泵站机电设备信息管理系统的设计与实现

肖 勇，郑会耀，林振鹏，张 鹏，许哲峰

(深圳市东江水源工程管理处,广东 深圳 518000)

1 研究背景

长期以来，国内外学者为各类工业系统研发了各种各样的设备管理软件，成为工业自动化、企业现代化生产的重要桥梁，但针对工业系统设计的设备信息管理系统在最初的功能设计方面更多地体现在对设备基础信息的统计和管理上，其主要目的是降低总体维护成本和保证资源有效分配[1-2]。经过长期的理论研究和技术探索，如今设备信息管理系统所需的功能不仅局限于信息的统计和管理，而且需要在故障预测与提醒、信息储存与共享、数据挖掘与分析、事故决策与处理等功能上有更宽、更广的兼容度[3]。目前各国学者也运用控制理论、数据库管理、大数据及深度学习和先进的现代管理技术研究和开发具有更多、更复杂系统功能的综合性设备信息管理系统[4-5]，使得设备信息管理系统的理论更丰富、发展更完善、技术更成熟，但关于泵站机电管理系统方面的研究运用却相对欠缺。

深圳市东江水源工程作为保障深圳原水输送的大型跨流域调水重要工程，全线管网从惠州至深圳由100多km的输水管道和箱涵组成，沿线设有东江、永湖、西枝江、獭湖、沙湾5个泵站和1座松子坑调蓄水库，各站点安装有专用变电站、电机、水泵、高压开关、微机保护和其他辅助设备，总体具有设备分布范围广、局部集中、监测点位多的特点。为适应泵站信息化、智慧化发展的要求，提高泵站运行与监管水平，工程利用分层分布式架构搭建了以调度中心监控为主体的，汇集各泵站和水库的三层计算机监控系统[6]，该系统实现了监测、控制部分设备，却未集合设备信息管理功能，导致不能及时有效地整合设备资源、反映设备状况，给设备的维护检修、备件管理、信息储存等工作带来不少压力，且在“智慧水务”、“智慧泵站”理念提出的前提下，为保障泵站设备使用的安全性、稳定性和可靠性，亟需一款适用于泵站体系的信息系统管理软件。

本文依据现有设备信息管理技术理论，结合东江水源工程机电设备覆盖广、沿线长、数量多等特点，针对工程无法通过长时间停用设备和间断供水来完成硬件和软件系统统一改造的特殊属性，在考虑兼容现有硬件设施设备和原有计算机监控系统的基础上，提出一种采用LabWindows/CVI开发环境[7]和SQL Server 2008软件设计的泵站机电设备信息管理系统，为泵站机电设备信息管理模式提供了一种较新颖的解决方案，本系统的研究和实现也为泵站信息管理系统功能的设计和完善提供了相应的参考。

2 系统设计

2.1 总体设计思路

本文研究的泵站信息管理系统旨在实现一个集数据查询、故障预测、报表生成等多种功能于一体的自动化信息管理平台(如图1所示)。系统的软件开发环境采用NI Labview软件平台和SQL Server 2008数据库管理软件，其中LabWindows/CVI是由美国NI公司推出的基于ANSIC的集成开发环境，作为交互式C语言开发平台，可通过集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数支持GPIB、PCI、RS485等各类总线接口的检测设备连接与控制，从而有效兼容现有硬件设施的各类数据传输总线接口；而SQL 2008则通过秘钥登录、数据格式一致、数据共享的方式打通信息管理系统与原计算机监控系统间的数数据壁垒，提升监控、检测数据的复用性和利用效率。

图1 系统架构示意

2.2 数据库结构设计

SQL 2008是微软公司专为新的信息类型，例如图片和视频的数字化造成数字信息存储爆炸而开发的一种数据管理平台，具有智能性、高效性、安全性和可拓展性，是功能齐全的平台，可以支持数据的查询、插入、保存和删除等功能。

本设计采用SQL Server2008的图形化用户界面设置了数据库表格，通过表节点新建表并在设计窗口输入自定义列名并选择数据类型等，再根据需要设置数据库的容量、文件类型、存放路径、排序规则、兼容级别等内容[8]。其中设备信息相关的参数名和数据类型设置如图2所示，系统与数据库数据的绑定通过在 LabWindows/CVI编写C语言代码来完成，包括连接数据库、读取或写入数据库数据等，图3为CVI中连接数据库的函数，本系统根据自控系统数据现有的数据格式、账号及密码，以代码逐一绑定的方式通过计算机监控系统数据库获取需要的各类设备电参数、温度、检修状况、阀门开度等信号，并以此为数据分析功能提供保障。

图2 数据库列表设置示意

图3 CVI连接数据库函数示意

2.3 泵站的硬件结构

泵站的硬件结构分整体和泵站层次，首先泵站层次采用分布式控制系统架构，主要由泵站LCU柜(计算机现地控制单元)、以太网工业交换机、服务器和计算机(安装win7操作系统，并在操作系统中安装有NI Labview软件)及所需的其他具备数据传输条件的机电设备组成，该层次所有设备都通过RS485、RJ45、GPIB或PCI等总线连接，其中泵站LCU柜(计算机现地控制单元)负责采集单个系统的数据并传输给安装于计算机上的上位机，而其他未被监控但具备数据传输条件的机电设备则可以将自身监测数据直接通过总线连接方式传输给计算机。整体层次中不同泵站间的数据交换则通过工业交换机配套、光缆敷设搭建的数据传输环网实现，且由于泵站数据相对重要，为了保证数据通讯真实、安全，防止外部网络攻击，数据传输环网与外部网络之间采取物理隔离。最终计算机监控系统通过环网采集汇总整个数据网络的数据后，通过信息管理软件实现对该系统所需数据的筛选、储存、管理、分析和预测(见图4)。

