劉延輝

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，330200，南昌）

龍頭山泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

劉延輝

（江西省水利水電建設(shè)有限公司，330200，南昌）

以江西省豐城市城西防洪工程龍頭山泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為例，分析該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)泵站的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)、控制、通信等功能的過程中，如何將物聯(lián)網(wǎng)與泵站相關(guān)專業(yè)技術(shù)融合，通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)全面感知信息、可靠傳遞信息、智能處理信息的特性設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高泵站自動(dòng)化管理水平等。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；綜合自動(dòng)化；龍頭山泵站

隨著物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)等技術(shù)的成熟和普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)除了消費(fèi)類應(yīng)用之外也廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，更好地實(shí)現(xiàn)了工業(yè)信息化融合。

江西省豐城市城西防洪工程龍頭山泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、智能傳感技術(shù)等，智能設(shè)備完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集測(cè)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制和調(diào)節(jié)等功能，通過設(shè)計(jì)一套集以上功能于一體的、開放的智能解決方案，實(shí)現(xiàn)了龍頭山泵站自動(dòng)化控制安全可靠、高效地運(yùn)行。

一、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)，即IOT（Internet of Things），是通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種信息，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、數(shù)據(jù)管理分析、監(jiān)控和管理的一種巨大的網(wǎng)絡(luò)。其功能特征是全面感知信息、可靠傳遞信息和智能處理信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體實(shí)施智能化控制與管理。

構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的5個(gè)層級(jí)分別為：支撐層、感知層、傳輸層、平臺(tái)層、應(yīng)用層。具體到泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)上來說主要分為3層（見圖1）：一是感知層，包括攝像頭、溫度、流量、液位傳感器、變頻器、PLC以及傳感器網(wǎng)關(guān)，主要功能是采集信息、識(shí)別物體的狀態(tài)；二是網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的數(shù)據(jù)和信息，具體到泵站是由各種現(xiàn)地網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)平臺(tái)等組成，網(wǎng)絡(luò)由有線和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)交換量較大，對(duì)于布線方便的對(duì)象采用光纖、以太網(wǎng)等方式，對(duì)于布線難度較大、成本高、數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性和可靠性要求較低的對(duì)象采用無線物聯(lián)網(wǎng)模塊通信；三是應(yīng)用層，是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，與系統(tǒng)需求相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用。

二、物聯(lián)網(wǎng)在泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

1.傳感器技術(shù)

在泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，分布感知的數(shù)據(jù)包括電氣量、電機(jī)軸瓦溫度、電機(jī)振動(dòng)、氣壓、油壓、閘門閥門位置、水位、流量、降雨量、攝像頭、RFID標(biāo)簽以及其他傳感器和輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，這些個(gè)體設(shè)備的數(shù)據(jù)和集散系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都集中到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)上，傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)通用的設(shè)備。傳感器分布在泵站內(nèi)或者泵站周邊的范圍內(nèi)，通過無線或者光纖與各子通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信由有線和無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。遠(yuǎn)距離通信主要采用GPRS/ UTMS，近距離通信主要采用802.11b/ g/n或者光纖網(wǎng)絡(luò)。其中現(xiàn)地通信采用以太網(wǎng)連接，遠(yuǎn)距離通信主要采用光纖或者無線GPRS/UTMS。這些通信方式布局方便，通信速率高，技術(shù)成熟可靠，非常適用于泵站自動(dòng)化控制。

3.數(shù)據(jù)服務(wù)與智能技術(shù)

基于物聯(lián)網(wǎng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由大量的傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)構(gòu)成，在對(duì)系統(tǒng)信息的感知過程中會(huì)產(chǎn)生大量的冗余信息，把每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)的方法會(huì)占用大量系統(tǒng)資源，降低信息收集的效率，影響信息采集的實(shí)時(shí)性，因此要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和智能處理。所謂數(shù)據(jù)整合是指將多種數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出高性能且符合不同用戶需求的數(shù)據(jù)，該應(yīng)用智能技術(shù)的數(shù)據(jù)服務(wù)過程建立在高效的軟件應(yīng)用基礎(chǔ)上，利用軟件對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行存儲(chǔ)與快速處理，并將處理結(jié)果實(shí)時(shí)地反饋給系統(tǒng)的各種執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。該服務(wù)過程實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中物體主動(dòng)或被動(dòng)與用戶的有效溝通，使物體具備了一定的智能性。

三、龍頭山泵站應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

1.龍頭山泵站基本情況

龍頭山泵站裝機(jī)4臺(tái)，單泵設(shè)計(jì)流量6.13m3/s，配套630 kW同步電動(dòng)機(jī)，屬于江西省豐城市城市防洪綜合整治工程。當(dāng)贛江水位低于堤內(nèi)水位時(shí)，內(nèi)澇通過排澇閘排入贛江；當(dāng)贛江水位高于堤內(nèi)水位且發(fā)生內(nèi)澇時(shí)，利用水泵機(jī)組抽排內(nèi)澇水排入贛江。采用自排與提排相結(jié)合的方式，解決大堤區(qū)域內(nèi)澇問題。新建設(shè)的龍頭山泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)由泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、安全防范、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程維護(hù)、WEB發(fā)布、自動(dòng)生成報(bào)表、趨勢(shì)分析、調(diào)度指揮和控制等功能，可以達(dá)到無人值班的目標(biāo)。

