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武漢市二次供水遠控平臺的構架和應用

周曉輝，張茂華，趙均，章曦

（武漢市水務建設工程有限公司，武漢 430015）

摘 要：為滿足《武漢市城市居民住宅二次供水工程技術導則》提出對二次供水設施管理要求，我公司將傳統(tǒng)的SCADA技術與現(xiàn)代信息化技術整合在一起，采用企業(yè)級工控軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、中間件產品，建成服務于監(jiān)控層和管理層的二次供水管理平臺，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備狀態(tài)、儀表數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)的采集、傳輸和顯示。經(jīng)過3年實際檢驗，解決了平臺在應用中因處理城市級大量數(shù)據(jù)而引發(fā)的系列問題，使得平臺更趨完善。

關鍵詞：二次供水平臺；城市級；參數(shù)曲線

引言

為降低管理費用，提高專業(yè)化管理水平和管理工作效率，節(jié)約社會資源，《武漢市城市居民住宅二次供水工程技術導則》中規(guī)定，二次供水系統(tǒng)應設置遠控管理平臺對二次供水設施進行管理，遠控管理平臺可采用軟件開發(fā)實現(xiàn)，完成用戶權限分級、工控參數(shù)顯示和設定、視頻監(jiān)控和門禁管理、系統(tǒng)自診斷、參數(shù)異常報警、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)備份與恢復等多項系統(tǒng)管理功能。

城市居民住宅二次供水管理模式[1]，以建立二供平臺集中管理優(yōu)勢最大。國內關于二次供水平臺規(guī)模介紹多見于區(qū)縣級別，地級市規(guī)模較少。按照《武漢市水務集團二次供水遠程監(jiān)控平臺可行性研究報告》，我公司計劃實現(xiàn)平臺一期接入容量達到為500個小區(qū)泵房的城市級規(guī)模。

按照控制層-監(jiān)控層-管理層的三層結構構建二次供水管理平臺，滿足數(shù)據(jù)采集-傳輸-顯示功能，并經(jīng)過3年實際運行，解決運行中出現(xiàn)問題，形成完善的二次供水平臺。

1 平臺結構

1.1 主要硬件

圖1 

為保證平臺網(wǎng)絡的安全性和使用的可靠性，采用Internet VPN或者專線網(wǎng)絡傳輸二次供水泵房里智能控制箱采集的數(shù)據(jù)，選用高性能防火墻保護企業(yè)內網(wǎng)的遠控管理平臺數(shù)據(jù)中心免受外界攻擊，同時VPN網(wǎng)關、核心交換機和SAN交換機形成冗余系統(tǒng)，保證了設備發(fā)生故障時系統(tǒng)自動切換不間斷運行（如圖1）。企業(yè)內網(wǎng)嚴格管理，嚴禁用戶擅自接入Internet網(wǎng)，避免遭受外部攻擊和病毒傷害。

采用虛擬化技術，在3臺實體服務器上搭建虛擬化管理、生產管理、運行管理數(shù)據(jù)庫、地圖網(wǎng)頁、運行管理、管理調試、WEB發(fā)布等應用。為方便下派工單，保證維護人員完成任務，系統(tǒng)引入移動終端，開發(fā)了手機端平臺軟件。

1.2 軟件架構

為滿足城市級規(guī)模數(shù)據(jù)量訪問的需求，整個系統(tǒng)設計成控制層-監(jiān)控層-管理層的三層結構，其中二次供水平臺包括監(jiān)控層和管理層（如圖2）。

圖2  

我公司專利產品二次供水數(shù)據(jù)采集智能控制箱可采集各泵房工控和視頻信號，通過網(wǎng)絡運營商提供線路傳送匯聚至機房，再經(jīng)過二次供水平臺完成數(shù)據(jù)處理、分析和統(tǒng)計的二次供水調度指揮系統(tǒng)[2]。

