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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，我公司將傳統的SCADA技術與現代信息化技術整合在一起，采用企業級工控軟件、數據庫軟件、中間件產品，建成服務于監控層和管理層的二次供水管理平臺，實現對現場設備狀態、儀表數據、視頻監控、門禁系統的采集、傳輸和顯示。經過3年實際檢驗，解決了平臺在應用中因處理城市級大量數據而引發的系列問題，使得平臺更趨完善。
關鍵詞：二次供水平臺；城市級；參數曲線
引言
為降低管理費用，提高專業化管理水平和管理工作效率，節約社會資源，《武漢市城市居民住宅二次供水工程技術導則》中規定，二次供水系統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實現，完成用戶權限分級、工控參數顯示和設定、視頻監控和門禁管理、系統自診斷、參數異常報警、數據分析統計、數據備份與恢復等多項系統管理功能。
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勢最大。國內關于二次供水平臺規模介紹多見于區縣級別，地級市規模較少。按照《武漢市水務集團二次供水遠程監控平臺可行性研究報告》，我公司計劃實現平臺一期接入容量達到為500個小區泵房的城市級規模。
按照控制層-監控層-管理層的三層結構構建二次供水管理平臺，滿足數據采集-傳輸-顯示功能，并經過3年實際運行，解決運行中出現問題，形成完善的二次供水平臺。
1 平臺結構
1.1 主要硬件
圖1
為保證平臺網絡的安全性和使用的可靠性，采用Internet VPN或者專線網絡傳輸二次供水泵房里智能控制箱采集的數據，選用高性能防火墻保護企業內網的遠控管理平臺數據中心免受外界攻擊，同時VPN網關、核心交換機和SAN交換機形成冗余系統，保證了設備發生故障時系統自動切換不間斷運行（如圖1）。企業內網嚴格管理，嚴禁用戶擅自接入Internet網，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、運行管理數據庫、地圖網頁、運行管理、管理調試、WEB發布等應用。為方便下派工單，保證維護人員完成任務，系統引入移動終端，開發了手機端平臺軟件。
1.2 軟件架構
為滿足城市級規模數據量訪問的需求，整個系統設計成控制層-監控層-管理層的三層結構，其中二次供水平臺包括監控層和管理層（如圖2）。
圖2
我公司專利產品二次供水數據采集智能控制箱可采集各泵房工控和視頻信號，通過網絡運營商提供線路傳送匯聚至機房，再經過二次供水平臺完成數據處理、分析和統計的二次供水調度指揮系統[2]。
1.2.1 I/O驅動軟件
I/O驅動軟件是一個工業通信軟件，將二次供水泵房中采集設備采集的數據，傳送給工業組態軟件進行處理。
KEPServerEX V5 是市場上最先進的通信技術和OPC服務器[3]，作為kepware發展的基礎，提供應用于各種工業領域的驅動包。
KEPServerEX支持設備最大數量可達8192個，即可最大可管理8192個泵房采集設備。
1.2.2 工業組態軟件
FactoryTalk View Studio工業組態軟件在平臺中主要用于泵房數據的監視和控制，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。工業組態軟件作為自動控制系統監控層一級的操作軟件和開發環境，支持服務器/客戶端模式。
工業組態軟件進行二次開發后，實現對二次供水泵房數據的在線監測和控制。
1.2.3 工業數據庫
FactoryTalk Historian Site Edition工業數據庫主要進行有效而穩定的歷史數據實時采集和管理，幫助工程師實時訪問生產歷史信息和過程時間，并實現平臺范圍內數據共享，從而更好的組織生產，解決生產問題，提高生產效率。
工業數據庫用于存儲實時數據的歷史記錄，便于工程師對泵房數據如壓力、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，可以集成到企業業務平臺中，對其它非生產業務運行無任何負面的影響。
