、4G/5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)閘站的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)視頻圖像傳輸，并在大修項(xiàng)目中進(jìn)行日常應(yīng)用。然而在工程實(shí)際應(yīng)用和工程管理過程中，目前智慧水利平臺仍存在2 個方面的問題：一是信息集中監(jiān)測應(yīng)用平臺普遍采用有線專用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，適用于交通便利、基礎(chǔ)設(shè)施較為方便的大型泵站，并不適用于偏遠(yuǎn)的小型泵站或水閘，其需要完善基礎(chǔ)設(shè)施工程，組網(wǎng)成本過高且工作量巨大；二是信息集中監(jiān)測應(yīng)用通常針對場景需求定向開發(fā)的平臺，并不具有通用性，水源公司泵站閘門數(shù)量眾多、地域分散，定向開發(fā)的運(yùn)維平臺在實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化管理方面可擴(kuò)展性大為受限，且平臺二次開發(fā)的人力物力成本昂貴。

為解決智慧水利平臺運(yùn)行管理中存在的上述問題，本研究提出了一套城市排澇泵站遠(yuǎn)程集控智能化改造方案。擬通過本研究，在泵站公司集控中心搭建工程運(yùn)行信息集中監(jiān)測應(yīng)用平臺，以公司管理的某科創(chuàng)園區(qū)內(nèi)排水泵站為試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)城市排澇泵站遠(yuǎn)程集控智能化改造。

2 改造要求

2.1 現(xiàn)場條件

某科創(chuàng)園區(qū)內(nèi)城市排澇泵站包括雨水泵站9座，共同負(fù)責(zé)園區(qū)內(nèi)雨水積水的排澇工作。其中，試點(diǎn)城市排澇泵站包含有前池、蓄水池、4臺排水泵及其現(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)和變電設(shè)備。園區(qū)雨水經(jīng)集水管道匯集至前池后流入蓄水池，前水池墻壁有水位刻度尺，用于觀察當(dāng)前水位情況。現(xiàn)場需24 h專人值班，時(shí)刻觀察前池水位情況，并根據(jù)天氣情況和經(jīng)驗(yàn)確定排水泵的啟停以及同時(shí)工作的排水泵臺數(shù)?，F(xiàn)場電氣控制設(shè)備仍需進(jìn)行手動操作，電壓、電流、功率、水位等信息未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳和遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和水位安全受工作經(jīng)驗(yàn)、熟練程度等人為因素影響，在遭遇惡劣天氣情況下極易出現(xiàn)險(xiǎn)情。排澇泵站所處位置偏遠(yuǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施不全、生活條件艱苦，不適合工作人員長期值守。此外，各排澇泵站分散分布，存在信息溝通不及時(shí)、不準(zhǔn)確而引發(fā)險(xiǎn)情的風(fēng)險(xiǎn)。這些因素極大降低了園區(qū)排澇泵站管理效率和運(yùn)行水平，增加了人力、物力成本。因此，對現(xiàn)有泵站運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測控智能化改造，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控和智能運(yùn)行勢在必行。

2.2 技術(shù)要求

所選城市排澇泵站主要負(fù)責(zé)范圍內(nèi)雨水積水排澇，實(shí)行遠(yuǎn)程集控智能化改造的主要目標(biāo)有：對原手動控制的水泵現(xiàn)地控制設(shè)備進(jìn)行自動化改造，在保留現(xiàn)地手動控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測泵站運(yùn)行環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，對現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能；搭建與集控中心的通信網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)頁端和移動端開發(fā)泵站運(yùn)行管理應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，經(jīng)營管理層能以App 與網(wǎng)頁客戶端等形式，實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程掌握項(xiàng)目現(xiàn)場的運(yùn)行信息。一方面可提升各經(jīng)營、管理項(xiàng)目的信息化程度，推動水利工程管理信息化、智慧化進(jìn)程；另一方面，提升集控中心信息化水平、運(yùn)行管理形象，豐富遠(yuǎn)程集控功能的多樣性。通過應(yīng)用平臺，可以統(tǒng)籌公司管理項(xiàng)目與經(jīng)營項(xiàng)目的值班工作，以減少項(xiàng)目現(xiàn)場運(yùn)行人員配置，從而降低人工成本，提高項(xiàng)目運(yùn)行管理效率。

