“互聯網+排澇泵站群”遠程網絡管控系統設計

付 琛,楊國華,李海波,趙曉峰

(無錫商業職業技術學院 物聯網技術學院，江蘇 無錫 214153)

“互聯網+排澇泵站群”遠程網絡管控系統設計

付 琛,楊國華,李海波,趙曉峰

(無錫商業職業技術學院 物聯網技術學院，江蘇 無錫 214153)

以常熟辛莊片區排澇泵站群為載體，結合“互聯網+水利自動化+優化網絡安全控制”的理念，采用分散控制、統一管理的模式，利用瀏覽器、手機APP為遠程終端服務軟件，以PLC作為現場控制核心，基于WEB以及移動子網開發了一套排澇泵站群數據采集與監視控制系統(supervisory control and data acquisition system，SCADA)；文中重點就系統設計過程中的一些關鍵技術進行了闡述，如系統通信網絡安全自檢模塊設計、遠程水泵工作狀態數據采集以及遠程水泵智能啟?？刂茖崿F等；通過該系統在實際現場的應用調試發現，其運行安全可靠，實現了利用瀏覽器或手機移動終端進行各排澇子站分管區域的水情監測、泵站工作狀態數據監測、排澇子站的水泵機組多模式控制等智能化功能，給泵站的實時監管帶來了便利，創造了很大的社會價值。

排澇站；網絡應用；正交試驗；數據采集與監視控制系統；“互聯網+”；智能優化調度

0 引言

水利排澇站作為國民經濟和社會發展的重要公益性基礎設施，它不僅是農業生產的重要基礎設施、防洪排澇體系的重要組成部分，還是區域生態環境保護的有力保護者[1]。但是許多建成于20世紀80、90年代的大型泵站，大多以傳統的手工控制、人工值守為主，缺少自動化監控設施和信息化手段，導致排澇泵站機組整體運行經濟效益偏低，嚴重制約了城市生態環境的建設以及社會經濟的發展。近年來，隨著計算機技術、智能控制技術以及通信技術的發展，許多大型城市也相繼采用了組態化的監控軟件CIMPLICITY、GENIE、INTOUCH、組態王等進行了各大泵站集中監控系統的改造與信息化創新[2-3]。但是這些組態軟件存在功能單一、價格昂貴、維護更新受制于人等缺陷。鑒于以上情況，結合全國“互聯網+”行動計劃和常熟辛莊片區信息化改造要求，按照水利泵站監控的需求，研究設計一套基于WEB以及移動子網的排澇泵站群SCADA系統。

1 常熟辛莊排澇泵站群概況

在常熟辛莊片區中，需要對貴涇、張涇東和牌頭壩3座泵站進行信息化改造，希望運用工業自動化在數據采集、傳輸、計算以及物聯網在全面感知、可靠傳遞、智慧處理方面的優勢，實現水利自動化與信息化的深度融合?，F有的3座泵站共有150 kW機組兩臺、90 kW機組兩臺、75 kW機組兩臺，僅能進行現場手工起停控制，遠遠不能滿足實時監控的需要。

2 排澇泵站群SCADA系統方案設計

針對辛莊片區排澇泵站的信息化改造需求，堅持以安全、可靠、實用為基礎，以節能增效為目標，結合“互聯網+水利自動化+優化網絡安全控制”的思想，采用分散控制、統一管理的模式，構建SCADA(數據采集與監視控制)系統，系統框架結構設計如圖1所示。

圖1 排澇泵站群遠程網絡管控系統結構

在該系統中，采用了分布式的控制方式：現場泵站控制主要采用PLC作為核心控制器，利用PLC與各類智能電表、水位傳感器、雨量檢測用傳感器等進行通信，實現對水泵的智能化控制；基于泵站優化理論，以總能耗最小為目標，通過正交試驗選優的方法實現多模式的遠程網絡泵站控制；借助于Modbus TCP/IP協議，實現上位WEB應用軟件與下位控制器PLC之間的數據通信；采用基于消息的訂閱/發布模式，使用DCOM技術，基于WEB的應用平臺實現對遠程數據服務器的訪問；基于移動子網，利用開發的手機APP實現移動實時監管。最終實現智能型的水利排澇泵站群組遠程網絡管控，達到利用瀏覽器、手機移動終端等進行各排澇子站分管區域的水情監測、泵站工作狀態數據監測、排澇子站的水泵機組多模式控制等功能。