1.2.1  I/O驅動軟件

I/O驅動軟件是一個工業(yè)通信軟件，將二次供水泵房中采集設備采集的數(shù)據(jù)，傳送給工業(yè)組態(tài)軟件進行處理。

KEPServerEX V5 是市場上最先進的通信技術和OPC服務器[3]，作為kepware發(fā)展的基礎，提供應用于各種工業(yè)領域的驅動包。
    KEPServerEX支持設備最大數(shù)量可達8192個，即可最大可管理8192個泵房采集設備。

1.2.2  工業(yè)組態(tài)軟件

FactoryTalk View Studio工業(yè)組態(tài)軟件在平臺中主要用于泵房數(shù)據(jù)的監(jiān)視和控制，并將報警信號處理分析后傳送至生產管理功能進行下一步分析處理。工業(yè)組態(tài)軟件作為自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的操作軟件和開發(fā)環(huán)境，支持服務器/客戶端模式。

工業(yè)組態(tài)軟件進行二次開發(fā)后，實現(xiàn)對二次供水泵房數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和控制。

1.2.3  工業(yè)數(shù)據(jù)庫

FactoryTalk Historian Site Edition工業(yè)數(shù)據(jù)庫主要進行有效而穩(wěn)定的歷史數(shù)據(jù)實時采集和管理，幫助工程師實時訪問生產歷史信息和過程時間，并實現(xiàn)平臺范圍內數(shù)據(jù)共享，從而更好的組織生產，解決生產問題，提高生產效率。

工業(yè)數(shù)據(jù)庫用于存儲實時數(shù)據(jù)的歷史記錄，便于工程師對泵房數(shù)據(jù)如壓力、水質、流量等進行處理分析。

1.2.4  生產管理軟件

Maximo7.5生產管理軟件基于B/S架構上實施，可以集成到企業(yè)業(yè)務平臺中，對其它非生產業(yè)務運行無任何負面的影響。

生產管理軟件進行二次開發(fā)后，實現(xiàn)生產管理功能，包括：工單管理、資產管理、備件管理、知識庫功能以及報表功能。

1.2.5  應用服務器中間件

weblogic server中間件是一種獨立運行的系統(tǒng)軟件或服務程序，它能夠實現(xiàn)采用不同技術運行的分布式應用軟件對數(shù)據(jù)資源的共享。中間件不僅可在Java應用服務器實現(xiàn)開發(fā)、集成、部署和管理大型分布式Web應用、網(wǎng)絡應用和數(shù)據(jù)庫應用，而且其性能、可擴展性和高可用性完全滿足Web應用系統(tǒng)處理問題所需要求。

應用服務器中間件[4]可以使生產管理軟件、移動終端應用軟件、接口軟件、流媒體服務軟件等不同廠家產品集成到二次供水平臺上，屏蔽各種復雜的技術細節(jié)使技術問題簡單化。

1.2.6  視頻綜合管理平臺

IVMS-8800綜合管理平臺的視頻管理軟件和流媒體服務軟件實現(xiàn)對二次供水泵房視頻調用和視頻設備的控制功能�？蓪崿F(xiàn)對各泵房大門定點和設備動點實時監(jiān)控和歷史回放，調節(jié)焦距可清楚看見儀表讀數(shù)和信號燈指示，達到無人值守的效果。

門禁管理軟件提供對門禁設備的接入與管理，通過一卡通管理實現(xiàn)人員、卡片、設備的統(tǒng)一管理。通過門禁接入服務實現(xiàn)對門禁設備的在線偵測、參數(shù)獲取、硬件參數(shù)下載、時間設置、權限下載、報警事件的接收、對門禁設備進行控制（開/關門）、門禁設備狀態(tài)檢測等功能。