3 改造方案

3.1 方案框架

根據(jù)南水北調(diào)智能泵站建設(shè)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)以及所選試點(diǎn)排澇泵站的現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)了面向城市排澇泵站的智能化改造方案，其架構(gòu)如圖1所示，主要為現(xiàn)地控制設(shè)備的智能化改造、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺部署與應(yīng)用開發(fā)2 個部分。其中，現(xiàn)地控制設(shè)備的智能化改造又包括參數(shù)采集以及智能控制2 個部分工作。首先，要增加泵站運(yùn)行各類參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行全方位感知；其次，要搭建現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，將各類?shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸存儲，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水泵的智能化管理與控制。

圖1 面向城市排澇泵站的智能化改造方案框架

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的部署與應(yīng)用開發(fā)主要工作包括在集控中心部署supOS 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺［3］，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與集控中心數(shù)據(jù)的傳輸，并開發(fā)應(yīng)用程序，模塊化展示監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制操作設(shè)備。

3.2 設(shè)計(jì)現(xiàn)地電氣控制柜

現(xiàn)地控制改造要求是在原有排澇泵站的電氣控制的基礎(chǔ)上增加一套現(xiàn)地智能控制裝置，實(shí)現(xiàn)對排澇泵站多臺水泵機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)控。內(nèi)容包括增加遠(yuǎn)程智能測控裝置、傳感器，改造原有的電氣控制柜等。增加電池儲能，保證智能控制柜的供電，發(fā)生外部電源斷電的情況下能夠保證PLC、路由器的正常工作。同時(shí)，在外部動力電源恢復(fù)的情況下，為了確保安全，PLC需要重新初始化。

根據(jù)智能化改造要求，每臺機(jī)組的所需采集的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制點(diǎn)如下：（1）開關(guān)量輸入（DI）：電源信號、軟啟動運(yùn)行、軟啟動器故障、水泵故障、旁路接觸器KM動作、電動閥開關(guān)狀態(tài)、電動閥開關(guān)限位信號；（2）電氣參數(shù)：三相電流、電壓、功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù)（通過Modbus 通訊）；（3）開關(guān)量輸出（DO）：機(jī)組運(yùn)行、軟啟動器啟動停止、電動閥開關(guān)控制等等；（4）公共數(shù)據(jù)：兩路進(jìn)水池水位信號（AI 模擬量輸入），環(huán)境溫度、濕度（通過Modbus 通訊），遙控信號包括排氣扇，照明燈等控制，視頻監(jiān)視設(shè)備。

3.3 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控

遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)的改造主要有3個方面：（1）利用無線網(wǎng)絡(luò)對需要接入的城市排澇泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程異地組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境、電氣參數(shù)信息和視頻監(jiān)控信息的遠(yuǎn)程傳輸；（2）在集控中心搭建通用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可與接入的城市排澇泵站實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，且支持后續(xù)擴(kuò)展;（3）在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（supOS系統(tǒng)）上進(jìn)行工程運(yùn)行信息集中監(jiān)測應(yīng)用平臺開發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁端和移動端的現(xiàn)場運(yùn)行信息實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)改造要求，本項(xiàng)目引入了supOS 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，并部署在泵站公司集控中心，通過搭建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是中國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)操作系統(tǒng)，基于通用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)提供數(shù)據(jù)接口、模型管理平臺以及開放的應(yīng)用開發(fā)工具。圖2是基于supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工程運(yùn)行信息集中監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖, 整個系統(tǒng)由交互終端、supOS 平臺、通信層和現(xiàn)場層4 個部分組成。交互終端直接面向操作管理人員，包括網(wǎng)頁客戶端以移動終端App，向泵站管理人員和操作者提供各類交互和服務(wù)；supOS平臺部分布置在集控中心，支持各種常見采集設(shè)備的通信協(xié)議，負(fù)責(zé)通過網(wǎng)關(guān)路由設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場采集的視頻信息和設(shè)備運(yùn)行電氣參數(shù)信息并傳輸至服務(wù)器，supOS 服務(wù)器一方面支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的部署與應(yīng)用程序的開發(fā)，另一方面通過VPN將應(yīng)用信息發(fā)布至網(wǎng)頁端和客戶端，供管理人員使用；通信層實(shí)現(xiàn)視頻采集和電氣參數(shù)采集設(shè)備與集控中心采集器進(jìn)行遠(yuǎn)程異地組網(wǎng)與通信；現(xiàn)場層實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，包括視頻信息監(jiān)測和電氣參數(shù)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測。

