多源異構數據采集及自動控制在夏港泵站的研究與應用

許建平 陳伯進 董阿忠 朱亞萍 吳建剛

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇南京 210017；2.江陰市白屈港水利樞紐工程管理處，江蘇江陰 214400）

1.工程概述

夏港泵站位于江陰市夏港鎮，新夏港河與長江交匯處。泵站采用肘型進水流道，設計排水流量45m3/s。安裝斜軸泵三臺，配套同步電機，電機與水泵通過減速齒輪相連，總裝機容量2400kW，設有35kV變電所一座。泵站采用閘站結合布置，節制閘為單孔，凈寬10m，采用鋼筋砼結構平板鋼閘門，液壓啟閉機控制。

2.建設內容

數據采集及自動化控制系統主要由下列硬件組成：監控工作站、服務器、工業網絡交換機、液壓閘門現地控制裝置、水泵機組保護裝置、勵磁現地控制裝置、集中控制現地裝置、各類傳感器等，系統結構圖見圖1所示。

圖1 夏港數據采集及自動化控制系統結構圖

建設的內容有：

（1）數據采集。1）集成江陰水文站采集系統的長江側、內河側水位數據，滿足數據采集及自動化控制系統的需求；2）完成3扇液壓閘門、3臺勵磁裝置、5套保護裝置、主變壓器和主水泵機組溫度、管道壓力等數據量和狀態量采集。

（2）新建現地控制單元。新建現地控制單元4套，包含液壓閘門現地控制單元、主水泵機組現地控制單元、勵磁現地控制單元、輔機集中控制單元。各單元包含：PLC系統、液晶觸摸屏以及傳感器等，實現現地操作控制功能。PLC配置電源模塊、CPU模塊、以太網通信模塊、串口通信模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量模塊和溫度量模塊。

（3）控制中心設備。1）構建覆蓋數據采集及自動化控制系統的千兆工業以太網網絡，滿足系統信息交換需求。2）建設計算機監控和服務器存儲系統，用于數據采集及自動化控制系統信息存儲使用。

（4）視頻監視。建設1套高清數字視頻監視設備，滿足實現泵站“無人值班，少人值守”工作目標的需求。

3.泵站多源異構數據采集

多源（Multi-Source），即多個數據源[1]。異構（Heterogeneous）是指數據類型復雜、數據結構不一致[2]。泵站數據包括多種類型的結構化數據、半結構化數據、非結構化數據。根據夏港泵站數據采集及自動化控制系統建設內容，該泵站需通過上位機或現地單元對這些多源異構數據進行集成采集與處理，從而屏蔽數據之間物理和邏輯層面的差異，實現統一的表示、存儲和管理。通常數據集成采用ETL方法，包括數據抽取（Extract）、數據轉換（Transform）、數據加載（Load）[3]。集成多源異構數據，使之與自動化控制系統成為相互關聯的有機整體，解決數據的來源廣泛、結構異構問題，充分發揮數據的應用價值。

3.1 多源異構數據分類

3.1.1 泵站多源結構化數據

泵站多源結構化數據按采集方式一般可以分為模擬量、串行通訊、以太網通訊。

（1）模擬量。采集處理集水井水位、主變壓器和站變溫度以及3臺主水泵機組齒輪箱溫度、減速箱溫度，循環泵進出水溫度，供水母管道壓力。

（2）串行數據。以串行接口通訊方式采集的數據有：1）采集深井泵、循環泵的智能儀表的工作電流電壓等數據。2）采集主水泵機組勵磁裝置的勵磁電壓、勵磁電流及運行狀態等。

（3）以太網數據。通過以太網網絡采集的數據有：1）液壓閘門開度、油泵和閘門運行狀態等。2）主水泵機組的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率，保護裝置運行狀態等。主變壓器和母線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率以及保護裝置運行狀態等。

3.1.2 半結構化數據采集

江陰市智慧水利平臺已通過水文遙測系統采集了夏港泵站長江側和內河側水位數據，為了節省項目投資，經協商以數據交換共享給本項目系統，不再重復建設，設計通過XML數據格式共享交換長江側和內河側水位。

