泵站機電設備信息管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

肖 勇，鄭會耀，林振鵬，張 鵬，許哲峰

(深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518000)

1 研究背景

長期以來，國內(nèi)外學者為各類工業(yè)系統(tǒng)研發(fā)了各種各樣的設備管理軟件，成為工業(yè)自動化、企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要橋梁，但針對工業(yè)系統(tǒng)設計的設備信息管理系統(tǒng)在最初的功能設計方面更多地體現(xiàn)在對設備基礎信息的統(tǒng)計和管理上，其主要目的是降低總體維護成本和保證資源有效分配[1-2]。經(jīng)過長期的理論研究和技術探索，如今設備信息管理系統(tǒng)所需的功能不僅局限于信息的統(tǒng)計和管理，而且需要在故障預測與提醒、信息儲存與共享、數(shù)據(jù)挖掘與分析、事故決策與處理等功能上有更寬、更廣的兼容度[3]。目前各國學者也運用控制理論、數(shù)據(jù)庫管理、大數(shù)據(jù)及深度學習和先進的現(xiàn)代管理技術研究和開發(fā)具有更多、更復雜系統(tǒng)功能的綜合性設備信息管理系統(tǒng)[4-5]，使得設備信息管理系統(tǒng)的理論更豐富、發(fā)展更完善、技術更成熟，但關于泵站機電管理系統(tǒng)方面的研究運用卻相對欠缺。

深圳市東江水源工程作為保障深圳原水輸送的大型跨流域調(diào)水重要工程，全線管網(wǎng)從惠州至深圳由100多km的輸水管道和箱涵組成，沿線設有東江、永湖、西枝江、獺湖、沙灣5個泵站和1座松子坑調(diào)蓄水庫，各站點安裝有專用變電站、電機、水泵、高壓開關、微機保護和其他輔助設備，總體具有設備分布范圍廣、局部集中、監(jiān)測點位多的特點。為適應泵站信息化、智慧化發(fā)展的要求，提高泵站運行與監(jiān)管水平，工程利用分層分布式架構搭建了以調(diào)度中心監(jiān)控為主體的，匯集各泵站和水庫的三層計算機監(jiān)控系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測、控制部分設備，卻未集合設備信息管理功能，導致不能及時有效地整合設備資源、反映設備狀況，給設備的維護檢修、備件管理、信息儲存等工作帶來不少壓力，且在“智慧水務”、“智慧泵站”理念提出的前提下，為保障泵站設備使用的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，亟需一款適用于泵站體系的信息系統(tǒng)管理軟件。

本文依據(jù)現(xiàn)有設備信息管理技術理論，結合東江水源工程機電設備覆蓋廣、沿線長、數(shù)量多等特點，針對工程無法通過長時間停用設備和間斷供水來完成硬件和軟件系統(tǒng)統(tǒng)一改造的特殊屬性，在考慮兼容現(xiàn)有硬件設施設備和原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，提出一種采用LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境[7]和SQL Server 2008軟件設計的泵站機電設備信息管理系統(tǒng)，為泵站機電設備信息管理模式提供了一種較新穎的解決方案，本系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)也為泵站信息管理系統(tǒng)功能的設計和完善提供了相應的參考。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體設計思路

本文研究的泵站信息管理系統(tǒng)旨在實現(xiàn)一個集數(shù)據(jù)查詢、故障預測、報表生成等多種功能于一體的自動化信息管理平臺(如圖1所示)。系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境采用NI Labview軟件平臺和SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理軟件，其中LabWindows/CVI是由美國NI公司推出的基于ANSIC的集成開發(fā)環(huán)境，作為交互式C語言開發(fā)平臺，可通過集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)支持GPIB、PCI、RS485等各類總線接口的檢測設備連接與控制，從而有效兼容現(xiàn)有硬件設施的各類數(shù)據(jù)傳輸總線接口；而SQL 2008則通過秘鑰登錄、數(shù)據(jù)格式一致、數(shù)據(jù)共享的方式打通信息管理系統(tǒng)與原計算機監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)數(shù)據(jù)壁壘，提升監(jiān)控、檢測數(shù)據(jù)的復用性和利用效率。

圖1 系統(tǒng)架構示意

2.2 數(shù)據(jù)庫結構設計

SQL 2008是微軟公司專為新的信息類型，例如圖片和視頻的數(shù)字化造成數(shù)字信息存儲爆炸而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)管理平臺，具有智能性、高效性、安全性和可拓展性，是功能齊全的平臺，可以支持數(shù)據(jù)的查詢、插入、保存和刪除等功能。