3 排澇泵站群智能優化調度控制模塊設計

江蘇城鎮圩區現行泵站群調度方案一般比較粗放，通常選擇在梅雨季節采用強排方式，以最快的速度進行排澇以保證老百姓生活安全；在其他季節則通常依靠經驗方式定期手工開啟水泵保證內河水位在安全水位。這樣的調度方式雖然能確保安全，但是帶來的一個最大問題就是總排澇能耗可能較大，造成一定程度上的能源浪費。因此，在當前能源日益緊缺的年代，對排澇泵站進行信息化改造的同時，深入對排澇泵站的運行優化調度研究具有極其重要的意義。

3.1 正交試驗法原理[4-5]

所謂正交試驗法，就是將排澇泵站群根據實際排水官網的鋪設情況、分管河域狀況進行分組，根據各組所對應的排水管網的匯水能力以及泵站開機經驗設定試驗水平，然后生成正交表進行正交試驗，分析各泵站組的能耗以及排水量。以泵站群總能耗最低為目標，利用極差分析法明確各泵站組的試驗水平對目標的影響度，以圩區內、外河水位限制多目標模擬去劣的方式，擇優選取最優的泵站群調度方案。

3.2 基于正交試驗法的智能優化調度方案選擇

為了靈活方便地應對各種旱澇現象，本系統設置了3種泵站調度控制模式：1)手動單啟閉模式；2)全開強排模式；3)常規日常調度智能化優化模式。其中，手動單啟閉模式主要用于某一河道水位上漲后手工進行排澇；全開強排模式主要適用于當地遭遇超標準降雨時機；而常規日常調度智能化優化模式[6-8]，則是在圩區降雨不超過區域除澇標準時，通過以式(1)所定義的優化問題，采取預先正交試驗的方法，從而確定貴涇、張涇東和牌頭壩3座泵站組分別按照3-1-2最優開啟方式進行排澇。

(1)

minWi≤Wi(xi)≤maxWi

式(1)中，F為泵站群總電功耗(kWh)。xi為第i組泵站的開機方案，一般稱之為試驗水平。它主要是在保障設備和電網安全的前提下，盡可能減少水泵啟動次數并控制一次開機時間而設定的。一般按以下3種試驗水平確立：(1)泵站組所有水泵按照“全開1小時-停機45分鐘”的方式循環；(2)按照“半開3小時-全開0.5小時-停機0.5小時”的方式循環；(3)按照“單開1.5小時-全開0.5小時-停機0.5小時”的方式循環。ti為第i組泵站的開機總時間；Pi(xi)為第i組泵站對應于第i中試驗方案所消耗的功率(kW)。Wi為第i組泵站的排水量；m是指圩區需外排的總水量。minWi、maxWi是指第i組泵站的最小排水量以及最大排水量，其主要依據當地的地表徑流以及降雨開始時刻的可滯納庫容等設定。

4 排澇泵站群遠程管控實現

“互聯網+排澇泵站群”遠程管控系統所要實現的功能是：1)各個泵站組能夠進行遠程和現場智能化控制；2)遠程能夠利用PC或者移動終端實時監測各泵站所主管內外河水位變化、各泵站組的工作狀態以及運行參數，并進行數據存儲以及故障報警。其功能實現核心技術主要有以下幾個方面：1)現場數據如何采集；2)遠程PC或者移動終端如何與現場控制器PLC之間進行數據交互；3)現場數據如何進行存儲以方便后續管理優化調用。

4.1 現場就地泵站運行狀態數據采集程序編制

單個排澇泵站組對應的內外河水位變化、水泵的工作狀態對排澇的安全可靠性起到了決定性作用。因此，該遠程管控系統現場控制部分主要選用了12位格雷碼輸出的WFH-2A型水位計進行內外河水位的檢測；選用了支持Modbus RTU 協議的電表PD194I進行水泵的運行參數以及運行狀態監測。

