多源异构数据采集及自动控制在夏港泵站的研究与应用

许建平 陈伯进 董阿忠 朱亚萍 吴建刚

（1.江苏省水利科学研究院，江苏南京 210017；2.江阴市白屈港水利枢纽工程管理处，江苏江阴 214400）

1.工程概述

夏港泵站位于江阴市夏港镇，新夏港河与长江交汇处。泵站采用肘型进水流道，设计排水流量45m3/s。安装斜轴泵三台，配套同步电机，电机与水泵通过减速齿轮相连，总装机容量2400kW，设有35kV变电所一座。泵站采用闸站结合布置，节制闸为单孔，净宽10m，采用钢筋砼结构平板钢闸门，液压启闭机控制。

2.建设内容

数据采集及自动化控制系统主要由下列硬件组成：监控工作站、服务器、工业网络交换机、液压闸门现地控制装置、水泵机组保护装置、励磁现地控制装置、集中控制现地装置、各类传感器等，系统结构图见图1所示。

图1 夏港数据采集及自动化控制系统结构图

建设的内容有：

（1）数据采集。1）集成江阴水文站采集系统的长江侧、内河侧水位数据，满足数据采集及自动化控制系统的需求；2）完成3扇液压闸门、3台励磁装置、5套保护装置、主变压器和主水泵机组温度、管道压力等数据量和状态量采集。

（2）新建现地控制单元。新建现地控制单元4套，包含液压闸门现地控制单元、主水泵机组现地控制单元、励磁现地控制单元、辅机集中控制单元。各单元包含：PLC系统、液晶触摸屏以及传感器等，实现现地操作控制功能。PLC配置电源模块、CPU模块、以太网通信模块、串口通信模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量模块和温度量模块。

（3）控制中心设备。1）构建覆盖数据采集及自动化控制系统的千兆工业以太网网络，满足系统信息交换需求。2）建设计算机监控和服务器存储系统，用于数据采集及自动化控制系统信息存储使用。

（4）视频监视。建设1套高清数字视频监视设备，满足实现泵站“无人值班，少人值守”工作目标的需求。

3.泵站多源异构数据采集

多源（Multi-Source），即多个数据源[1]。异构（Heterogeneous）是指数据类型复杂、数据结构不一致[2]。泵站数据包括多种类型的结构化数据、半结构化数据、非结构化数据。根据夏港泵站数据采集及自动化控制系统建设内容，该泵站需通过上位机或现地单元对这些多源异构数据进行集成采集与处理，从而屏蔽数据之间物理和逻辑层面的差异，实现统一的表示、存储和管理。通常数据集成采用ETL方法，包括数据抽取（Extract）、数据转换（Transform）、数据加载（Load）[3]。集成多源异构数据，使之与自动化控制系统成为相互关联的有机整体，解决数据的来源广泛、结构异构问题，充分发挥数据的应用价值。

3.1 多源异构数据分类

3.1.1 泵站多源结构化数据

泵站多源结构化数据按采集方式一般可以分为模拟量、串行通讯、以太网通讯。

（1）模拟量。采集处理集水井水位、主变压器和站变温度以及3台主水泵机组齿轮箱温度、减速箱温度，循环泵进出水温度，供水母管道压力。

（2）串行数据。以串行接口通讯方式采集的数据有：1）采集深井泵、循环泵的智能仪表的工作电流电压等数据。2）采集主水泵机组励磁装置的励磁电压、励磁电流及运行状态等。

（3）以太网数据。通过以太网网络采集的数据有：1）液压闸门开度、油泵和闸门运行状态等。2）主水泵机组的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率，保护装置运行状态等。主变压器和母线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率以及保护装置运行状态等。

3.1.2 半结构化数据采集

江阴市智慧水利平台已通过水文遥测系统采集了夏港泵站长江侧和内河侧水位数据，为了节省项目投资，经协商以数据交换共享给本项目系统，不再重复建设，设计通过XML数据格式共享交换长江侧和内河侧水位。

