劉瀏昊知，何青巖

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200）

1 引言

在水利工程建設(shè)范圍不斷擴(kuò)大的背景下， 水利工程內(nèi)部設(shè)備不斷增加，不同設(shè)備管理方法具有一定差異，使工程管理工作面臨較大的難題。 而智慧泵站平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控泵站設(shè)備，在分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上自動(dòng)開(kāi)展遠(yuǎn)程管理，避免設(shè)備空載運(yùn)行，提高整體調(diào)度水平。 因此，探究智慧泵站平臺(tái)在水利工程管理中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 智慧泵站平臺(tái)背景概述

智慧泵站平臺(tái)起源于地區(qū)間水資源分配不均。 2009 年至今，灌溉排水泵站更新改造不斷推進(jìn)，智慧泵站平臺(tái)走入灌溉排水泵站管理層面，為泵站規(guī)范化管理提供了充足的支持。 當(dāng)前，我國(guó)智慧泵站平臺(tái)的市場(chǎng)化應(yīng)用范圍仍然較小，建設(shè)基礎(chǔ)較為薄弱，在未來(lái)國(guó)家投資力度不斷加大的背景下，智慧泵站平臺(tái)的建設(shè)范圍將進(jìn)一步拓展。 同時(shí)在泵站管理使用率低、檢修維護(hù)不到位、空載運(yùn)行、高能耗等困難不斷突出的背景下，智慧泵站平臺(tái)將成為現(xiàn)代泵站建設(shè)的重要方向[1]。

3 智慧泵站平臺(tái)的功能分析

3.1 智能監(jiān)控

智能監(jiān)控是智慧泵站平臺(tái)的主要功能。 在智慧泵站平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，可以借助監(jiān)控?cái)z像頭、智能傳感器，24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控泵站所在區(qū)域氣象、水位以及電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。 同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控泵站變頻器、水泵、流量計(jì)及設(shè)備控制器狀態(tài)，在平臺(tái)端隨時(shí)查看，為設(shè)備管理提供充足的數(shù)據(jù)支持。

3.2 故障報(bào)警

故障報(bào)警是智慧泵站平臺(tái)的功能之一。 在泵站設(shè)備出現(xiàn)故障表現(xiàn)時(shí)，智慧泵站平臺(tái)可以自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并自動(dòng)將報(bào)警信息推送到管理者手機(jī)端、電腦端，便于壓縮泵站設(shè)備故障管理控制延時(shí)，為泵站工作流程順利推進(jìn)提供依據(jù)。

3.3 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制在智慧泵站平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中表現(xiàn)較為突出。 在智慧泵站平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中， 可以根據(jù)需要經(jīng)設(shè)備快線診斷并修改泵站設(shè)備控制器程序，保障泵站設(shè)備維護(hù)效率，也可以根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)將管理指示傳遞到泵站， 高速低延遲， 斷網(wǎng)續(xù)傳（網(wǎng)絡(luò)修復(fù)后自動(dòng)傳輸），遠(yuǎn)程自動(dòng)控制泵組啟動(dòng)或停止，精簡(jiǎn)泵站管理流程，保障泵站設(shè)備精準(zhǔn)、安全、高效運(yùn)行。

3.4 可視化

智慧泵站平臺(tái)終端具有組態(tài)監(jiān)控的特點(diǎn)， 可以直接拖拉繪制泵站運(yùn)行畫面，綁定泵站設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成對(duì)泵站工藝流程的可視化展現(xiàn)。 同時(shí)，從多個(gè)維度整合泵站設(shè)備數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)圖表的形式進(jìn)行可追溯分析，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，輔助泵站管理決策[2]。

4 智慧泵站平臺(tái)在水利工程管理中的價(jià)值

4.1 降低維修等待時(shí)間

傳統(tǒng)水利工程泵站管理中維修工作量大， 因無(wú)法實(shí)時(shí)掌握液位、水位、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，加之汛期緊急狀況下人工數(shù)據(jù)記錄時(shí)間消耗，導(dǎo)致維修等待時(shí)間較長(zhǎng)。 而通過(guò)搭建智慧泵站平臺(tái)， 可以遠(yuǎn)程自動(dòng)采集泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)， 遠(yuǎn)程自動(dòng)維護(hù)泵組設(shè)備，降低維修等待時(shí)間，提升泵站運(yùn)行維護(hù)效率。

