一种自动化融合信息化的中小型泵闸站群远程控制系统

陈雨晴,邢述春

(钛能科技股份有限公司,南京 211800)

0 引言

泵闸站信息化是水利信息化的综合体现,而中小型泵闸站的自动化水平是水利自动化和信息化水平的重要体现。长久以来,中小型泵闸站大都存在自动化水平偏低、带病运行的现状,渐渐成为水资源优化配置和联合调度的掣肘。因此,建设一套成本低、自动化程度高、运行安全、稳定可靠的中小型泵闸站群远程控制系统显得越发重要。党的十八大以来,全国各地按照“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针,按照“强水利、美生态、富百姓、建队伍、保平安”的总体要求[1],着力补齐信息化短板和不足,全力推进泵站、水闸等重要设施的自动化和信息化建设。

中小型泵闸站远程控制系统建设的目标是：运用先进的数据采集、传输和处理手段,融合自动化、信息化和智慧化等先进技术,建立一个覆盖区域内大大小小泵闸站的,以物联感知系统为基础、通信传输系统为保障、计算机网络系统为依托、决策支持系统为核心的,能够提高泵闸站管理水平、促进泵闸站技术优化和提高用水效率的[2],支持远程安全可靠控制的智慧远程控制系统,为整个区域水资源的优化配置和合理利用提供调度运行决策支持。

1 技术方案

1.1 系统结构

中小型泵闸站群远程控制系统是一套自动化融合信息化的远程控制系统,系统结构设计按照物联网“云、管、边、端”的概念,划分为云端服务系统、管端通信通道及安全加密、边设备和端设备一体化配置。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

1.2 系统组成

系统主要由六大部分构成：一是基于数据采集、数据存储、数据加密的云端服务;二是基于云端服务的移动应用;三是基于工情数据和视频叠加的动态OSD服务;四是基于边端智能设备的边缘计算;五是基于自学习、自动安全控制的人工智能;六是基于水位、开度、流量等工情信息的智能联动[3]。

云端服务包括云物联、云安全、云存储和云计算。云物联完成各中小型泵闸站的信息采集和数据共享;云安全通过对数据、通道、硬件进行加密,确保信息与控制的安全;云存储实现泵闸站群的海量信息存储;云计算则是基于各泵站、水闸的全息感知,从而实现区域水资源联合调度。移动应用提供信息展示、统计分析和远程控制功能。边缘计算则具备分布、实时、高效和安全的最终目标,泵机组和闸门就地分布式监测、控制及保护,实现设备状态的实时采集、控制的快速响应,通过就地数据计算分析和过滤实现系统的高效,此外原始数据就地存储、控制等执行本地化,提高了数据和操作的安全性。人工智能体现在系统可根据不同的执行结构自动识别启停过程的智能启停;可根据运行工况智能识别异常并执行应对策略的智能运行;定制化电气、机械保护的智能保护和传感器故障、机械阻尼、自我诊断的智能容错。

1.3 功能特点

1.3.1 高度集成的一体化设计

泵闸智能遥测控制终端以RTU或小型PLC为核心监控单元,采集泵闸站水情和工情数据,通过4G无线网络,或者有线网络,也可自建微波,对于偏远地区甚至可采用北斗短报文技术进行通信,将采集的信息送至综合管理平台。终端接收到平台下发的控制指令后,可自动分析控制对象的运行状态和告警情况,结合内置的保护逻辑,确定是否执行。终端内置小容量后备电源,从而实现非运行期每天一次平安报的需求。终端采用一体化设计方案,外形精致,安装方便。

1.3.2 多重保护确保安全运行

终端针对泵闸站日常操作过程中可能出现的故障及非正常运行状态,结合其他工程的总结与分析成果,设计了双重限位保护、闸门卡阻保护(闸门卡阻保护程序及保护逻辑见图2)、闸位信号断线保护、运行超时保护、电气量保护等保护措施,确保泵闸运行的自动、高效与安全,全面提升泵闸运行管理的效率和效能,对改善区域水资源调度和安全运行具有重要的意义[4],是全方位推进智慧水利建设、提升水安全保障能力、助力水利事业改革发展的基础手段之一。

图2 闸门卡阻保护程序及保护逻辑

1.3.3 边缘计算助力人工智能

系统使用多种边缘计算,以闸门行进过程的整体边缘计算(计算流程见图3)为例,边端设备接收到闸门启动命令后,根据当前的动力电状态、闸前、闸后水位、闸门当前位置及目标位置,进行历史运行数据的记忆库匹配检索,通过计算形成本次的运行曲线拟合,给出安全的运行边界,在运行过程中实时进行边界判断,保证闸门在安全区域内运行,超出安全区域进行预警和停止。同时记录本次的运行轨迹,结合历史相似轨迹进行轨迹模型的优化,更新记忆库模型。通过不断的自学习和自修正,保证闸门的安全可靠运行。