2.4 信息管理系统的软件设计

该系统主体设计包含了机电设备台账、备品备件管理、水库运行调度、制度分级汇编、监控数据分析、故障预测预警6大板块功能，各版块功能根据现有管理模式及重点需求设计，相互之间独立又互相兼容。系统能够全面反映泵站机电设备的设备名称、型号规格、生产厂商、出厂编号、投运时间、安装位置、使用状态、剩余数量等信息，管理人员通过该软件可以实时掌握各个管理所机电设备的信息，可以清楚备品备件剩余数量和入库情况，也可以提供各主要机组的设备状态预测，有利于管理人员处理运行和检修规程的修编、完成检修计划制定、统筹备品备件购买计划等工作，该框架也保留了可以为满足条件的自控设备提供必要数据和控制接口的服务，为以后二次开发提供便利(如图5所示)。

图4 泵站的硬件结构示意

图5 泵站信息管理系统软件结构示意

3 系统部分子模块功能

3.1 查询模块

泵站信息管理系统的查询模块如图6所示，该模块实现了泵站所有设备的查询功能，通过查找条件1和查找条件2选择设备所属泵站及选定查找信息，条件1为管理处及管理处管辖内泵站，条件2为设备基本信息，其中包含设备名称、型号规格、出厂编号、资产编号等关键性内容，并于内容框内绑定查询所需数据，系统则根据所选择内容在数据库里筛选符合条件的设备并进行显示，此后可通过该界面修改和整理所需报表素材并最终生成和存储报表如图7，省去人工逐项整理数据的麻烦，有效解决了目前word文档格式台账或者功能简单的信息管理软件带来的实时性不高、迭代性不强等问题。

图6 泵站信息管理系统的查询子模块示意

图7 生成报表界面示意

3.2 水库运行调度

管理处所辖松子坑水库位于深圳市坪山区龙田街道，水库集雨面积为4.96 km2，总库容为4 157万m3，承担为坪山区坑梓水厂日常供水和深圳市应急供水的重任，且兼顾防洪度汛任务的的中型水库。水库在执行日常调度指令时，何时开关闸门需专业工程师根据水雨情及库区闸门抽排水等综合参数结合实际经验进行判断，但在遇到极端雨量的情况下，其判断不够精准且易受干扰，稍有不慎则可能造成重大财产损失及人员伤亡事故。为解决这一隐患，本文根据最优控制理论搭建了控制模型，该模型可以让专业工程师承担更加专业和艰巨的任务，也可以实现精准调度、降低安全隐患。

该控制模型如图8所示，模型以安全水位或调度指令为控制输入信号，假设在汛期，系统根据水库状况及调度指令判定该时期安全水位为A，目前水位为B，其偏差为E，将偏差E输入控制模型，控制模型根据未来天气情况、各个坝点的水雨情监控、水库库容和面积、蒸发量、抽排水状态等信息综合计算应开启抽水水泵台数或者排水闸门个数，结合单台水泵或单个闸门的抽排水流量参数可计算最优的抽排水时间，并将该结果实时反馈至系统指导人员操作，以此达到控制水位的目的，从而实现安全度汛或完成调度指令的目标。

图8 水库水位控制模型示意

3.3 数据分析与故障预测

备件更换提醒及库存报警[10]：经过长时间运行，备件更换是常态，在东江水源工程20 a各类备件更换时间、更换频率等数据的支撑下，可以统计分析各备件的更换期，假设某一备件正常更换期是2 a，而此备件约2 a未更换了，系统将出现弹窗提醒，建议检修人员去检查更换，备件库存不足时也会标红报警，并可导出采购列表让采购人员进行采购。

泵组故障预测分析：本设计通过人工神经网络算法搭建了泵组故障预测的学习模型[11-12]，并将泵组近20 a采集并存储的参数：进出水压力、电机转速、运行时长、水泵扬程、电机功率、泵组检修状况等信息训练该模型，得到不同条件下的输出解，以此判断泵组是否存在故障或提前预判故障点，可为检修维护工作带来保障。

3.4 制度管理

制度分级模块主要提供文件录入、查询、在线阅读、下载打印等功能，模块展示主要采用列表形式，可通过PDF格式进行存储和展现并支持关键字、文件编号进行模糊查找所需文件，点击即可在线查阅和下载。其中存储的文件类型分为制度规程、管理条例、法律法规、通知等，所有文件均通过上述类别进行归集分类，并实现更新功能以适应相关制度的升级、修编、新增等情况。

4 结语

本文尝试提出泵站机电设备信息管理系统的设计思路并使用了LabWindows/CVI开发环境和SQL Server 2008软件进行开发。目前，系统已完成6大功能模块组建，并成功建立泵站机电设备信息数据库，为深圳市东江水源工程管理处填补了机电设备信息管理功能上的空白。

该泵站机电设备信息管理系统可与原计算机监控系统的数据库通过秘钥解锁、匹配数据读取格式打通数据壁垒，可以有效地解决整个自控系统重新开发所带来开发量庞大、再开发周期长的问题，也可分模块设计并加入各项功能，为泵站信息管理现代化提供一定的参考，因此，本文机电设备信息管理系统和相应的信息管理模式有较好的应用前景。