泵站自動化系統設備檢測評價方法及平臺開發

樊慶斌，杜法雷，張 苗，謝海洋，施 偉

(南水北調東線江蘇水源有限責任公司徐州分公司，江蘇 徐州 221200)

近年來，水利工程的快速發展加快了水利信息化自動化建設步伐，新建或改造泵站大多以“無人值班，少人值守”[1-3]為目標配套建設了自動化信息化系統。但從實施效果上來看，泵站的運行管理智能化程度還未達到目標要求，大部分泵站目前還無法完全地實現“無人值班，少人值守”的設計目標。

為推進“大型泵站智慧化數字化、工程調度管理智能化”建設[4-5]，促使泵站生產、運行和維護更加安全可靠，經營管理更加經濟高效以及實現大型泵站的“風險識別自動化、管理決策智慧化”目標。針對泵站現有調度、運行、維護管理的需要，有必要進行泵站自動化系統性能檢測平臺的研究。

因此，本文根據“強監管、補短板”的任務思路，對泵站自動化檢測系統的可靠性進行分析以及深入研究，最終選擇采用模糊綜合評價法的數學方法來建立泵站自動化系統檢測評價基礎模型[6]。并借助“智能檢測”技術，采用“預測性維護”的管理手段，實現泵站的智能化運維管理，逐步提高可靠性、平均利用率、平均故障間隔時間MTBF。經過對多個泵站的運行管理進行橫向比照，不斷完善現代化科學管理。研制高精度的信號發生裝置及相關配套軟硬件平臺，模擬現場運行環境信號，完成自動化系統的性能測試，同時定制研發測試平臺軟件分析自動化系統的潛在設備風險，提高各個泵站的自動化運維檢修水平，發現潛在的性能缺陷，促進技術管理的現代化。

近年來國內學者對自動化的評價以及自動化系統設備檢測平臺開發有一定研究。董云逸等[7]選取人員因素、設備要素、車站環境水平、車站組織管理地這4個方面作為模糊評價的主要因素，提出了多層次模糊綜合評價法層面上的SAM系統聯調行車安全評價數學模型，成功得到該自動化系統的風險評價方案。范穎[8]利用層析分析法的數學方法，對整個指標體系進行剖析求解，得出指標體系的權重。同時通過運用模糊評價法建立了電網地區調度自動化系統的綜合評價數學模型，并從定性指標和定量指標兩個指標進行了評價。何鵬輝[9]設計完成了水電站群的數據采集系統。其中，系統硬件與軟件架構的設計以及歷史數據庫設計，通過借鑒面向服務架構的思想(SOA)成功地將系統進行解耦合，使得原本集中式結構的系統變為松耦合的分布式系統。與此同時，何鵬輝還提出了異步事件驅動機制的IEC60870-5-104規約處理措施，成功地提高系統數據采集的穩定性。李坤陽[10]將PLC控制器與配套監控硬件設備緊密結合，以船舶電站處和遠程監控站點處收集、整合、處理各項數據為基礎，最終實現船船、船岸間的共通協作運行的要求。并通過采用模塊化的設計思想，將系統分成兩大部分進行設計。為全船提高質量、經濟、可靠的電力。

1 泵站自動化系統設備檢測評價體系

本文構建了泵站自動化系統設備綜合評價指標體系，并介紹了評價指標體系的構建原則。從現地級、站控級、管理級這3個方面進行了指標的選取與體系的建立。同時，介紹該評價體系中如何確定權重，如何利用模糊綜合評價法進行評價。并闡述了該模型的內涵。最終建立了泵站自動化系統設備綜合評價價模型。

1.1 指標體系構建的原則

評價指標體系的構建影響著自動化系統設備檢測評價的合理性，選取的是否權當對結果的影響很大。因此，選取得指標應當考慮全面，不僅要從泵站自動化情況考慮，還要考慮指標得獲取、易量化得程度等科學的原則。

一般情況下，指標選取應當遵從目的性原則，在進行泵站自動化系統設備綜合評價時選取可以滿足綜合評價目的指標；系統性原則，指標體系是一個有機的整體，各指標之間在某個方面存在一定的聯系，并且能做到自上而下、層層遞進。全面性指標不宜過多，這樣會導致指標重復和繁瑣，同時也不可過少會造成重要信息的遺漏。

1.2 影響指標的選取

泵站自動化系統一般采用開放式，建立在網絡安全分區原則上進行了系統結構，使得各子系統之間相對獨立，同時又可通過一定的方式互連[11]。系統自下而上分成現地級、站控級﹑管理級。在泵站自動化系統設備綜合評價指標體系的選取中，本文依照上述原則，從現地級、站控級、管理級3個方面進行選取。

泵站自動化系統典型網絡結構如圖1所示，本文在選取指標[12]時，現地級的指標主要選取監控系統LCU狀態指標、傳感器狀態指標；站控級選取監控主機狀態指標、MCU狀態指標、顯示終端狀態指標；管理級選取數據庫指標、服務器指標、管理終端指標。最終選取結果，如表1所示。

圖1 泵站自動化系統典型結構

表1 泵站自動化系統設備綜合評價指標體系

1.3 模糊綜合評價建立

模糊綜合評價[13]的步驟由下文所提的5個步驟組成：一是確定因素集；二是確定評語集統計；三是確定單因素隸屬度向量、形成隸屬度矩陣；四是確定權重集；五是計算綜合評定值、得出結果。

(1)確定因素集

因素集是指多個指標的集合包括一級、二級指標。要對某一具體對象進行綜合評價，就需要分析影響評價結果的因素以及如何表達評價結果。通常的因素集用F表示，指標用fi表示，表示為式(1)。