4.2 減少設(shè)備空載運(yùn)行

智慧泵站平臺(tái)打破了泵站設(shè)備之間信息交互的壁壘，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息分布數(shù)字化。 泵站內(nèi)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)為紐帶，可以實(shí)時(shí)傳遞運(yùn)行狀態(tài)信息， 智慧泵站平臺(tái)中心則實(shí)時(shí)更新設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析進(jìn)行控制管理，加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管控，減少泵站內(nèi)設(shè)備空載運(yùn)行情況，為設(shè)備運(yùn)行效益提高提供依據(jù)[3]。

4.3 提高整體調(diào)度水平

智慧泵站平臺(tái)是針對(duì)傳統(tǒng)泵站存在不足而研制的專用裝置。 智慧泵站平臺(tái)內(nèi)配置有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、專用控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集器等智能設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)泵站的可視化遠(yuǎn)距離監(jiān)控與自動(dòng)控制。 高度智能的泵站平臺(tái)，可以在減少人為工作量的同時(shí)，整體提高泵站調(diào)度水平，為泵站可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

4.4 強(qiáng)化管理成本控制

泵站是水利工程的重要組成部分，在防洪儲(chǔ)水、確保灌溉安全等方面具有重要意義。 傳統(tǒng)泵站具有結(jié)構(gòu)松散、泄露風(fēng)險(xiǎn)高、占地面積大、匹配度差等問(wèn)題，管理成本風(fēng)險(xiǎn)較高。 而引入智慧泵站管理平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)控制， 并及時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況自適應(yīng)調(diào)整優(yōu)化，強(qiáng)化泵站管理成本控制，提高工程管理效益[4]。

5 智慧泵站平臺(tái)在水利工程管理中的應(yīng)用

5.1 智慧泵站平臺(tái)架構(gòu)

智慧泵站平臺(tái)主要對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)搭配工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)，結(jié)合水利工程個(gè)性化管理需求，集成遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)維護(hù)與管理模塊。

如圖1 所示， 智慧泵站平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)主要包括泵站監(jiān)控中心、工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)、PLC（可編程邏輯控制器）、攝像頭幾個(gè)部分。 其中，泵站監(jiān)控中心主要包括站點(diǎn)監(jiān)控中心、工程監(jiān)控中心、移動(dòng)手機(jī)端（微信、電子郵件等）等。 泵站智能中心可以經(jīng)4G/5G、以太網(wǎng)與工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)交互，工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)集成攝像頭視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及PLC 控制下的流量計(jì)、變頻器與水泵監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。 而水利工程管理者可以經(jīng)電腦、手機(jī)等終端隨時(shí)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)泵站內(nèi)狀態(tài)， 并經(jīng)設(shè)備快線完成站段、泵站PLC 的遠(yuǎn)程配置預(yù)更新，實(shí)現(xiàn)泵站智能化管理，營(yíng)造無(wú)人值守氛圍。

圖1 智慧泵站平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)

