智能化泵站信息系統技術架構的設計和實現
「依托當今自動化、信息化技術的高速發展，市北泵站管理所利用設備更新改造為契機，通過采用中心主站集中監控、同步構建就地數據傳輸和控制系統的設計，使得自來水輸配泵站真正實現無人運行的控制管理模式。文章將以松花江泵站為案例，從通訊網絡、自動控制、振動監測、數據管理和遠程安防這五個板塊簡要介紹智能化泵站信息系統的技術架構、功能原理和運行狀況，并對將來的優化方向進行了展望。(2023-2-25)」
關鍵詞：智能化泵站;信息系統;遠程控制技術
中圖分類號：TP273.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）18-0103-04
Abstract： In the context of the rapid development of automation and information technology， Shibei Pumping Station Management Institute makes use of equipment renewal and transformation as an opportunity to adopt the design of centralized monitoring and synchronous construction of local data transmission and control system in the central main station. It makes the tap water transmission and distribution pumping station so as to truly realize the control and management mode of unmanned operation. Taking Songhua River pumping station as a case， this paper briefly introduces the technical architecture， function principle and operation status of intelligent pumping station information system from five parts： communication network， automatic control， vibration monitoring， data management and remote security. The optimization direction in the future is prospected.
Keywords： intelligent pumping station; information system; remote control technology
1 概述
市北泵站管理所成立于1995年7月，轄區下屬共有23座給水泵站，供水范圍主要包括上海市黃浦江以西、蘇州河以北的楊浦、虹口、普陀、靜安、寶山及嘉定部分區域，供水面積達到約580平方公里，服務人口超過1500萬。
泵站，作為水廠和用戶之間的重要樞紐，承擔著管網水水壓調節、區域水量調蓄輸配的任務，遵循供水調度指令來配合水廠，起到對供水管網“削峰補谷”的作用。隨著城市規模的不斷擴大，給水泵站在城市管網中的數量正在不斷地上升，依托當今自動化、信息化技術的應用普及，通過泵站設施設備的智能化更新和改造，采取完善設備層通訊能力和搭建數據監控信息化平臺的方式，使得改造后的泵站均能夠達到實現“設備遠程監控、現場無人化運行”的管控模式。
2 智能化泵站信息系統
簡單地說，智能化泵站就是指，通過網絡系統、利用工業控制手段，實現對遠程泵站生產設施、制水設備和環境狀態等多項運行管理領域進行集中監控的一種方法。
基于此理念，在位于市北泵站管理所行政總部的汶水綜合樓二樓，建設集中控制室（下稱“汶水中控室”），作為智能化泵站體系的控制中心和信息樞紐，形成以“汶水中控室”為核心、數據交互網絡為基礎、各種遠程監控方式為手段，通過對下屬泵站生產運行、設備狀態、安防情況等的實時數據分析，實現汶水中控室對下屬泵站各設備層級系統（機泵系統、電氣系統、加藥系統、真空系統、排水系統、排風系統、燈光系統、門禁系統、視頻監控、周界報警等等）的運行監控和設備管理。
松花江泵站，是轄區內一座較為典型的水庫增壓泵站，現場設清水庫2座（2萬m3/座，庫容達4萬立方米），泵房內配置6臺低壓380V機組（四增二庫），站點具備出水補氯的加藥能力。經常運行方式是一增一庫，夏季高峰期為2增1庫，作為規劃里完成自動化改造的第一批次站點，投入運行至今，泵站各個生產層級系統已逐漸趨于一個穩定運行的狀態。