本設計采用SQL Server2008的圖形化用戶界面設置了數(shù)據(jù)庫表格，通過表節(jié)點新建表并在設計窗口輸入自定義列名并選擇數(shù)據(jù)類型等，再根據(jù)需要設置數(shù)據(jù)庫的容量、文件類型、存放路徑、排序規(guī)則、兼容級別等內(nèi)容[8]。其中設備信息相關的參數(shù)名和數(shù)據(jù)類型設置如圖2所示，系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的綁定通過在 LabWindows/CVI編寫C語言代碼來完成，包括連接數(shù)據(jù)庫、讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)等，圖3為CVI中連接數(shù)據(jù)庫的函數(shù)，本系統(tǒng)根據(jù)自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)格式、賬號及密碼，以代碼逐一綁定的方式通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲取需要的各類設備電參數(shù)、溫度、檢修狀況、閥門開度等信號，并以此為數(shù)據(jù)分析功能提供保障。

圖2 數(shù)據(jù)庫列表設置示意

圖3 CVI連接數(shù)據(jù)庫函數(shù)示意

2.3 泵站的硬件結構

泵站的硬件結構分整體和泵站層次，首先泵站層次采用分布式控制系統(tǒng)架構，主要由泵站LCU柜(計算機現(xiàn)地控制單元)、以太網(wǎng)工業(yè)交換機、服務器和計算機(安裝win7操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)中安裝有NI Labview軟件)及所需的其他具備數(shù)據(jù)傳輸條件的機電設備組成，該層次所有設備都通過RS485、RJ45、GPIB或PCI等總線連接，其中泵站LCU柜(計算機現(xiàn)地控制單元)負責采集單個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并傳輸給安裝于計算機上的上位機，而其他未被監(jiān)控但具備數(shù)據(jù)傳輸條件的機電設備則可以將自身監(jiān)測數(shù)據(jù)直接通過總線連接方式傳輸給計算機。整體層次中不同泵站間的數(shù)據(jù)交換則通過工業(yè)交換機配套、光纜敷設搭建的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)，且由于泵站數(shù)據(jù)相對重要，為了保證數(shù)據(jù)通訊真實、安全，防止外部網(wǎng)絡攻擊，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)網(wǎng)與外部網(wǎng)絡之間采取物理隔離。最終計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過環(huán)網(wǎng)采集匯總整個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)后，通過信息管理軟件實現(xiàn)對該系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的篩選、儲存、管理、分析和預測(見圖4)。

2.4 信息管理系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)主體設計包含了機電設備臺賬、備品備件管理、水庫運行調(diào)度、制度分級匯編、監(jiān)控數(shù)據(jù)分析、故障預測預警6大板塊功能，各版塊功能根據(jù)現(xiàn)有管理模式及重點需求設計，相互之間獨立又互相兼容。系統(tǒng)能夠全面反映泵站機電設備的設備名稱、型號規(guī)格、生產(chǎn)廠商、出廠編號、投運時間、安裝位置、使用狀態(tài)、剩余數(shù)量等信息，管理人員通過該軟件可以實時掌握各個管理所機電設備的信息，可以清楚備品備件剩余數(shù)量和入庫情況，也可以提供各主要機組的設備狀態(tài)預測，有利于管理人員處理運行和檢修規(guī)程的修編、完成檢修計劃制定、統(tǒng)籌備品備件購買計劃等工作，該框架也保留了可以為滿足條件的自控設備提供必要數(shù)據(jù)和控制接口的服務，為以后二次開發(fā)提供便利(如圖5所示)。

圖4 泵站的硬件結構示意

圖5 泵站信息管理系統(tǒng)軟件結構示意

3 系統(tǒng)部分子模塊功能

3.1 查詢模塊

泵站信息管理系統(tǒng)的查詢模塊如圖6所示，該模塊實現(xiàn)了泵站所有設備的查詢功能，通過查找條件1和查找條件2選擇設備所屬泵站及選定查找信息，條件1為管理處及管理處管轄內(nèi)泵站，條件2為設備基本信息，其中包含設備名稱、型號規(guī)格、出廠編號、資產(chǎn)編號等關鍵性內(nèi)容，并于內(nèi)容框內(nèi)綁定查詢所需數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則根據(jù)所選擇內(nèi)容在數(shù)據(jù)庫里篩選符合條件的設備并進行顯示，此后可通過該界面修改和整理所需報表素材并最終生成和存儲報表如圖7，省去人工逐項整理數(shù)據(jù)的麻煩，有效解決了目前word文檔格式臺賬或者功能簡單的信息管理軟件帶來的實時性不高、迭代性不強等問題。

