智能化泵站信息系统技术架构的设计和实现

张成栋

摘  要：依托当今自动化、信息化技术的高速发展，市北泵站管理所利用设备更新改造为契机，通过采用中心主站集中监控、同步构建就地数据传输和控制系统的设计，使得自来水输配泵站真正实现无人运行的控制管理模式。文章将以松花江泵站为案例，从通讯网络、自动控制、振动监测、数据管理和远程安防这五个板块简要介绍智能化泵站信息系统的技术架构、功能原理和运行状况，并对将来的优化方向进行了展望。

关键词：智能化泵站;信息系统;远程控制技术

中图分类号：TP273.5       文献标志码：A         文章编号：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，辖区下属共有23座给水泵站，供水范围主要包括上海市黄浦江以西、苏州河以北的杨浦、虹口、普陀、静安、宝山及嘉定部分区域，供水面积达到约580平方公里，服务人口超过1500万。

泵站，作为水厂和用户之间的重要枢纽，承担着管网水水压调节、区域水量调蓄输配的任务，遵循供水调度指令来配合水厂，起到对供水管网“削峰补谷”的作用。随着城市规模的不断扩大，给水泵站在城市管网中的数量正在不断地上升，依托当今自动化、信息化技术的应用普及，通过泵站设施设备的智能化更新和改造，采取完善设备层通讯能力和搭建数据监控信息化平台的方式，使得改造后的泵站均能够达到实现“设备远程监控、现场无人化运行”的管控模式。

2 智能化泵站信息系统

簡单地说，智能化泵站就是指，通过网络系统、利用工业控制手段，实现对远程泵站生产设施、制水设备和环境状态等多项运行管理领域进行集中监控的一种方法。

基于此理念，在位于市北泵站管理所行政总部的汶水综合楼二楼，建设集中控制室（下称“汶水中控室”），作为智能化泵站体系的控制中心和信息枢纽，形成以“汶水中控室”为核心、数据交互网络为基础、各种远程监控方式为手段，通过对下属泵站生产运行、设备状态、安防情况等的实时数据分析，实现汶水中控室对下属泵站各设备层级系统（机泵系统、电气系统、加药系统、真空系统、排水系统、排风系统、灯光系统、门禁系统、视频监控、周界报警等等）的运行监控和设备管理。

松花江泵站，是辖区内一座较为典型的水库增压泵站，现场设清水库2座（2万m3/座，库容达4万立方米），泵房内配置6台低压380V机组（四增二库），站点具备出水补氯的加药能力。经常运行方式是一增一库，夏季高峰期为2增1库，作为规划里完成自动化改造的第一批次站点，投入运行至今，泵站各个生产层级系统已逐渐趋于一个稳定运行的状态。

信息技术架构。通讯网络、自动控制、振动监测、数据管理以及远程安防，这五大板块构成了一整套的实时监控体系，支撑起松花江泵站的信息化技术基础。

通讯网络。

为保障数据传输的稳定、安全，实现汶水中控室与松花江泵站之间的数据链路连接，权衡经济性和稳定性，采用中国电信PTN和中国联通MSTP双网有线入户的形式，利用了“双网负载均衡、热备冗余”的技术，构建起数据交互的桥梁，通过配置和使用动态路由协议，达到实现故障线路自动切换和告警的功能。

从总体的网络架构上说，双运营商网络的冗余专线形式，不单可以有效消除泵站网络单点故障的风险，增加网络的数据吞吐能力，还能为将来大量其他的网络化生产、监控系统设备的后期改造接入做足准备（如图1）。

自动控制。

自控设备硬件方面，作为远程化控制技术执行层的核心，松花江泵站就地采用的是市面上比较主流的AB-1756系列产品，配置RM2冗余模组，确保实现CPU、以太网模块的热备自切功能，使得整个泵站的数据采集和指令执行，达到高效、稳定、安全的目标。

上位SCADA软件方面，汶水中控室和松花江泵站本地的SCADA系统采用Wonderware System Platform 2014 R2平台版组态软件来联合开发人机交互界面。采用基于网络技术的标准C/S分布式构架，提供工业域服务和应用开发集中管理服务，通过系统平台框架可简化分布式信息与自动化应用的开发、部署、维护和管理（如图2）。

工艺控制逻辑方面，在设计阶段就以无人值守的理念将泵站生产层级系统的控制要求从工艺的角度划分为三大块，分别是“机组联动开停系统”、“水库自动进水系统”和“出水自动加药系统”。

机组联动开停系统：通过真空系统、水泵电机、出水电动阀门的控制配合，达到一步化机组开停的要求，满足调度指令执行要求的同时，具备平衡调泵、启动间隔保护、低限水位强制停机、流量和电流参控预警等泵机保护的功能。

水库自动进水系统：按照设定的时间段，可自由选择控流或控压模式进行进水操作，自动调节水库进水阀补水至设定的水库液位。整个系统具备进水条件增删、调流阀选定、库容调节、液位计偏差修正、进水状态异常告警等调校水库进水精度的功能。

出水自动加药系统：采取比例投加细控、余氯反馈值粗调的策略，在机组开启状态下，每隔一个调节周期作投加需求判定，按预设调整倍率去自动调节加药泵的频率给定，最终直至水药比达到稳定值、当前余氯检测值稳定运行在合格指标范围内。同时，还需具备泵管和加注点组合切换、参控调节量手动调整、反冲洗程序定期提示介入等功能。