在水利工程管理過(guò)程中， 智慧泵站平臺(tái)可以根據(jù)執(zhí)行指令現(xiàn)場(chǎng)控制各個(gè)泵站操作情況，將操作情況安全、高效地傳輸給工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)，基于工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸，為異地遠(yuǎn)程服務(wù)監(jiān)控、水利調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析與指令下達(dá)提供依據(jù)。 從現(xiàn)場(chǎng)操作端配置來(lái)看，除視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭外，還包括水質(zhì)監(jiān)控用流量計(jì)、可編程邏輯控制器、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控用傳感器（將若干振動(dòng)傳感器安裝到電機(jī)端采集機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)并傳送到智慧泵站平臺(tái)）等。 先經(jīng)手機(jī)軟件或第三方微信登錄到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泵站現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)觀看[5]。 再經(jīng)流量計(jì)對(duì)現(xiàn)有水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 并將實(shí)時(shí)區(qū)域水質(zhì)傳遞到智慧泵站平臺(tái)后臺(tái)， 后臺(tái)按照前期設(shè)定公式分析結(jié)果反饋給上位機(jī)，為區(qū)域調(diào)水提供依據(jù)。 而可編程邏輯控制器由上位機(jī)、 下位機(jī)組成， 上位機(jī)為組態(tài)界面集成了泵站運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、操作按鈕、歷史數(shù)據(jù)、記錄報(bào)警數(shù)據(jù)、水利工程三維模型等，在實(shí)時(shí)顯示泵站運(yùn)行情況的同時(shí)，判定水泵機(jī)組設(shè)備是否處于異常工作狀態(tài)，若是，則提前發(fā)出警報(bào)，最大限度地降低水泵機(jī)組故障損失；下位機(jī)負(fù)責(zé)控制水泵、閘門、電動(dòng)閥等自動(dòng)化設(shè)備，負(fù)責(zé)與變頻器配合變送各個(gè)傳感器的信號(hào)，涵蓋了設(shè)備軸承溫度信號(hào)、設(shè)備定子信號(hào)、設(shè)備電壓、上游水位信號(hào)、下游水位信號(hào)、揚(yáng)程信號(hào)等。 在發(fā)現(xiàn)泵站內(nèi)設(shè)備溫度超出設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)后啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)模塊，關(guān)停機(jī)器，或者在發(fā)現(xiàn)泵站運(yùn)行荷載超出設(shè)計(jì)荷載時(shí)關(guān)停機(jī)器，一般閘門、水泵之間為聯(lián)鎖控制，可以在關(guān)停閘門的同時(shí)控制水泵停止運(yùn)行。

5.2 應(yīng)用過(guò)程

5.2.1 智能控制

智慧泵站管理平臺(tái)是監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)集成的結(jié)果，涉及了水利自動(dòng)化、信息化、現(xiàn)代化建設(shè)的諸多方面。 在依托現(xiàn)場(chǎng)控制單元、現(xiàn)場(chǎng)傳感器、顯示設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)站控單元、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備與軟件、電力線纜等設(shè)備完成泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上， 可以在平臺(tái)端根據(jù)需要瀏覽保護(hù)運(yùn)行監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、巡視路線圖、主接線圖、低壓主接線圖、直流系統(tǒng)圖、主畫面、水系統(tǒng)圖、溫度監(jiān)視圖、運(yùn)行報(bào)表、水位曲線等，或者點(diǎn)擊 “事件查詢” 按鈕查詢特定事件，根據(jù)查詢信息進(jìn)行主輔機(jī)智能控制以及故障遠(yuǎn)程處理。 比如，主機(jī)自動(dòng)開(kāi)機(jī)控制時(shí)，首先，判定電子絕緣電阻、轉(zhuǎn)子絕緣電阻、勵(lì)磁工況均處于合格狀態(tài)，打開(kāi)主電機(jī)冷卻通風(fēng)機(jī)風(fēng)門，準(zhǔn)備自動(dòng)開(kāi)機(jī)（或手動(dòng)確認(rèn)）；其次，打開(kāi)冷卻水電動(dòng)球閥，冷卻水示波信號(hào)正常，若不正常重新嘗試或手動(dòng)去人。 同時(shí)勵(lì)磁運(yùn)行方式為恒電流方式；再次，確定葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制方式為自動(dòng)，并自動(dòng)將葉片角度調(diào)整為-6°。 同時(shí)，確定主機(jī)開(kāi)關(guān)控制方式為遠(yuǎn)程控制，開(kāi)關(guān)手車至工作位置，開(kāi)關(guān)未儲(chǔ)能，合上主機(jī)開(kāi)關(guān)分閘；最后，關(guān)閉真空閥循環(huán)調(diào)度，將葉片調(diào)節(jié)到運(yùn)行角度。 而主機(jī)自動(dòng)停機(jī)流程與自動(dòng)開(kāi)機(jī)流程相反， 需要先準(zhǔn)備開(kāi)關(guān)控制至遠(yuǎn)方位置，拉開(kāi)主機(jī)分閘、真空循環(huán)閥，再調(diào)整開(kāi)關(guān)手車至試驗(yàn)位置、葉片調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)控制方式為自動(dòng)。