信息技術架構。通訊網絡、自動控制、振動監測、數據管理以及遠程安防，這五大板塊構成了一整套的實時監控體系，支撐起松花江泵站的信息化技術基礎。
通訊網絡。
為保障數據傳輸的穩定、安全，實現汶水中控室與松花江泵站之間的數據鏈路連接，權衡經濟性和穩定性，采用中國電信PTN和中國聯通MSTP雙網有線入戶的形式，利用了“雙網負載均衡、熱備冗余”的技術，構建起數據交互的橋梁，通過配置和使用動態路由協議，達到實現故障線路自動切換和告警的功能。
從總體的網絡架構上說，雙運營商網絡的冗余專線形式，不單可以有效消除泵站網絡單點故障的風險，增加網絡的數據吞吐能力，還能為將來大量其他的網絡化生產、監控系統設備的后期改造接入做足準備（如圖1）。 自動控制。
自控設備硬件方面，作為遠程化控制技術執行層的核心，松花江泵站就地采用的是市面上比較主流的AB-1756系列產品，配置RM2冗余模組，確保實現CPU、以太網模塊的熱備自切功能，使得整個泵站的數據采集和指令執行，達到高效、穩定、安全的目標。
上位SCADA軟件方面，汶水中控室和松花江泵站本地的SCADA系統采用Wonderware System Platform 2014 R2平臺版組態軟件來聯合開發人機交互界面。采用基于網絡技術的標準C/S分布式構架，提供工業域服務和應用開發集中管理服務，通過系統平臺框架可簡化分布式信息與自動化應用的開發、部署、維護和管理（如圖2）。
工藝控制邏輯方面，在設計階段就以無人值守的理念將泵站生產層級系統的控制要求從工藝的角度劃分為三大塊，分別是“機組聯動開停系統”、“水庫自動進水系統”和“出水自動加藥系統”。
機組聯動開停系統：通過真空系統、水泵電機、出水電動閥門的控制配合，達到一步化機組開停的要求，滿足調度指令執行要求的同時，具備平衡調泵、啟動間隔保護、低限水位強制停機、流量和電流參控預警等泵機保護的功能。
水庫自動進水系統：按照設定的時間段，可自由選擇控流或控壓模式進行進水操作，自動調節水庫進水閥補水至設定的水庫液位。整個系統具備進水條件增刪、調流閥選定、庫容調節、液位計偏差修正、進水狀態異常告警等調校水庫進水精度的功能。
出水自動加藥系統：采取比例投加細控、余氯反饋值粗調的策略，在機組開啟狀態下，每隔一個調節周期作投加需求判定，按預設調整倍率去自動調節加藥泵的頻率給定，最終直至水藥比達到穩定值、當前余氯檢測值穩定運行在合格指標范圍內。同時，還需具備泵管和加注點組合切換、參控調節量手動調整、反沖洗程序定期提示介入等功能。
從泵站的數據采集與設備控制、泵站與汶水中控室之間的通訊鏈路到系統的數據存儲服務和執行控制的切換機制，均引入了冗余和負載均衡的設計理念，配以契合泵站無人值守理念的三大工藝控制邏輯功能，大大加強了整個松花江泵站自動控制系統的功能性、安全性與可靠性，同時也是改造后泵站體現智能化成果的一個重要方面。
振動監測。
通過在松花江泵站的機組上加裝在線的實時振動監測系統，對電機、水泵上各個點位的振動變化和轉速狀態進行實時的數據采集和記錄，對實時的振動超標可及時報警，以便現場維護人員采取相應的措施，避免、減緩和減少重大生產事故的發生;通過對歷史數據的分析可有效的預測出機組可能的故障趨勢（原因、程度和部位等），為機泵設備的在線調整、停機檢修提供科學依據，最終達到對設備的運行狀態做出評估（屬于健康、亞健康還是不健康）的功能，從而起到對于機泵故障預警預判的最終效果（如圖3）。
系統組成包括：前端傳感器（單機組含10個加速度（測振動幅值）、1個光電式（測實時轉速））、數據采集模塊、數據交互網關和就地監控服務器�，F場監控系統能夠實現實時數據采集、實時報警、顯示趨勢圖和就地數據存儲功能。在汶水中控室配置的泵管平臺上，也設立單獨的業務模塊，用于接收上傳的機泵振動監測系統實時和歷史數據，具有實時報警、趨勢形成、頻譜讀取、原因分析、數據儲存等組件，并能定期生成機泵狀態的結論報告。
數據管理。
在數據管理板塊，在設計時融合了各個管理專業的統計需求，采用了軟、硬件互備的SQL數據庫管理系統進行數據的采集和存儲，為松花江泵站制訂專屬的個性化電子報表。除了能達到對泵站運行數據的不間斷記錄外，還能清晰表現松花江站點的電耗、藥耗等情況，從而指導汶水中控室當班人員對機組進行平衡調泵、擇優啟停的操作指導。
設備架構上，松花江泵站設數據緩存服務器1臺，安裝AOS在線運行授權（Application Server 2014R2 Platform）、配置數據采集驅動（Device Integration Servers 2014R2），具備就地數據采集與監控功能，擔負與汶水中控室的數據交互任務，同時與泵站里的操作員站互為熱備;汶水中控室設數據庫服務器，安裝SQL2014、并配置冗余數據庫軟件（Historian Svr 2017 Standard， 25，000），作為Hisrorian歷史數據庫服務器，再配以存儲交換機（Dell Brocade 300）和磁盤陣列，達到數據存儲終端的功能。