2 關鍵技術

2.1  數(shù)據(jù)處理技術

數(shù)據(jù)采集一般是通過儀表傳感器檢測生產過程的各種物理參數(shù)轉換為電信號，電信號通過儀表變送器實現(xiàn)數(shù)值整定，然后經(jīng)過PLC的模擬量或數(shù)字量模塊，實現(xiàn)A/D通道或者DI通道轉換成二進制數(shù)值，把轉換后的數(shù)據(jù)送入計算機中。計算機根據(jù)需要進行相應的數(shù)據(jù)處理，然后顯示和控制這些數(shù)據(jù)。

通過最基本統(tǒng)在現(xiàn)的四則運算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。采用預處理、標度變換、越限報警等數(shù)據(jù)處理技術方法，能滿足系場環(huán)境差異化、采集數(shù)據(jù)類別和數(shù)值范圍不同時，對其精度要求的保證。

2.2  中間件技術

為將不同操作系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫集成在平臺中，實現(xiàn)跨平臺的分布式應用，可引入中間件技術，完成數(shù)據(jù)在多種軟件程序之間的使用。中間件技術不改變原有系統(tǒng)功能，可整合已有系統(tǒng)信息，構建成有機整體，完成數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布要求。

不同廠家產品數(shù)值的數(shù)據(jù)結構定義、所使用數(shù)據(jù)庫類別、企業(yè)遵循的通訊規(guī)約可能采用企業(yè)自身標準，平臺引入中間件技術能屏蔽其差異性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通需求。

2.3  構架和構件技術

有關軟件工作人員可通過構架和構建的軟件體系結構[5]實現(xiàn)對系統(tǒng)構造的理解，從而提高的系統(tǒng)設計和系統(tǒng)分析能力，達到在組織、結構、運行、分析和維護等方面降低設計和開發(fā)的成本，促進生產效率提高。

構件技術和UML建模語言為系統(tǒng)設計提供了幫助，可采用迭代式設計方式進行開發(fā)。使用具有直觀化和明確化特點的統(tǒng)一建模語言（UML），具備通用可視化建模特點，可編制形成文檔化軟件。UML遵循軟件工程開發(fā)過程，符合其開發(fā)方法、生命周期、應用方式各方面的規(guī)律。

2.4  工作流技術

工作流技術[6]就是與數(shù)據(jù)流相對應，在業(yè)務開展的過程中，計算機以恰當?shù)哪Ｐ瓦M行表示工作的流程、當前工作階段位置狀態(tài)，并對工作如何前后組織在一起的邏輯和規(guī)則及工作進展實施計算。

工作流可以解決平臺中的主要問題：為完成搶修工單任務，在巡檢人員、調度人員、維修人員之間，利用計算機，按預先設定的檢查——調度——維修規(guī)則進行傳遞信息和下達任務。工作流管理系統(tǒng)可以通過計算機技術的支持去定義、執(zhí)行和管理工作流，協(xié)調工作流執(zhí)行過程之間以及群體成員之間的信息交互。工作流依靠工作流管理系統(tǒng)實現(xiàn)，不會被人為改變事情發(fā)展方向。

2.5  XML 和Web Services 技術

平臺當中的數(shù)據(jù)格式各異，為使此類數(shù)據(jù)的處理互通，必須統(tǒng)一標準和格式。XML[7]是現(xiàn)在流行的數(shù)據(jù)交換標準,通過簡單易懂的語法規(guī)則可以表述復雜的數(shù)據(jù)對象和類型。XML不僅便于實施數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計應用的開發(fā)，而且對后期數(shù)據(jù)挖掘、OLAP（聯(lián)機事務分析）的應用預留通用語言接口。

為保證平臺發(fā)布，客戶端具有網(wǎng)頁瀏覽功能而引入Web Services 技術[8]。該技術支持XML、SOAP、WSDL、UDDI等開放標準，可以通過開放端口80的HTTP協(xié)議實現(xiàn)穿越防火墻的軟件互操作和數(shù)據(jù)交換，達到各種技術的軟件集成的目的。