2.系統(tǒng)主要功能

龍頭山泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)功能主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)和信息的采集分析與處理、運(yùn)行監(jiān)視和報(bào)警、調(diào)節(jié)與控制、遠(yuǎn)程通信方面?；谖锫?lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通過軟件和硬件產(chǎn)品配置，能全面實(shí)現(xiàn)泵站“無人值班，少人值守”和綜合優(yōu)化調(diào)度的管理原則。數(shù)據(jù)采集分析與處理的數(shù)據(jù)包括各電氣設(shè)備電壓、電流、功率、頻率、電度等電氣量，泵站內(nèi)電機(jī)、閘門及其他輔機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)開關(guān)量和模擬量，泵站內(nèi)主要對(duì)象關(guān)鍵點(diǎn)的視頻圖像數(shù)據(jù)，泵站溫度濕度、降水量等與優(yōu)化運(yùn)行相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，自動(dòng)化元件以及傳感器本身的工作狀態(tài)信息等。系統(tǒng)通過對(duì)這些感知數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析計(jì)算得出處理結(jié)果并反饋給控制和調(diào)節(jié)等執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析計(jì)算處理反饋的結(jié)果進(jìn)行綜合優(yōu)化的調(diào)節(jié)與控制。

3.系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)和功能

基于物聯(lián)網(wǎng)的龍頭山泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮設(shè)備分布、類型、成本等因素，采用光纖網(wǎng)絡(luò)通信，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

①主控級(jí)設(shè)備包含兩臺(tái)操作員工作站（兼作主機(jī)，互為冗余熱備用）作為泵站的控制中樞，一臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)工作站與調(diào)度部門通信，一套短信報(bào)警服務(wù)系統(tǒng)，一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)，一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，一套GPS衛(wèi)星時(shí)鐘，一套UPS等。

②現(xiàn)地控制級(jí)設(shè)備包含水泵機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）、全站公共設(shè)備LCU、輔機(jī)控制盤、水泵檢修閘門控制箱（移動(dòng)臺(tái)車，控制箱由機(jī)械廠家配套）、出口事故檢修閘門控制箱、技術(shù)供水水泵控制箱、檢修排水水泵控制箱和濾水器控制箱、技術(shù)供水電動(dòng)閥控制箱、檢修排水控制箱、清污機(jī)控制柜、風(fēng)機(jī)控制箱等。設(shè)備通過光纖或無線網(wǎng)絡(luò)與主控級(jí)設(shè)備進(jìn)行通信。

③系統(tǒng)控制方式分遠(yuǎn)方、集中、現(xiàn)地3級(jí)控制，可以進(jìn)行切換。遠(yuǎn)方控制統(tǒng)一由水務(wù)局管理調(diào)度中心操作，集中控制是在泵站中控室的操作員工作站上操作，現(xiàn)地控制指在現(xiàn)場(chǎng)LCU上操作。

④泵站監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通過現(xiàn)地LCU控制單元采集來自生產(chǎn)過程設(shè)備（水泵、閘門、CT、PT、配電裝置保護(hù)、直流系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、鉑電阻等）的模擬量、數(shù)字量、脈沖量、溫度等。對(duì)所采集的輸入量進(jìn)行數(shù)字濾波、有效性檢查、工程值轉(zhuǎn)換、故障判斷、信號(hào)接點(diǎn)抖動(dòng)消除、抗干擾等數(shù)據(jù)處理，從而產(chǎn)生出可供應(yīng)用的I、U、P、Q、COSφ等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)庫更新。形成分布式的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)在LCU控制單元中保留本地處理的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

⑤通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算，產(chǎn)生電壓合格率、負(fù)荷率、數(shù)字輸入狀態(tài)量邏輯運(yùn)算值、設(shè)備正常/異常變位次數(shù)等。

⑥軟件通過報(bào)告、圖形等形式反應(yīng)并記錄全部設(shè)備的位置狀態(tài)、變位信息，保護(hù)設(shè)備動(dòng)作及復(fù)歸信息，直流站用電系統(tǒng)的信息，各測(cè)量值的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各種告警信息，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)信息。

⑦調(diào)度和遠(yuǎn)程工作站經(jīng)過軟件后可以對(duì)泵站開停機(jī)等變門控制進(jìn)行直接操作。

⑧工業(yè)電視系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程客戶端直接進(jìn)行訪問，用戶可以通過PC或者手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視圖像及告警信息等。

四、結(jié)語

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合能夠充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)全面、可靠、智能等優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)泵站監(jiān)測(cè)控制和信息化功能，使計(jì)算機(jī)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、水情調(diào)度等系統(tǒng)更緊密地結(jié)合，進(jìn)一步提高泵站的自動(dòng)化管理水平，從而能夠達(dá)到無人值班、少人值守，節(jié)約人力資源，降低人工成本等目的?！?/p>

［1］馬愛民，胡玥明，王冠宇.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用與研究［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2013（6）.

［2］楊庚，許建，陳偉，等.物聯(lián)網(wǎng)安全特征與關(guān)鍵技術(shù)［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（4）.

責(zé)任編輯安天杭

Application of Internet of Things for integrated automation system in Longtoushan Pumping Station

Liu Yanhui

Key technologies related to formation of internet of things as well as pumping station automation system are introduced.Taking Longtoushan Pumping Station as an example，introductions aremade on how to integrate internet of things with special technologies of pumping stations so as to realize datamonitoring，control and communication.It is possible of enhancing automationmanagementof pumping station through special design of internet of things in terms of comprehensive sensory information，reliable information transferand intelligent treatment.

Internet of Things；integrated automation；Longtoushan Pumping Station

TN929.5+TV

B

1000-1123（2016）13-0037-03

2016-05-17

劉延輝，工程師。