3.1.3 非结构化数据采集

视频图像属于非结构化数据。夏港泵站在上下游、主厂房等重要部位配置了活动摄像机和固定摄像机图像，采集视频信息满足对泵站及周围的现场情况进行监视和管理。

3.2 多源异构数据采集关键技术

3.2.1 PLC模拟量采集处理

选择12位PLC模拟量采样模块，设置不同的采集源，如采集集水井水位、供水管道压力数据，将相应的PLC通道参数设置为4mA～20mA电流传感器，采集温度设置为PT100传感器。经过数字滤波及转换处理后，得到数据值。

为了实现便捷的数据采集功能，采用面向对象的理念，把数据采集封装成功能模块。以管道压力为例，输入变量：计数器(i_Current)、参量(i_Parameter)；输出变量：管道压力(Pressure)，处理数据程序在功能模块内，见图2所示。主程序只需要调用功能模块，改变输入输出参数即可，大大减轻编程工作量，程序可读性强。

图2 封装功能模块图

3.2.2 串行通讯处理

串行通讯既可采用Modbus RTU方式较多，也可采用自由通讯协议方式。Modbus通讯协议是施耐德公司为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表，是工业领域通信协议的业界标准。本系统方案设计PLC作主站，各智能仪表作从站。

例如：PLC发送读取地址为11的智能仪表数据命令：

[设备地址] [命令号03] [起始寄存器地址高8位][低8位] [读取的寄存器数高8位] [低8位] [CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

[0B][03][00][6B][00][03][CRC高][CRC低]

智能仪表响应：

[设备地址] [命令号03] [返回的字节个数][数据1高][数据1低]…[数据3高] [数据3低][CRC校验的高8位] [CRC校验的低8位]

[0B][03][06][0F][75][0F][34][0F][A1] [54][73]

3.2.3 TCP/IP方式数据处理

SCADA系统通过以太网络，采用MODBUS TCP方式对现地控制单元PLC的数据采集与处理。监控计算机和PLC以服务器/客户端的形式进行信息交换与传输。图3是基于MBE驱动的通讯配置结果。

图3 以太网通讯配置图

图4 XML数据交换格式图

3.2.4 继电保护通讯

夏港智能化继电保护装置完成对变压器、电动机组等一次设备的保护。本系统建立基于统一的IEC61850通讯协议的数据模型，实现对继电保护装置进行数据交换和操作交互。IEC61850是新一代的变电站自动化系统的国际标准[4]，采用IEC61850国际标准可以极大提高泵站自动化安全稳定运行水平，具有实用性、规范性、灵活性和易扩展性的特点。

IEC61850标准服务主要有：事件状态上送、日志历史记录上送、快速事件传送、采样数据传送、数据读取、保护故障报告、时间同步、文件传输等。

3.2.5 基于XML数据交换

XML数据交换技术具有查询实时、配置灵活等优点，是WEB上的主要交换格式之一[5]。夏港泵站数据采集及自动化控制系统需要获取长江侧水位、内河侧水位、监测时间等实时数据信息，数据来源于水文遥测系统，出于保护两个系统安全需要，制定基于XML格式的数据共享交换文档，见图4。

3.2.6 视频图像挖掘

对视频图像进行采集、清洗、挖掘，提取出有效的、有价值的数据。例如进水口摄像机自动捕获、报警水面垃圾情况。本项目基于水面颜色、空间变化等特点，主要采用卷积神经网络法提取图像特征，被计算机深度学习用于分类和识别。

4.泵站自动化控制系统

4.1 系统结构

自动化系统为分层分布开放式结构，采用星形光纤快速以太网拓朴结构，分为三级，即远控级、主控级和现地级。控制权分“远方、控制室、现地”三级，可以进行无扰动切换。系统的控制权限越接近设备，控制权限越高。控制权顺序为：现地、控制室与远方。远方控制经相关授权方可进行操作。控制系统中设置带密码的授权、核对程序。

远控级为上级管理单位，通过光纤与泵站自动化控制系统连接，实现信息采集与调度指令的下发，必要时实现远程控制，同时泵站运行参数、状态等上传给远控级。

主控级设于泵站控制室内，通过以太网网络与现地级建立通信，通过工作站的监测监控界面，显示现场设备的运行参数与状态，同时下发控制命令，监督现地监控单元对监测监控命令的执行。