3 平臺使用情況

在搭建好軟硬件和網(wǎng)絡的基礎上，可以在內網(wǎng)電腦IE瀏覽器上輸入服務器IP地址，并驗證完用戶名和密碼后，可進入平臺首頁（如圖3）。 

圖3  

3.1  運行管理

運行管理模塊，可顯示流量、壓力、液位過程儀表參數(shù)，水泵狀態(tài)、運行時間、變頻器頻率、電流、電壓功率等工藝設備參數(shù)，溫濕度環(huán)境參數(shù)和通訊狀態(tài)（如圖4）。

圖4 

平臺提供對特定變量的歷史曲線查詢（如圖5），可查看過去時間點參數(shù)數(shù)值，網(wǎng)絡穩(wěn)定狀態(tài)和斷網(wǎng)時點，幫助分析數(shù)據(jù)。

圖5  

3.2   視頻監(jiān)控

實時監(jiān)控（如圖6），可實現(xiàn)定點攝像頭監(jiān)控泵房門處人員進出，動點攝像頭監(jiān)控智能控制箱、水泵和變頻柜儀表參數(shù)。動點攝像頭可設置預制點，方便值班人員快速定位監(jiān)控位置。平臺除滿足實時監(jiān)控和歷史回放基本功能外，結合視頻診斷服務器，可實現(xiàn)對前一天實時視頻和回放進行診斷、統(tǒng)計，生成正常、異常或未知類型的數(shù)據(jù)報表。權限設置，可使得各供水部門只能看各自管轄泵房監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖6  

攝像頭可實現(xiàn)與門禁聯(lián)動，當有人刷卡開啟大門時，攝像頭同時抓拍刷卡人照片，可以方便在視頻回放檢索中快速查詢到關鍵圖片數(shù)據(jù)。

3.3  導入導出

導入導出功能（如圖7），方便數(shù)據(jù)逐條輸入或批量導入，實現(xiàn)表格化顯示或地圖定位顯示。

圖7  

4 運維經(jīng)驗

4.1  局限性

目前運行管理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但城市級規(guī)模已經(jīng)使得軟件容量使用已達上限。按照產品說明書中上位機軟件SE容量為40000個標簽、10000個報警和事件，接入200個泵房已達43000個標簽、12200和報警和事件，根據(jù)市場上工控軟件運行經(jīng)驗和規(guī)律，工控軟件使用容量超過其總量60%則會出現(xiàn)無法預計的異常。

二次供水平臺運行管理數(shù)據(jù)趨勢曲線曾出現(xiàn)無法查看現(xiàn)象，通過一系列檢查，最終確認原因為歷史數(shù)據(jù)庫[9]historian無法讀取并存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫軟件historian總容量為10000，已使用9300，使用率超過90%，該問題是由于數(shù)據(jù)庫標簽量較大導致軟件授權異常導致。

二次供水平臺數(shù)據(jù)采集功能正常，數(shù)據(jù)刷新周期約為5~6min，基本滿足生產需求。根據(jù)平臺使用的數(shù)據(jù)采集軟件kepsever的產品說明中可知，kepsever對標簽處理時間為200~300個每秒，采用的刷新方式為標簽輪巡，按照目前已接入泵房的標簽數(shù)量計算，輪巡一個周期的時間約為133~200秒，即3~4min，kepsever采集后到上位機軟件SE刷新周期約為1~2min，則理論采集周期應為4~5min，實際采集周期較理論值基本符合。但是如果用戶關注某時點工藝參數(shù)，有可能出現(xiàn)5min數(shù)值不變情況，就無法辨別顯示值是真實值，還是前一采樣的保持值。 

平臺投入運行初期經(jīng)常出現(xiàn)誤報警情況，搶修人員到達現(xiàn)場，但是設備運行正常。以壓力為例，用于水泵開啟產生的水錘現(xiàn)象，瞬間高壓力值大于設定報警值，引發(fā)報警。但是隨后水壓恢復正常，設備正常運行。