3.1.3 非結構化數據采集

視頻圖像屬于非結構化數據。夏港泵站在上下游、主廠房等重要部位配置了活動攝像機和固定攝像機圖像，采集視頻信息滿足對泵站及周圍的現場情況進行監視和管理。

3.2 多源異構數據采集關鍵技術

3.2.1 PLC模擬量采集處理

選擇12位PLC模擬量采樣模塊，設置不同的采集源，如采集集水井水位、供水管道壓力數據，將相應的PLC通道參數設置為4mA～20mA電流傳感器，采集溫度設置為PT100傳感器。經過數字濾波及轉換處理后，得到數據值。

為了實現便捷的數據采集功能，采用面向對象的理念，把數據采集封裝成功能模塊。以管道壓力為例，輸入變量：計數器(i_Current)、參量(i_Parameter)；輸出變量：管道壓力(Pressure)，處理數據程序在功能模塊內，見圖2所示。主程序只需要調用功能模塊，改變輸入輸出參數即可，大大減輕編程工作量，程序可讀性強。

圖2 封裝功能模塊圖

3.2.2 串行通訊處理

串行通訊既可采用Modbus RTU方式較多，也可采用自由通訊協議方式。Modbus通訊協議是施耐德公司為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發表，是工業領域通信協議的業界標準。本系統方案設計PLC作主站，各智能儀表作從站。

例如：PLC發送讀取地址為11的智能儀表數據命令：

[設備地址] [命令號03] [起始寄存器地址高8位][低8位] [讀取的寄存器數高8位] [低8位] [CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

[0B][03][00][6B][00][03][CRC高][CRC低]

智能儀表響應：

[設備地址] [命令號03] [返回的字節個數][數據1高][數據1低]…[數據3高] [數據3低][CRC校驗的高8位] [CRC校驗的低8位]

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

3.2.3 TCP/IP方式數據處理

SCADA系統通過以太網絡，采用MODBUS TCP方式對現地控制單元PLC的數據采集與處理。監控計算機和PLC以服務器/客戶端的形式進行信息交換與傳輸。圖3是基于MBE驅動的通訊配置結果。

圖3 以太網通訊配置圖

圖4 XML數據交換格式圖

3.2.4 繼電保護通訊

夏港智能化繼電保護裝置完成對變壓器、電動機組等一次設備的保護。本系統建立基于統一的IEC61850通訊協議的數據模型，實現對繼電保護裝置進行數據交換和操作交互。IEC61850是新一代的變電站自動化系統的國際標準[4]，采用IEC61850國際標準可以極大提高泵站自動化安全穩定運行水平，具有實用性、規范性、靈活性和易擴展性的特點。

IEC61850標準服務主要有：事件狀態上送、日志歷史記錄上送、快速事件傳送、采樣數據傳送、數據讀取、保護故障報告、時間同步、文件傳輸等。

3.2.5 基于XML數據交換

XML數據交換技術具有查詢實時、配置靈活等優點，是WEB上的主要交換格式之一[5]。夏港泵站數據采集及自動化控制系統需要獲取長江側水位、內河側水位、監測時間等實時數據信息，數據來源于水文遙測系統，出于保護兩個系統安全需要，制定基于XML格式的數據共享交換文檔，見圖4。

3.2.6 視頻圖像挖掘

對視頻圖像進行采集、清洗、挖掘，提取出有效的、有價值的數據。例如進水口攝像機自動捕獲、報警水面垃圾情況。本項目基于水面顏色、空間變化等特點，主要采用卷積神經網絡法提取圖像特征，被計算機深度學習用于分類和識別。

4.泵站自動化控制系統

4.1 系統結構

自動化系統為分層分布開放式結構，采用星形光纖快速以太網拓樸結構，分為三級，即遠控級、主控級和現地級。控制權分“遠方、控制室、現地”三級，可以進行無擾動切換。系統的控制權限越接近設備，控制權限越高。控制權順序為：現地、控制室與遠方。遠方控制經相關授權方可進行操作。控制系統中設置帶密碼的授權、核對程序。

遠控級為上級管理單位，通過光纖與泵站自動化控制系統連接，實現信息采集與調度指令的下發，必要時實現遠程控制，同時泵站運行參數、狀態等上傳給遠控級。

主控級設于泵站控制室內，通過以太網網絡與現地級建立通信，通過工作站的監測監控界面，顯示現場設備的運行參數與狀態，同時下發控制命令，監督現地監控單元對監測監控命令的執行。