现地控制级是系统最后一级也是最优先的一级控制，它向下接收各类传感器与执行机构的输入输出信息，采集设备运行参数和状态信号，向下实施对现场各执行机构的逻辑控制。

4.2 控制对象及流程

图5 泵站开启流程图

夏港泵站实现全面自动化控制操作，开机过程不需要手动现场控制，实现一键式操作。控制的对象有：主变压器高压开关、主变压器低压开关、深井泵、循环泵、排水泵、管道阀门、机组励磁装置、液压快速闸门、主水泵机组等。

泵站开启运行流程见图5所示。

4.3 控制系统功能

（1）系统登录。主要验证登录该监控系统人员的合法身份，并从数据库中查询出合法用户的权限和密码。

（2）数据监测。包括闸门监测、水位监测、主机减速箱温度监测、循环泵进出水温度监测、主变压器温度监测、所变压器温度监测、辅机运行监测。对这些参数量值（如温度）可预先设定其报警范围，当监测数据越限时要作相应的处理，启动相关量分析功能，作故障原因提示，对于一些重要参数有趋势报警功能。

（3）状态监测。对主设备的运行状态进行实时监视，包括当前各设备的运行及停运情况，设备保护状态情况。对实时监测发现的异常状况在监控画面醒目位置显示提示信息。当机组发生事故造成跳闸动作等情况时，系统立即以中断方式响应并自动显示、记录和打印事故名称及时间。

（4）控制与调节[6]。操作员根据泵站当前的运行情况和控制命令，对设备进行控制。控制的内容包括主水泵机组的开、停机操作，辅机系统的开、停机操作，开关断路器操作等。

（5）报表查询。提供泵站实时监测数据和各种工程运行统计报表查询，并具有浏览和打印功能。

4.4 视频系统功能

（1）对泵站主厂房、变配电室、河道等区域或者关键部位进行实时视频监视。

（2）摄像机在白天及夜晚可以清晰、有效地获取视频图像。

（3）活动摄像机使用自动扫描方式，即通过云台控制摄像机上下左右来回扫描，获取监控区域范围内的视频图像、显示摄像机采集的清晰、稳定的图像。

（4）使用手动或自动操作，对摄像机、云台等进行调节控制。

（5）具有河道垃圾自动识别、分析、告警功能。

（6）可以以C/S和B/S模式进行远程视频监视。授权用户可远程浏览泵站视频监视系统的全部或部分视频图像，也可对摄像机等设备进行控制。

5.系统应用

本文研究了多源异构数据采集及自动化控制系统，结合夏港多源异构数据以及自动化控制业务需求，开发了功能应用软件，完成了多种不同结构数据的采集集成，实现泵站机组自动化控制目标。图6是显示数据交换获取的长江侧水位、内河侧水位过程线；图7是机组运行工况报表界面；图8是机组运行自动控制界面。

图6 实时水位过程线界面

图7 机组运行工况报表界面

图8 机组运行自动控制界面

6.结语

泵站自动化控制系统需要涉及大量的监测传感器、仪器仪表等装置，而这些设备往往来自不同的厂家，数据结构不尽相同，甚至部署在不同网络、不同平台，运行监测数据量大。本文针对夏港泵站多源异构数据，提出了跨网络、跨平台的数据采集方法，把所有监测信息汇聚到统一平台，有效提高采集数据的实时性[7]，有力支撑自动化控制系统。基于XML格式的数据交换方式为重要水利枢纽的水文遥测与自动化控制系统信息共享提供参照，解决了一个测井两套甚至多套水位采集装置的尴尬设计。

夏港泵站多源异构数据采集及自动化控制系统自2019年1月投入运行以来，采集数据准确，运行稳定。泵站信息化水平的提高有效减轻了工作人员劳动强度，减少了运行值班人员，改善了工作环境[8]。系统建设为江阴市防汛调度、科学决策发挥了重要作用，保障了人民生命财产安全，创造了良好的社会效益和经济效益。