4.2  數(shù)據(jù)庫架構優(yōu)化

為在系統(tǒng)構架上實現(xiàn)對平臺的優(yōu)化，減少上位機軟件SE標簽占用量，對原平臺架構（如圖1）進行改進。原設計方案中，實時數(shù)據(jù)庫Historian需要從上位機軟件SE內部變量取值。通訊服務器KPserver傳輸數(shù)值在HMI服務器上完成一系列四則運算后，賦值給上位機軟件SE內部變量，內部變量完成周期更新后，實時數(shù)據(jù)庫Historian才能取值。

為減少四則運算產生的HMI服務器資源和其上位機軟件SE內部變量的消耗，方案優(yōu)化成為數(shù)據(jù)庫Historian和HMI服務器分別直接從通訊服務器KPserver取值，并進行四則運算，存儲運算結果。這種串聯(lián)變并聯(lián)的流程，極大提升系統(tǒng)效率，減少資源開銷。

4.3  優(yōu)化資源配置

二次供水平臺使用后出現(xiàn)平臺運行速度越來越慢，經(jīng)后臺檢查發(fā)現(xiàn)生產管理數(shù)據(jù)庫服務器D盤空間被尾注為trm的文件占滿的現(xiàn)象出現(xiàn)，分析原因是短時間內調用數(shù)據(jù)庫連接次數(shù)過多，導致數(shù)據(jù)庫連接崩潰，可調整數(shù)據(jù)庫的游標[10]最大數(shù)目，從1000調整到2000，同時更改了數(shù)據(jù)庫連接方式，由JDBC方式改成調用MAXIMO內部API連接數(shù)據(jù)庫。

為減少平臺資源消耗和后期泵房數(shù)量擴容，除需要對軟件不斷升級版本外，同時減少非關鍵工藝參數(shù)的歷史曲線。保留壓力、流量、液位、平臺通訊等用戶需求參數(shù)和平臺狀態(tài)診斷參數(shù)曲線，取消運行時間、功率、溫度、濕度等非關鍵參數(shù)曲線。

4.4  借助曲線判斷

數(shù)據(jù)量的不斷增大，系統(tǒng)出現(xiàn)泵有運行狀態(tài)顯示但運行頻率顯示為零的短時間矛盾現(xiàn)象，然后頻率顯示非零數(shù)值，狀態(tài)與數(shù)值正常同步。這是由于在產品采購最優(yōu)性價比設計的前提下，城市級數(shù)據(jù)的增加，使得數(shù)據(jù)采集軟件kepsever出現(xiàn)性能下降而突現(xiàn)問題。用戶可以借助參數(shù)的歷史曲線進行判斷，開始非同步時參數(shù)曲線為平直短線，同步后恢復彎曲狀態(tài)。

4.5  參數(shù)合理設置

平臺會自動推送重要設備參數(shù)報警記錄給值班人員，例如出水壓力值。在平臺軟件中需要預先設置閾值，以便觸發(fā)報警事件。但是在二次供水工藝中，泵的開啟會產生水錘現(xiàn)象，此時壓力計檢測到壓力值是大于正常的設定值，此類誤報警會導致值班人員錯誤判斷。因此，需要豐富經(jīng)驗人員設置合理預留裕量的報警閾值，或者借助壓力歷史曲線軌跡判斷設備運行的正確情況。

5 結語

在追求產品采購最優(yōu)性價比的設計環(huán)境下，我公司開發(fā)出具有自主知識產權軟著的二次供水平臺和實用新型專利的數(shù)據(jù)采集智能控制箱產品[11]投入使用。經(jīng)過3年實際運行，證明了我公司產品適應復雜環(huán)境下二次供水數(shù)據(jù)的采集-傳輸-顯示，可滿足武漢特大城市級規(guī)模二次供水的需求。借助平臺手機客戶端、平臺設備管理功能模塊、二次供水設備二維碼技術，已經(jīng)成功構建了窄帶物聯(lián)網(wǎng)。隨著今后5G技術的引進，平臺可實現(xiàn)設備資料和操作規(guī)程等圖片、視頻的分享。 

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