現地控制級是系統最后一級也是最優先的一級控制，它向下接收各類傳感器與執行機構的輸入輸出信息，采集設備運行參數和狀態信號，向下實施對現場各執行機構的邏輯控制。

4.2 控制對象及流程

圖5 泵站開啟流程圖

夏港泵站實現全面自動化控制操作，開機過程不需要手動現場控制，實現一鍵式操作。控制的對象有：主變壓器高壓開關、主變壓器低壓開關、深井泵、循環泵、排水泵、管道閥門、機組勵磁裝置、液壓快速閘門、主水泵機組等。

泵站開啟運行流程見圖5所示。

4.3 控制系統功能

（1）系統登錄。主要驗證登錄該監控系統人員的合法身份，并從數據庫中查詢出合法用戶的權限和密碼。

（2）數據監測。包括閘門監測、水位監測、主機減速箱溫度監測、循環泵進出水溫度監測、主變壓器溫度監測、所變壓器溫度監測、輔機運行監測。對這些參數量值（如溫度）可預先設定其報警范圍，當監測數據越限時要作相應的處理，啟動相關量分析功能，作故障原因提示，對于一些重要參數有趨勢報警功能。

（3）狀態監測。對主設備的運行狀態進行實時監視，包括當前各設備的運行及停運情況，設備保護狀態情況。對實時監測發現的異常狀況在監控畫面醒目位置顯示提示信息。當機組發生事故造成跳閘動作等情況時，系統立即以中斷方式響應并自動顯示、記錄和打印事故名稱及時間。

（4）控制與調節[6]。操作員根據泵站當前的運行情況和控制命令，對設備進行控制。控制的內容包括主水泵機組的開、停機操作，輔機系統的開、停機操作，開關斷路器操作等。

（5）報表查詢。提供泵站實時監測數據和各種工程運行統計報表查詢，并具有瀏覽和打印功能。

4.4 視頻系統功能

（1）對泵站主廠房、變配電室、河道等區域或者關鍵部位進行實時視頻監視。

（2）攝像機在白天及夜晚可以清晰、有效地獲取視頻圖像。

（3）活動攝像機使用自動掃描方式，即通過云臺控制攝像機上下左右來回掃描，獲取監控區域范圍內的視頻圖像、顯示攝像機采集的清晰、穩定的圖像。

（4）使用手動或自動操作，對攝像機、云臺等進行調節控制。

（5）具有河道垃圾自動識別、分析、告警功能。

（6）可以以C/S和B/S模式進行遠程視頻監視。授權用戶可遠程瀏覽泵站視頻監視系統的全部或部分視頻圖像，也可對攝像機等設備進行控制。

5.系統應用

本文研究了多源異構數據采集及自動化控制系統，結合夏港多源異構數據以及自動化控制業務需求，開發了功能應用軟件，完成了多種不同結構數據的采集集成，實現泵站機組自動化控制目標。圖6是顯示數據交換獲取的長江側水位、內河側水位過程線；圖7是機組運行工況報表界面；圖8是機組運行自動控制界面。

圖6 實時水位過程線界面

圖7 機組運行工況報表界面

圖8 機組運行自動控制界面

6.結語

泵站自動化控制系統需要涉及大量的監測傳感器、儀器儀表等裝置，而這些設備往往來自不同的廠家，數據結構不盡相同，甚至部署在不同網絡、不同平臺，運行監測數據量大。本文針對夏港泵站多源異構數據，提出了跨網絡、跨平臺的數據采集方法，把所有監測信息匯聚到統一平臺，有效提高采集數據的實時性[7]，有力支撐自動化控制系統。基于XML格式的數據交換方式為重要水利樞紐的水文遙測與自動化控制系統信息共享提供參照，解決了一個測井兩套甚至多套水位采集裝置的尷尬設計。

夏港泵站多源異構數據采集及自動化控制系統自2019年1月投入運行以來，采集數據準確，運行穩定。泵站信息化水平的提高有效減輕了工作人員勞動強度，減少了運行值班人員，改善了工作環境[8]。系統建設為江陰市防汛調度、科學決策發揮了重要作用，保障了人民生命財產安全，創造了良好的社會效益和經濟效益。