5.2.2 調(diào)度優(yōu)化

受江河潮位頂托，泵站運(yùn)行期間能量損耗變化較為劇烈，特定時(shí)期能量損耗較高。 基于此，依托智慧泵站管理平臺(tái)，利用三維插值方法，構(gòu)建泵組運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，離散優(yōu)化處理泵站運(yùn)行時(shí)段，構(gòu)建目標(biāo)時(shí)間段泵站運(yùn)行的狀態(tài)矩陣，最終在可行解集內(nèi)進(jìn)行開(kāi)機(jī)時(shí)長(zhǎng)、葉片角度、開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)的限定。 進(jìn)而借助遺傳算法尋求目標(biāo)時(shí)間段泵站運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的最優(yōu)解，解決江河潮位頂托工作狀況下泵站能量損耗過(guò)高的問(wèn)題， 為泵站降本增效運(yùn)行提供依據(jù)， 實(shí)現(xiàn)水利工程管理經(jīng)濟(jì)效益最大化。 在基于智慧泵站管理平臺(tái)的泵站優(yōu)化調(diào)度期間，首先，人工輸入流量需求、泵站機(jī)組熱備狀態(tài)與優(yōu)化調(diào)度模式；其次，自動(dòng)加載泵站特性曲線、歷史潮位信息與當(dāng)前上游、下游水位信息；再次，預(yù)先估測(cè)未來(lái)24 h 下游水位揚(yáng)程；最后，進(jìn)行時(shí)段離散化， 將時(shí)間影響因素轉(zhuǎn)換為一個(gè)變量， 直接輸出優(yōu)化結(jié)果，并以圖形方式展示優(yōu)化結(jié)果。

5.3 應(yīng)用展望

智慧泵站平臺(tái)有效聯(lián)系了人與物、人與人、物與物，實(shí)現(xiàn)了泵站內(nèi)設(shè)備與終端、設(shè)備與設(shè)備之間信息共享，為場(chǎng)景預(yù)先估測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、異常狀態(tài)預(yù)先警報(bào)、故障診斷提供了依據(jù)。 特別是綜合調(diào)度、智能流量控制參數(shù)的應(yīng)用，可以為水利工程管理可視化、科學(xué)化提供依據(jù)。 但是，當(dāng)前水利工程內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，自動(dòng)化控制水平不足，部分電灌站仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、智能化要求。 基于此，在未來(lái)智慧泵站平臺(tái)打造期間，應(yīng)納入水利工程設(shè)備自動(dòng)化控制內(nèi)容，從底層出發(fā)，逐步向應(yīng)用層遞進(jìn)。 即從水利工程內(nèi)部陳舊設(shè)備自動(dòng)化改造著手，進(jìn)行智能傳感器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配備，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的搭建，推動(dòng)泵站同步改造，為智慧泵站平臺(tái)在泵站管理中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮提供依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智慧泵站平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)化設(shè)備有機(jī)結(jié)合的成果，集成應(yīng)用了智能裝備、大數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)、智能傳感器、視頻監(jiān)控、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控泵站現(xiàn)有設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制。 同時(shí)，實(shí)時(shí)掌握泵站多類信息及數(shù)據(jù)，解決泵站信息不對(duì)稱、排澇不及時(shí)、能源損耗多、運(yùn)維成本高等問(wèn)題。 因此，水利工程管理人員應(yīng)根據(jù)管理實(shí)況，合理應(yīng)用智慧泵站平臺(tái)，充分發(fā)揮智慧泵站平臺(tái)在水利工程管理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，確保工程可靠、節(jié)能、高效、安全運(yùn)行。