F={f1,f2,……,fn}

(1)

(2)確定評語集

評語集指的是被評價項目的程度，通常用E表示。評語集一般依據優劣的程度劃分為多個等級，通常用ej表示，表示為式(2)。

E={e1,e2,……,en}

(2)

(3)確定單因素隸屬度向量、形成隸屬度矩陣

(3)

(4)確定權重集

權重集表示各指標在所在層次的重要性，通常用W表示，權重集表示為式(4)。

WF={Wf1,Wf2,……,Wfn}

(4)

其中，權重集中各權重的值，采用層次分析法確定，本文不再贅述。

(5)計算評價值

最終模糊綜合評價的方法通過將影響因素之間的模糊關系反應為評語集之間的模糊關系，評價值通常用S表示，最終計算結果按照式(5)計算。

S=WTR

(5)

2 泵站自動化系統設備檢測平臺研發

現階段市場自動化系統設備種類繁多、集成方式多樣，系統的可靠性主要依賴于系統集成商的能力和責任心。系統投運后管理單位和維護單位僅可完成出現故障后的處理工作，對于系統設備的定期檢測力不從心。自動化系統設備檢測平臺作為自動化設備的標準檢測裝置，對設備性能進行全面檢測。PLC等控制裝置進行CPU運行性能、IO逐通道多點檢測、內部電源供電狀況檢測；通訊網絡進行包括響應時間、準確率等檢測；傳感器進行數據準確性及電磁干擾波動性檢測[14]。本文通過將上述方法集成的所研發平臺中，補充自動化系統設備缺乏有效監測的短板，可實現科學運維、數據運維、提升平均故障間隔時間MTBF，從而提高可靠性。

2.1 平臺研發內容

泵站自動化系統設備檢測平臺研發包括高精度信號采集發生器研發、分析檢測平臺軟件開發以及便攜式外觀設計。

(1)高精度信號采集發生器研發

功能主要包括：16路精度為16位的模擬量輸出、16路精度為16位的模擬量輸入、32路SOE開關量檢測輸入、32路SOE開關量信號輸出、8路溫度量輸出。

嵌入式系統的架構[15]被劃分為4層結構，自下而上分別是：硬件層、驅動層、操作系統層和應用層。硬件層面開發5信號IO基板，產生或接收基本信號；主控板進行數據采集、處理、分析，精確時間至ms；通訊基板構建兩個以太網接口與平臺軟件進行通訊。軟件內核采用Linux內核作為操作系統，并布置通用協議支持軟件。軟件架構分成5層，每層包含很多模塊，每層都有自己的一些特點。當新的需求提出或系統需求發生變化，只需要對發生改變的模塊進行改寫。模塊與模塊之間選擇不設置全局變量，僅允許通過函數接口進行內部的通信。從而有效保障了軟件系統的可靠性。

(2)分析檢測平臺軟件

本文應用上文所提到的模糊綜合評價法進行軟件開發，定制開發一體化自動化系統設備檢測平臺軟件[16]，通過分析數據，出具檢測報告。對數據采集設備、終端、傳感器等進行信息化管理，實現設備運行狀態信息收集功能。通過圖形化展示方式實時顯示采集終端及各項參數分布狀態，為自動化系統設備的高效維護和可靠性運行提供保障。通過設定的閾值條件，利用數據分析技術，生成預警警告，并在檢測報告中重點標出。利用數據分析技術，根據自動化系統實際情況，對采集及作業數據進行分析，整理至單站的檢測報告中，指導站所自動化系統高效維護和系統使用的可持續性。

(3)便攜式外觀設計

為方便泵站的現場使用，在電路設計、外包裝方面盡可能地減小設備體積。并設計便攜式拉桿箱設計，以便在多個不同現場進行檢測操作。

2.2 檢測平臺優勢、目標

2.2.1 檢測平臺的優勢

在自動化檢測的實際操作中，發現要去實現泵站自動化檢測，并非掌握某個自動化測試工具或掌握腳本編寫的技術語言即可實現。面對一系列的復雜系統，能夠實現自動化就能夠提升自動化運行維護的效率。不具備可維護性、復用性差等隱藏問題都將是導致自動化檢測平臺開發失敗的最致命因素，盡管開發者很努力，但開發成果并不能取得良好效果。

開發分析檢測的平臺優勢在于能夠提高測試效率和降低泵站自動化維護成本，實現快速且多次的回歸測試，可提高測試覆蓋率，在提高了測試的可行性同時，避免了人為因素干擾。

2.2.2 檢測平臺的目標

在搭建符合要求的泵站自動化檢測框架時，為了能讓未來泵站自動化檢測正式實施時能夠有序且高效開展，應當使其達成高復用性、高可維護性、穩定性、能夠不斷提升自動化測試比例的目標。

3 結 語

在當前泵站智能化信息化高速發展的背景下，為了順利實現水利工程由“信息化”向“智慧化”和“智能化”轉型，對自動化系統的開發和研制提出了進一步要求，因此亟需開展自動化設備檢測評價方法和平臺研制的深入研究。

本文基于模糊綜合評價的數學方法，提出了泵站自動化系統設備綜合評價方法，確定了評價指標，建立了模糊綜合評價體系。并在此基礎上，提出了更可靠、功能更完善的泵站自動化系統設備檢測平臺及其配套軟、硬件的設計構想，主要包括高精度的信號發生裝置研發和分析檢測平臺軟件開發2個部分，該平臺可實現對現場運行環境信號的模擬，完成自動化系統的性能測試，能夠有效分析自動化系統的潛在設備風險，提高各個泵站的自動化運維水平，發現潛在的性能缺陷，以促進管理向現代化發展。