遠程安防。
從泵站安全和無人運行的角度考量，設計上遵循先進、可靠、安全、實用、管理可控和維護簡便的原則，建立遠程視頻監控系統、遠程安防報警系統（包括電子圍欄報警、煙感、入侵等報警系統）、出入口車牌人臉識別系統、遠程門禁控制等子系統。
泵站就地安防系統主機設置在泵站中心控制室（值班室），泵站門衛室設立分控設備用于監視技防監控圖像、接收實時報警信息，確保所有數據、圖像和信息在松花江泵站本地都可以查詢。依靠雙網的負載均衡技術，此次在松花江泵站布置的56個高清攝像點位、15個門禁控制點、21個報警點位，均能夠通過汶水中控室的安防平臺上做到數據接收和統一監管，基本達到生產場所無死角、安全防范無盲區的效果。
這些遠程安全防范系統組成了松花江泵站的一張無形的防護網，在技術層面上為這座無人運行的泵站提供了最為穩定、效率的技防措施。
3 智能化泵站信息系統的發展展望
得益于上海水務集團和制水公司的項目資金和政策支持，市北泵站管理所轄區泵站的智能化改造進程日益加快，越來越多的先進設備和創新理念將予以實現和應用。從信息化技術層面上說，還有包括無線測溫與SCADA系統的數據并軌、上位控制系統與安防平臺的聯動預警、機泵健康診斷系統后期的分析應用、大數據整合分析（實時預警、報警系統和振動監測報警的融合）等等可以繼續優化和深入研究的方向。
隨著自控、網絡和信息技術的不斷發展，相信未來智能化泵站將朝著“使用更方便、響應更快捷，系統穩定性更高”的趨勢發展。通過在智能化泵站信息系統上建設、運行、管理和優化經驗的積累，同時繼續在實踐中整合優勢資源、順應時代潮流、吸納先進理念、嘗試新設備新技術，能夠不斷將“無人運行的智能化泵站”向“智慧泵站”的理念逐步推進，使我們城市的給水泵站運行得更加安全、效率和穩定。
參考文獻：
[1]錢曉龍，李曉.ControlLogix系統在給水處理行業中的應用[M].北京：機械工業出版社，2011：11.
[2]姜宏.無人值守泵站遠程監控的幾點探討[J].科技創新與應用，2017（03）：44.
[3]楊濤.泵站運行管理中的計算機自動控制系統設計和應用[J].科技創新導報，2018，15（17）：137-138.
[4]汪曉兵，李昆.泵站信息管理平臺的智能化建設[J].小水電，2019（05）：53-56.
[5]陸際雄，張維康.機泵健康評估系統用于水廠自動化控制系統的研究[J].工程建設與設計，2017（08）：207-208.
(EW32)
中圖分類號：TP273.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）18-0103-04
Abstract： In the context of the rapid development of automation and information technology， Shibei Pumping Station Management Institute makes use of equipment renewal and transformation as an opportunity to adopt the design of centralized monitoring and synchronous construction of local data transmission and control system in the central main station. It makes the tap water transmission and distribution pumping station so as to truly realize the control and management mode of unmanned operation. Taking Songhua River pumping station as a case， this paper briefly introduces the technical architecture， function principle and operation status of intelligent pumping station information system from five parts： communication network， automatic control， vibration monitoring， data management and remote security. The optimization direction in the future is prospected.