从泵站的数据采集与设备控制、泵站与汶水中控室之间的通讯链路到系统的数据存储服务和执行控制的切换机制，均引入了冗余和负载均衡的设计理念，配以契合泵站无人值守理念的三大工艺控制逻辑功能，大大加强了整个松花江泵站自动控制系统的功能性、安全性与可靠性，同时也是改造后泵站体现智能化成果的一个重要方面。

振动监测。

通过在松花江泵站的机组上加装在线的实时振动监测系统，对电机、水泵上各个点位的振动变化和转速状态进行实时的数据采集和记录，对实时的振动超标可及时报警，以便现场维护人员采取相应的措施，避免、减缓和减少重大生产事故的发生;通过对历史数据的分析可有效的预测出机组可能的故障趋势（原因、程度和部位等），为机泵设备的在线调整、停机检修提供科学依据，最终达到对设备的运行状态做出评估（属于健康、亚健康还是不健康）的功能，从而起到对于机泵故障预警预判的最终效果（如图3）。

系统组成包括：前端传感器（单机组含10个加速度（测振动幅值）、1个光电式（测实时转速））、数据采集模块、数据交互网关和就地监控服务器。现场监控系统能够实现实时数据采集、实时报警、显示趋势图和就地数据存储功能。在汶水中控室配置的泵管平台上，也设立单独的业务模块，用于接收上传的机泵振动监测系统实时和历史数据，具有实时报警、趋势形成、频谱读取、原因分析、数据储存等组件，并能定期生成机泵状态的结论报告。

数据管理。

在数据管理板块，在设计时融合了各个管理专业的统计需求，采用了软、硬件互备的SQL数据库管理系统进行数据的采集和存储，为松花江泵站制订专属的个性化电子报表。除了能达到对泵站运行数据的不间断记录外，还能清晰表现松花江站点的电耗、药耗等情况，从而指导汶水中控室当班人员对机组进行平衡调泵、择优启停的操作指导。

设备架构上，松花江泵站设数据缓存服务器1台，安装AOS在线运行授权（Application Server 2014R2 Platform）、配置数据采集驱动（Device Integration Servers 2014R2），具备就地数据采集与监控功能，担负与汶水中控室的数据交互任务，同时与泵站里的操作员站互为热备;汶水中控室设数据库服务器，安装SQL2014、并配置冗余数据库软件（Historian Svr 2017 Standard， 25，000），作为Hisrorian历史数据库服务器，再配以存储交换机（Dell Brocade 300）和磁盘阵列，达到数据存储终端的功能。

远程安防。

从泵站安全和无人运行的角度考量，设计上遵循先进、可靠、安全、实用、管理可控和维护简便的原则，建立远程视频监控系统、远程安防报警系统（包括电子围栏报警、烟感、入侵等报警系统）、出入口车牌人脸识别系统、远程门禁控制等子系统。

泵站就地安防系統主机设置在泵站中心控制室（值班室），泵站门卫室设立分控设备用于监视技防监控图像、接收实时报警信息，确保所有数据、图像和信息在松花江泵站本地都可以查询。依靠双网的负载均衡技术，此次在松花江泵站布置的56个高清摄像点位、15个门禁控制点、21个报警点位，均能够通过汶水中控室的安防平台上做到数据接收和统一监管，基本达到生产场所无死角、安全防范无盲区的效果。

这些远程安全防范系统组成了松花江泵站的一张无形的防护网，在技术层面上为这座无人运行的泵站提供了最为稳定、效率的技防措施。

3 智能化泵站信息系统的发展展望

得益于上海水务集团和制水公司的项目资金和政策支持，市北泵站管理所辖区泵站的智能化改造进程日益加快，越来越多的先进设备和创新理念将予以实现和应用。从信息化技术层面上说，还有包括无线测温与SCADA系统的数据并轨、上位控制系统与安防平台的联动预警、机泵健康诊断系统后期的分析应用、大数据整合分析（实时预警、报警系统和振动监测报警的融合）等等可以继续优化和深入研究的方向。

随着自控、网络和信息技术的不断发展，相信未来智能化泵站将朝着“使用更方便、响应更快捷，系统稳定性更高”的趋势发展。通过在智能化泵站信息系统上建设、运行、管理和优化经验的积累，同时继续在实践中整合优势资源、顺应时代潮流、吸纳先进理念、尝试新设备新技术，能够不断将“无人运行的智能化泵站”向“智慧泵站”的理念逐步推进，使我们城市的给水泵站运行得更加安全、效率和稳定。

参考文献：

[1]钱晓龙，李晓.ControlLogix系统在给水处理行业中的应用[M].北京：机械工业出版社，2011：11.

[2]姜宏.无人值守泵站远程监控的几点探讨[J].科技创新与应用，2017（03）：44.

[3]杨涛.泵站运行管理中的计算机自动控制系统设计和应用[J].科技创新导报，2018，15（17）：137-138.

[4]汪晓兵，李昆.泵站信息管理平台的智能化建设[J].小水电，2019（05）：53-56.

[5]陆际雄，张维康.机泵健康评估系统用于水厂自动化控制系统的研究[J].工程建设与设计，2017（08）：207-208.