在處理水位計的輸入信號時，一方面需要注意水位計與PLC輸入端的接線順序，另外，在程序中要通過如圖2所示的流程將格雷碼轉化為字類型的標準二進制碼。

在利用電表PD194I進行水泵的運行參數以及運行狀態監測時，主要利用PLC與智能電表之間的Modbus通信實現[9]。其具體流程如下：

1)變量初始化以及自由通信端口的Modbus主站初始化；

2)搜索并儲存有效的從站地址；

3)輪流對各從站發送讀取數據申請。

圖2 水位信號處理流程

4.2 基于Modbus TCP|IP協議的上下位數據通信實現

在數據遠程傳輸過程中，一般采用PLC加以太網擴展模塊的方式，通過以太網擴展模塊建立上位機和下位機之間的數據傳輸通道，該方式能夠實現數據的有效傳送，但以太網擴展模塊硬件成本較高[10]。Modbus TCP/IP是Modbus與以太網結合的產物，其運行在TCP/IP網絡上，比Modbus串行協議擴展更為方便，傳輸速率更高。為此，本系統從成本角度出發，以保證數據傳輸質量為根本，采用了帶有以太網接口的觸摸屏進行數據的轉發，基于OPC技術開發OPC SERVER，從而基于DCOM技術完成上下位機之間的數據通信[11-12]具體實現方式如下：遠程管控平臺(上位機)和觸摸屏(下位機)通過Modbus TCP/IP協議進行數據的以太網通信，利用觸摸屏與PLC之間的串口通信進行現場數據的交換。觸摸屏作為數據轉發設備完全取代了以太網擴展模塊，大大節約了硬件投入成本。

以上位機遠程發送水泵啟停命令為例，具體闡述其實現過程：首先根據Modbus TCP/IP通訊規約，為觸摸屏添加通用TCP/IP父設備，對其屬性進行配置，設定其為客戶端；然后進行相關驅動程序編寫，設置與PLC之間的變量動態對接，如表1所示。

表1 觸摸屏與PLC之間變量對接關系

然后編寫如圖3所示的梯形圖實現水泵的遠程控制。圖3中，若控制模式開關I2.0打向遠程模式，則遠程啟動信號V1220.0發出后，將驅動Q2.0為“1”，中間繼電器KA1得電，水泵運轉。若遠程發出停止信號V1221.0，將驅動M13.0得電，從而使得Q2.1為“1”，中間繼電器KA2得電，水泵停止。

圖3 水泵遠控制梯形圖

4.3 基于WEB的管控應用平臺設計

為了保證應用系統的跨平臺、穩定性以及服務的可擴展性，本系統采用Tomcat 7.0作為應用服務器，Redis 2.8作為實時數據緩存和消息路由，SQL Server 2008存儲歷史數據和應用配置信息。其基于WEB的管控平臺邏輯結構如圖4所示。它主要由3部分構成：交互層、數據層、DCOM通訊層。

圖4 上位管控平臺的邏輯結構

所謂交互層，就是由表示層和Restful接口提供應用的交互界面，其Web界面主要是借助于HTML5的WebSocket通訊方式，實現Web頁面與服務器之間的實時通訊，動態展示設備運行狀態以及相關運行參數。其提供的接口主要包括兩部分：一是由瀏覽器訪問的WEB動態網頁，二是為移動終端提供的一組Web API接口。

對于數據層而言，其主要用于定義應用系統范圍內PLC設備及其狀態變量，為上層應用下發的命令提供解析和執行，解決應用數據與設備數據的同步問題。系統主要是在OPC SERVER和Redis之間完成數據同步。系統將Redis作為WEB應用的緩沖，保存設備的實時數據，然后通過訂閱發布機制幫助應用實現對設備的遠程控制。為了減少讀寫之間的相互影響，本系統采用了讀寫分離的雙線程工作模式。

DCOM通訊層是通過DCOM接口，將PLC的數據按OPC規范與OPC Sever進行相互的通訊[13]。首先通過在Windows系統中進行DCOM的配置，分配相應的權限，然后利用OPC基金會推薦的Utgard項目這樣一個純Java實現的類庫，實現Java對OPC Server的訪問。

5 網絡安全自檢設計

對于“互聯網+排澇泵站群”遠程網絡管控系統而言，保證安全首當其沖。在該系統中主要考慮遠程操作安全性和數據傳輸的安全性[14]。在遠程操作安全性方面，主要是通過設置用戶操作權限，依據網絡通信狀態和水泵當前的運行狀態來有效避免非授權人員任意操作和授權人員誤操作。在數據傳輸安全性方面，首先通過對系統可能出現的網絡通信故障(網絡線路斷路、下位觸摸屏離線不響應)分析，設計采用設置“心跳包”的模式保證系統的安全：首先由PC與下位觸摸屏之間約定共同的一個參數，并定期由PC向觸摸屏進行數據寫入，觸摸屏定期查詢該變量值的變化，若該變量值沒有按照既定的方式改變，則自動重新啟動觸摸屏；重啟后如果仍然沒有收到上述正確信息，則進行本地相應網絡異常聲光報警。

6 遠程網絡管控系統的應用調試

該管控系統(如圖5所示)在常熟辛莊進行了實際安裝調試。經過實際應用發現，該系統不僅監控及時，能夠有效避免泵站排澇故障，同時還能遠程智能啟停水泵，方便無人值守。同時，還能對整個城鎮的各個主要河域的水情變化趨勢進行實時監控，水情數據進行存儲，便于進行有效的區域排澇站點設置與分析管理。