Keywords： intelligent pumping station; information system; remote control technology
1 概述
市北泵站管理所成立于1995年7月，轄區下屬共有23座給水泵站，供水范圍主要包括上海市黃浦江以西、蘇州河以北的楊浦、虹口、普陀、靜安、寶山及嘉定部分區域，供水面積達到約580平方公里，服務人口超過1500萬。
泵站，作為水廠和用戶之間的重要樞紐，承擔著管網水水壓調節、區域水量調蓄輸配的任務，遵循供水調度指令來配合水廠，起到對供水管網“削峰補谷”的作用。隨著城市規模的不斷擴大，給水泵站在城市管網中的數量正在不斷地上升，依托當今自動化、信息化技術的應用普及，通過泵站設施設備的智能化更新和改造，采取完善設備層通訊能力和搭建數據監控信息化平臺的方式，使得改造后的泵站均能夠達到實現“設備遠程監控、現場無人化運行”的管控模式。
2 智能化泵站信息系統
簡單地說，智能化泵站就是指，通過網絡系統、利用工業控制手段，實現對遠程泵站生產設施、制水設備和環境狀態等多項運行管理領域進行集中監控的一種方法。
基于此理念，在位于市北泵站管理所行政總部的汶水綜合樓二樓，建設集中控制室（下稱“汶水中控室”），作為智能化泵站體系的控制中心和信息樞紐，形成以“汶水中控室”為核心、數據交互網絡為基礎、各種遠程監控方式為手段，通過對下屬泵站生產運行、設備狀態、安防情況等的實時數據分析，實現汶水中控室對下屬泵站各設備層級系統（機泵系統、電氣系統、加藥系統、真空系統、排水系統、排風系統、燈光系統、門禁系統、視頻監控、周界報警等等）的運行監控和設備管理。
松花江泵站，是轄區內一座較為典型的水庫增壓泵站，現場設清水庫2座（2萬m3/座，庫容達4萬立方米），泵房內配置6臺低壓380V機組（四增二庫），站點具備出水補氯的加藥能力。經常運行方式是一增一庫，夏季高峰期為2增1庫，作為規劃里完成自動化改造的第一批次站點，投入運行至今，泵站各個生產層級系統已逐漸趨于一個穩定運行的狀態。
信息技術架構。通訊網絡、自動控制、振動監測、數據管理以及遠程安防，這五大板塊構成了一整套的實時監控體系，支撐起松花江泵站的信息化技術基礎。
通訊網絡。
為保障數據傳輸的穩定、安全，實現汶水中控室與松花江泵站之間的數據鏈路連接，權衡經濟性和穩定性，采用中國電信PTN和中國聯通MSTP雙網有線入戶的形式，利用了“雙網負載均衡、熱備冗余”的技術，構建起數據交互的橋梁，通過配置和使用動態路由協議，達到實現故障線路自動切換和告警的功能。
從總體的網絡架構上說，雙運營商網絡的冗余專線形式，不單可以有效消除泵站網絡單點故障的風險，增加網絡的數據吞吐能力，還能為將來大量其他的網絡化生產、監控系統設備的后期改造接入做足準備（如圖1）。 自動控制。
自控設備硬件方面，作為遠程化控制技術執行層的核心，松花江泵站就地采用的是市面上比較主流的AB-1756系列產品，配置RM2冗余模組，確保實現CPU、以太網模塊的熱備自切功能，使得整個泵站的數據采集和指令執行，達到高效、穩定、安全的目標。
上位SCADA軟件方面，汶水中控室和松花江泵站本地的SCADA系統采用Wonderware System Platform 2014 R2平臺版組態軟件來聯合開發人機交互界面。采用基于網絡技術的標準C/S分布式構架，提供工業域服務和應用開發集中管理服務，通過系統平臺框架可簡化分布式信息與自動化應用的開發、部署、維護和管理（如圖2）。
工藝控制邏輯方面，在設計階段就以無人值守的理念將泵站生產層級系統的控制要求從工藝的角度劃分為三大塊，分別是“機組聯動開停系統”、“水庫自動進水系統”和“出水自動加藥系統”。
機組聯動開停系統：通過真空系統、水泵電機、出水電動閥門的控制配合，達到一步化機組開停的要求，滿足調度指令執行要求的同時，具備平衡調泵、啟動間隔保護、低限水位強制停機、流量和電流參控預警等泵機保護的功能。
水庫自動進水系統：按照設定的時間段，可自由選擇控流或控壓模式進行進水操作，自動調節水庫進水閥補水至設定的水庫液位。整個系統具備進水條件增刪、調流閥選定、庫容調節、液位計偏差修正、進水狀態異常告警等調校水庫進水精度的功能。
出水自動加藥系統：采取比例投加細控、余氯反饋值粗調的策略，在機組開啟狀態下，每隔一個調節周期作投加需求判定，按預設調整倍率去自動調節加藥泵的頻率給定，最終直至水藥比達到穩定值、當前余氯檢測值穩定運行在合格指標范圍內。同時，還需具備泵管和加注點組合切換、參控調節量手動調整、反沖洗程序定期提示介入等功能。
從泵站的數據采集與設備控制、泵站與汶水中控室之間的通訊鏈路到系統的數據存儲服務和執行控制的切換機制，均引入了冗余和負載均衡的設計理念，配以契合泵站無人值守理念的三大工藝控制邏輯功能，大大加強了整個松花江泵站自動控制系統的功能性、安全性與可靠性，同時也是改造后泵站體現智能化成果的一個重要方面。