图3 闸门行进过程的整体边缘计算

1.3.4 自动化融合信息化理念

系统面向的对象为中小型泵闸站,特别是小型泵闸站的智能化升级。目前,很多区域的中小型泵闸站只配置了现地手动控制柜,控制方式采用电话或微信通知,运维人员现场操作,工作效率低、响应不及时、安全风险大。但如果按照大型泵闸站进行自动化升级,需配套现地PLC控制柜、SCADA系统和信息化平台,建设成本确实偏高。本系统特别适合这类场景,将自动化控制融入信息化平台,一体化设计的智能遥测控制终端作为采集控制单元进行数据采集和控制指令执行设备,配套多重泵闸保护措施,既实现了远程和自动控制,又确保了控制的安全可靠,还能够辅助完成区域的综合调度和联合运行。

1.3.5 海量数据支撑智能调度

配套的智慧管理平台可根据接收到的区域调度指令,分析各泵闸的实时工情、水情、气象等信息,结合区域各水系和泵闸关系情况,利用水动力学模型,匹配并分析历史类似工况调度工作的成果,自动生成调度方案,确定最优调度路线和泵闸控制方案。调度过程中,根据水位变化情况、泵闸运行工况和海量的历史数据,自动优化调度方案,确保调度工作按既定的目标平稳推进。

2 应用案例

以“上海金山区智能生态调水工程”为例,项目计划完成400余座泵闸接入,目前,已完成129座泵闸站智慧化改造和系统接入,实现了现地控制、远程集控、“云控制”和移动端多级联控。系统集成数据采集、逻辑控制、人工智能、边缘计算、异常预警、远程通信、视频监控等技术,确保数据精确稳定、控制安全可视、预警及时准确、通信可靠稳定,为区域生态调水和智慧化防汛保驾护航,实现了金山区各接入泵闸站的集中统一调度和智能化决策。项目运行3年多来,在金山区生态调水和圩区防洪工作中发挥了重要作用。

上海金山区智能生态调水工程包括物联感知设备、遥测控制终端、视频监控设备、通信网络和具有远程控制功能的信息化平台五部分组成。

2.1 物联感知设备

物联感知设备主要包括超声波水位计和闸门开度传感器,完成泵闸站上下游水位、闸门开度等数据的实时采集,同时为远程自动控制、智能边缘计算及智能保护逻辑等提供数据。

2.2 遥测控制终端

遥测控制终端以智能遥测终端机为核心设备,负责全站数据的采集、分析和传输,是系统承上启下的关键设备。设备集成各类水利专业模型算法,自定义智能保护逻辑,同时具备自学习功能,不断完善更新保护逻辑和记忆库,确保控制系统的安全可靠。最重要的是在保证控制安全智能的前提下,遥测控制终端的建设成本远远低于传统的“PLC+SCADA系统”自动化解决方案,从而大大降低了整个项目的建设投资,使中小型泵闸站的自动化改造成为了可能。

2.3 视频监控设备

系统中引入视频监控设备主要从安防和“可视”两个方面进行考虑,从而实现控制的可视化,提供站点设备的安全性。无线站点摄像机采用4G摄像机,内置存储卡进行视频画面的现地存储,中心管理平台按需调用,从而降低流量费用。

2.4 通信网络

通信网络主要采用4G无线网络、家庭宽带相结合的方式。条件允许的情况下优先选择家庭宽带,费用低、数据传输稳定可靠;对位置偏远、不便架设网络的站点采用4G无线网络进行数据传输。

2.5 智能生态调水云平台

系统部署在租用的云平台上,系统集站点运行总览、设备实时监视、数据统计分析、远程运行操作、自动控制调度等功能于一身(见图4),为金山区生态调水和圩区防洪提供了重要的技术手段和决策依据。

图4 云平台系统界面

3 结语

本文从系统结构、系统组成和功能特点等方面系统介绍了一套自动化融合信息化的中小型泵闸站群远程控制系统的技术路线和实现方案,并结合“上海金山区智能生态调水工程”的应用案例进行整体评价。系统在建设可行性、运行安全性、智能保护、智能控制、人工智能和区域联合控制等方面均具有较高的推广意义和参考价值。

要推进新时代水利现代化发展,必须全方位推进智慧水利建设,提升水安全保障能力,为水利改革发展提供有力支撑。在进行新时期智慧水利信息化建设时,需找出现阶段水利信息化建设的短板与不足,结合大数据、物联网、5G、人工智能、信息化等先进技术,全力推进泵站、水闸的信息化建设,提升远程安全控制水平,着力补足信息化短板和盲区,高效实现区域水资源的优化配置和联合调度,早日达成绿色可持续的发展目标。