圖2 基于supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工程運(yùn)行信息集中監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 改造結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場智能化改造的要求，增加了一套PLC控制柜，通過安裝各類傳感器、搭建現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了前池水位的自動測量以及水泵和電磁閥電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，搭建了以4G模塊和無線專網(wǎng)為基礎(chǔ)的傳輸平臺，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至集控中心工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺［4］。

遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用App是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供的開發(fā)工具基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，開發(fā)出的集數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程控制等功能為一體的應(yīng)用平臺。主要功能有總貌展示、導(dǎo)航菜單、地圖導(dǎo)覽。設(shè)計(jì)了園區(qū)城市排澇泵站總貌界面，將泵站公司管理園區(qū)的9 個雨水排澇泵站整體信息進(jìn)行大屏展示，開發(fā)了導(dǎo)航菜單和地圖導(dǎo)覽，進(jìn)行沉浸式交互。

泵站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示將當(dāng)前泵站運(yùn)行過程中的重要運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)大屏展示。同時(shí)應(yīng)用在界面上方設(shè)計(jì)了信息切換欄導(dǎo)航，方便管理值班人員實(shí)時(shí)切換查看各類信息的詳細(xì)報(bào)表。遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用App 的數(shù)據(jù)報(bào)表功能是對運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示功能的補(bǔ)充，前者更適用于大屏展示，而數(shù)據(jù)報(bào)表則可以讓管理值班人員了解當(dāng)前泵站運(yùn)行時(shí)泵房和機(jī)組的各類詳細(xì)信息。遠(yuǎn)程控制模塊包括水泵機(jī)組控制以及泵房設(shè)施控制2個部分。水泵機(jī)組控制可通過Web 或移動端交互界面，點(diǎn)擊操作按鈕實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的遠(yuǎn)程啟停。泵房設(shè)施的控制則是泵房照明、排氣扇的開關(guān)控制。遠(yuǎn)程控制模塊信息傳輸通過專用網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立進(jìn)行，避免其他干擾，實(shí)現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程值班、無人值守。

5 結(jié) 語

研究提出了一種城市排澇泵站遠(yuǎn)程集控智能化改造方案，并以某城市排澇泵站為例，改造并實(shí)現(xiàn)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的城市排水泵站運(yùn)行的遠(yuǎn)程集控。主要成果如下：

（1）現(xiàn)場設(shè)備的智能化信息監(jiān)測。通過對現(xiàn)場原有老舊設(shè)備的智能化改造，實(shí)現(xiàn)了泵房運(yùn)行環(huán)境和水泵機(jī)組的智能化信息監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了部分設(shè)備的自動啟停和聯(lián)動控制，改善了排水泵站運(yùn)行條件，實(shí)現(xiàn)排水泵站的“智能運(yùn)行和無人值守”。

（2）現(xiàn)場運(yùn)行和管理的遠(yuǎn)程集控。通過搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用開發(fā)，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。開發(fā)了遠(yuǎn)程控制功能，可對水泵機(jī)組和泵房設(shè)施實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)了“無人值守和遠(yuǎn)程值班”。

（3）優(yōu)化運(yùn)行成本，減員提效。通過改造，實(shí)現(xiàn)了由24 h專人值守向遠(yuǎn)程值班和定期巡檢的轉(zhuǎn)變，原有值班人員由9 人專人值守加管理室4 人變?yōu)?人巡檢加集控中心2 人，大大縮減了泵站管理公司的運(yùn)維成本，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

城市排澇泵站遠(yuǎn)程集控智能化改造是一項(xiàng)兼具社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的重要工作，涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的綜合應(yīng)用，同時(shí)也是一項(xiàng)繁瑣復(fù)雜的工程。本項(xiàng)目以公司所管理的某科創(chuàng)園區(qū)內(nèi)城市排澇泵站為例，在傳統(tǒng)老舊排水泵站的智能化改造和優(yōu)化運(yùn)行的方案架構(gòu)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)平臺搭建、現(xiàn)場施工以及遠(yuǎn)程集控的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行探索，并取得了一定的成果。目前該泵站已經(jīng)進(jìn)行了無人值守、遠(yuǎn)程集控值班的試運(yùn)行。本項(xiàng)目實(shí)施方案的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對其他中小型泵站的智能化改造和遠(yuǎn)程集控運(yùn)行具有借鑒意義。