圖6 泵站信息管理系統(tǒng)的查詢子模塊示意

圖7 生成報表界面示意

3.2 水庫運行調(diào)度

管理處所轄松子坑水庫位于深圳市坪山區(qū)龍?zhí)锝值溃畮旒昝娣e為4.96 km2，總庫容為4 157萬m3，承擔為坪山區(qū)坑梓水廠日常供水和深圳市應急供水的重任，且兼顧防洪度汛任務的的中型水庫。水庫在執(zhí)行日常調(diào)度指令時，何時開關閘門需專業(yè)工程師根據(jù)水雨情及庫區(qū)閘門抽排水等綜合參數(shù)結合實際經(jīng)驗進行判斷，但在遇到極端雨量的情況下，其判斷不夠精準且易受干擾，稍有不慎則可能造成重大財產(chǎn)損失及人員傷亡事故。為解決這一隱患，本文根據(jù)最優(yōu)控制理論搭建了控制模型，該模型可以讓專業(yè)工程師承擔更加專業(yè)和艱巨的任務，也可以實現(xiàn)精準調(diào)度、降低安全隱患。

該控制模型如圖8所示，模型以安全水位或調(diào)度指令為控制輸入信號，假設在汛期，系統(tǒng)根據(jù)水庫狀況及調(diào)度指令判定該時期安全水位為A，目前水位為B，其偏差為E，將偏差E輸入控制模型，控制模型根據(jù)未來天氣情況、各個壩點的水雨情監(jiān)控、水庫庫容和面積、蒸發(fā)量、抽排水狀態(tài)等信息綜合計算應開啟抽水水泵臺數(shù)或者排水閘門個數(shù)，結合單臺水泵或單個閘門的抽排水流量參數(shù)可計算最優(yōu)的抽排水時間，并將該結果實時反饋至系統(tǒng)指導人員操作，以此達到控制水位的目的，從而實現(xiàn)安全度汛或完成調(diào)度指令的目標。

圖8 水庫水位控制模型示意

3.3 數(shù)據(jù)分析與故障預測

備件更換提醒及庫存報警[10]：經(jīng)過長時間運行，備件更換是常態(tài)，在東江水源工程20 a各類備件更換時間、更換頻率等數(shù)據(jù)的支撐下，可以統(tǒng)計分析各備件的更換期，假設某一備件正常更換期是2 a，而此備件約2 a未更換了，系統(tǒng)將出現(xiàn)彈窗提醒，建議檢修人員去檢查更換，備件庫存不足時也會標紅報警，并可導出采購列表讓采購人員進行采購。

泵組故障預測分析：本設計通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法搭建了泵組故障預測的學習模型[11-12]，并將泵組近20 a采集并存儲的參數(shù)：進出水壓力、電機轉速、運行時長、水泵揚程、電機功率、泵組檢修狀況等信息訓練該模型，得到不同條件下的輸出解，以此判斷泵組是否存在故障或提前預判故障點，可為檢修維護工作帶來保障。

3.4 制度管理

制度分級模塊主要提供文件錄入、查詢、在線閱讀、下載打印等功能，模塊展示主要采用列表形式，可通過PDF格式進行存儲和展現(xiàn)并支持關鍵字、文件編號進行模糊查找所需文件，點擊即可在線查閱和下載。其中存儲的文件類型分為制度規(guī)程、管理條例、法律法規(guī)、通知等，所有文件均通過上述類別進行歸集分類，并實現(xiàn)更新功能以適應相關制度的升級、修編、新增等情況。

4 結語

本文嘗試提出泵站機電設備信息管理系統(tǒng)的設計思路并使用了LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境和SQL Server 2008軟件進行開發(fā)。目前，系統(tǒng)已完成6大功能模塊組建，并成功建立泵站機電設備信息數(shù)據(jù)庫，為深圳市東江水源工程管理處填補了機電設備信息管理功能上的空白。

該泵站機電設備信息管理系統(tǒng)可與原計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫通過秘鑰解鎖、匹配數(shù)據(jù)讀取格式打通數(shù)據(jù)壁壘，可以有效地解決整個自控系統(tǒng)重新開發(fā)所帶來開發(fā)量龐大、再開發(fā)周期長的問題，也可分模塊設計并加入各項功能，為泵站信息管理現(xiàn)代化提供一定的參考，因此，本文機電設備信息管理系統(tǒng)和相應的信息管理模式有較好的應用前景。