圖5 遠程監控泵站示意

7 結論

本系統從現有泵站信息化改造實際出發，結合經濟性、系統穩定安全性等多方因素考慮，設計了一套安全、穩定的智能化排澇泵站群遠程網絡管控平臺，實現了就地以及遠程水情、泵站工作狀態的實時監控，解決了傳統泵站控制系統受地域限制的缺陷，通過智能化的優化方法預先設置了多模式的泵站群調度模式，不僅方便安全排澇，而且能夠有效節省能耗。通過實例運行驗證了本文提出的系統架構和安全機制的正確性和可行性。該系統的研究，對當前排澇站信息化改造具有一定的指導價值和現實意義。

[1] 李 琪,許建中,李瑞明,等.中國灌溉排水泵站的發展與展望[J].中國農村水利水電,2015 (12): 6-10.

[2] 陳 虹,唐鴻儒,楊 鵬,等.泵站監控系統的現狀和趨勢[J].中國農村水利水電,2002 (2): 55-58.

[3] 霍 寧.泵站監控系統及其結構的發展趨勢[J].水電自動化與大壩監測,2004 (4): 81-85.

[4] 劉瑞江,張業旺, 聞崇煒,等. 正交試驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理,2010,27 (9): 52-55.

[5] 魏效玲,薛冰軍,趙 強. 基于正交試驗設計的多指標優化方法研究[J].河北工程大學學報(自然科學版),2010,27 (3): 95-99.

[6] 劉靜森,程吉林,黃 勇. 不受潮汐影響城鎮圩區排澇泵站群常規調度方案優化[J]. 灌溉排水學報,2015,34 (3):17-23.

[7] 劉靜森,程吉林, 龔 懿. 城鎮圩區排澇泵站群日常運行方案優化[J]. 農業工程學報,2014,30 (17):141-147.

[8] 方國華,曹 蓉,劉 芹,等. 改進遺傳算法及其在泵站優化運行中的應用[J]. 南水北調與水利科技,2016,14 (2): 142-147.

[9] 徐鵬鵬.基于S7-300/200PLC和Modbus協議的電力參數采集系統[J].工礦自動化,2011 (12): 104-107.

[10] 周亞平.建立在以太網基礎上的泵站集控系統[J].中國農村水利水電, 2008 (8): 133-136.

[11] 孫大林. 基于Modbus_TCP的OPC數據訪問服務器的研究與開發[D]. 北京：北京交通大學, 2007.

[12] 孟 磊,鄒志云,郭宇晴,等. 基于Modbus TCP/IP的HMI-PLC-SCADA系統設計[J].石油化工自動化, 2015,51(6):40-42.

[13] 趙曉峰.基于OPC技術的Web工控系統的研究與實現[J].計算機應用, 2016(2): 62-64.

[14] 黃 磊.基于Internet的遠程PLC控制研究[D]. 西安：西安工業大學, 2014.

Remote Management and Control System Design of Drainage Pumping Stations Based on Internet

Fu Chen,Yang Guohua, Li Haibo, Zhao Xiaofeng

(School of IOT Engineering, Wuxi Vocational Institute of Commerce, Wuxi 214153, China)

Combined with the idea which was called Internet plus hydraulic automation and optimization technology, a set of drainage pumping stations supervisory control and data acquisition system has been developed. The decentralized control and unified management mode was adopted in this system. The direct digital controller was PLC. And the browser and mobile APP was used to the remote terminal service software. Some key technologies were elaborated in this paper, such as the design procedure of communication network security checking, working state of remote data acquisition and remote intelligent pump control modules. By applying in Xinzhuang town of Changshu City, this system has shown the convenience and reliability. It could not only monitor the water regime of the main river and some important parameters of the pumps in time by mobile APP and PC, but also intelligent control the pump. It has brought convenience to the real-time monitoring of pumping station and created a great social value.

drainage pumping stations; WEB application; orthogonal test; SCADA; “internet plus”; intelligent optimal dispatching

2016-12-26；

2017-02-13。

江蘇省高等職業教育產教深度融合實訓平臺-互聯網+工業智能技術應用平臺項目(蘇教高﹝2016﹞10號)。

付 琛(1983-)，男，甘肅天水人，碩士，實驗師，主要從事通信技術、控制技術應用以及系統集成等方向的研究。

1671-4598(2017)07-0074-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.019

TP27

A