振動監測。
通過在松花江泵站的機組上加裝在線的實時振動監測系統，對電機、水泵上各個點位的振動變化和轉速狀態進行實時的數據采集和記錄，對實時的振動超標可及時報警，以便現場維護人員采取相應的措施，避免、減緩和減少重大生產事故的發生;通過對歷史數據的分析可有效的預測出機組可能的故障趨勢（原因、程度和部位等），為機泵設備的在線調整、停機檢修提供科學依據，最終達到對設備的運行狀態做出評估（屬于健康、亞健康還是不健康）的功能，從而起到對于機泵故障預警預判的最終效果（如圖3）。
系統組成包括：前端傳感器（單機組含10個加速度（測振動幅值）、1個光電式（測實時轉速））、數據采集模塊、數據交互網關和就地監控服務器�，F場監控系統能夠實現實時數據采集、實時報警、顯示趨勢圖和就地數據存儲功能。在汶水中控室配置的泵管平臺上，也設立單獨的業務模塊，用于接收上傳的機泵振動監測系統實時和歷史數據，具有實時報警、趨勢形成、頻譜讀取、原因分析、數據儲存等組件，并能定期生成機泵狀態的結論報告。
數據管理。
在數據管理板塊，在設計時融合了各個管理專業的統計需求，采用了軟、硬件互備的SQL數據庫管理系統進行數據的采集和存儲，為松花江泵站制訂專屬的個性化電子報表。除了能達到對泵站運行數據的不間斷記錄外，還能清晰表現松花江站點的電耗、藥耗等情況，從而指導汶水中控室當班人員對機組進行平衡調泵、擇優啟停的操作指導。
設備架構上，松花江泵站設數據緩存服務器1臺，安裝AOS在線運行授權（Application Server 2014R2 Platform）、配置數據采集驅動（Device Integration Servers 2014R2），具備就地數據采集與監控功能，擔負與汶水中控室的數據交互任務，同時與泵站里的操作員站互為熱備;汶水中控室設數據庫服務器，安裝SQL2014、并配置冗余數據庫軟件（Historian Svr 2017 Standard， 25，000），作為Hisrorian歷史數據庫服務器，再配以存儲交換機（Dell Brocade 300）和磁盤陣列，達到數據存儲終端的功能。
遠程安防。
從泵站安全和無人運行的角度考量，設計上遵循先進、可靠、安全、實用、管理可控和維護簡便的原則，建立遠程視頻監控系統、遠程安防報警系統（包括電子圍欄報警、煙感、入侵等報警系統）、出入口車牌人臉識別系統、遠程門禁控制等子系統。
泵站就地安防系統主機設置在泵站中心控制室（值班室），泵站門衛室設立分控設備用于監視技防監控圖像、接收實時報警信息，確保所有數據、圖像和信息在松花江泵站本地都可以查詢。依靠雙網的負載均衡技術，此次在松花江泵站布置的56個高清攝像點位、15個門禁控制點、21個報警點位，均能夠通過汶水中控室的安防平臺上做到數據接收和統一監管，基本達到生產場所無死角、安全防范無盲區的效果。
這些遠程安全防范系統組成了松花江泵站的一張無形的防護網，在技術層面上為這座無人運行的泵站提供了最為穩定、效率的技防措施。
3 智能化泵站信息系統的發展展望
得益于上海水務集團和制水公司的項目資金和政策支持，市北泵站管理所轄區泵站的智能化改造進程日益加快，越來越多的先進設備和創新理念將予以實現和應用。從信息化技術層面上說，還有包括無線測溫與SCADA系統的數據并軌、上位控制系統與安防平臺的聯動預警、機泵健康診斷系統后期的分析應用、大數據整合分析（實時預警、報警系統和振動監測報警的融合）等等可以繼續優化和深入研究的方向。
隨著自控、網絡和信息技術的不斷發展，相信未來智能化泵站將朝著“使用更方便、響應更快捷，系統穩定性更高”的趨勢發展。通過在智能化泵站信息系統上建設、運行、管理和優化經驗的積累，同時繼續在實踐中整合優勢資源、順應時代潮流、吸納先進理念、嘗試新設備新技術，能夠不斷將“無人運行的智能化泵站”向“智慧泵站”的理念逐步推進，使我們城市的給水泵站運行得更加安全、效率和穩定。
參考文獻：
[1]錢曉龍，李曉.ControlLogix系統在給水處理行業中的應用[M].北京：機械工業出版社，2011：11.
[2]姜宏.無人值守泵站遠程監控的幾點探討[J].科技創新與應用，2017（03）：44.
[3]楊濤.泵站運行管理中的計算機自動控制系統設計和應用[J].科技創新導報，2018，15（17）：137-138.
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[5]陸際雄，張維康.機泵健康評估系統用于水廠自動化控制系統的研究[J].工程建設與設計，2017（08）：207-208.
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