生產管理軟件進行二次開發后，實現生產管理功能，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軟件或服務程序，它能夠實現采用不同技術運行的分布式應用軟件對數據資源的共享。中間件不僅可在Java應用服務器實現開發、集成、部署和管理大型分布式Web應用、網絡應用和數據庫應用，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對二次供水泵房視頻調用和視頻設備的控制功能。可實現對各泵房大門定點和設備動點實時監控和歷史回放，調節焦距可清楚看見儀表讀數和信號燈指示，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人員、卡片、設備的統一管理。通過門禁接入服務實現對門禁設備的在線偵測、參數獲取、硬件參數下載、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）、門禁設備狀態檢測等功能。
2 關鍵技術
2.1 數據處理技術
數據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轉換為電信號，電信號通過儀表變送器實現數值整定，然后經過PLC的模擬量或數字量模塊，實現A/D通道或者DI通道轉換成二進制數值，把轉換后的數據送入計算機中。計算機根據需要進行相應的數據處理，然后顯示和控制這些數據。
通過最基本統在現的四則運算，實現數據處理。采用預處理、標度變換、越限報警等數據處理技術方法，能滿足系場環境差異化、采集數據類別和數值范圍不同時，對其精度要求的保證。
2.2 中間件技術
為將不同操作系統、不同數據庫集成在平臺中，實現跨平臺的分布式應用，可引入中間件技術，完成數據在多種軟件程序之間的使用。中間件技術不改變原有系統功能，可整合已有系統信息，構建成有機整體，完成數據處理和信息發布要求。
不同廠家產品數值的數據結構定義、所使用數據庫類別、企業遵循的通訊規約可能采用企業自身標準，平臺引入中間件技術能屏蔽其差異性，實現數據互通需求。
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]實現對系統構造的理解，從而提高的系統設計和系統分析能力，達到在組織、結構、運行、分析和維護等方面降低設計和開發的成本，促進生產效率提高。
構件技術和UML建模語言為系統設計提供了幫助，可采用迭代式設計方式進行開發。使用具有直觀化和明確化特點的統一建模語言（UML），具備通用可視化建模特點，可編制形成文檔化軟件。UML遵循軟件工程開發過程，符合其開發方法、生命周期、應用方式各方面的規律。
2.4 工作流技術
工作流技術[6]就是與數據流相對應，在業務開展的過程中，計算機以恰當的模型進行表示工作的流程、當前工作階段位置狀態，并對工作如何前后組織在一起的邏輯和規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——維修規則進行傳遞信息和下達任務。工作流管理系統可以通過計算機技術的支持去定義、執行和管理工作流，協調工作流執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實現，不會被人為改變事情發展方向。
2.5 XML 和Web Services 技術
平臺當中的數據格式各異，為使此類數據的處理互通，必須統一標準和格式。XML[7]是現在流行的數據交換標準,通過簡單易懂的語法規則可以表述復雜的數據對象和類型。XML不僅便于實施數據分析和統計應用的開發，而且對后期數據挖掘、OLAP（聯機事務分析）的應用預留通用語言接口。
為保證平臺發布，客戶端具有網頁瀏覽功能而引入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協議實現穿越防火墻的軟件互操作和數據交換，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絡的基礎上，可以在內網電腦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，水泵狀態、運行時間、變頻器頻率、電流、電壓功率等工藝設備參數，溫濕度環境參數和通訊狀態（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數值，網絡穩定狀態和斷網時點，幫助分析數據。
圖5
3.2 視頻監控
實時監控（如圖6），可實現定點攝像頭監控泵房門處人員進出，動點攝像頭監控智能控制箱、水泵和變頻柜儀表參數。動點攝像頭可設置預制點，方便值班人員快速定位監控位置。平臺除滿足實時監控和歷史回放基本功能外，結合視頻診斷服務器，可實現對前一天實時視頻和回放進行診斷、統計，生成正常、異�；蛭粗愋偷臄祿䦂蟊�。權限設置，可使得各供水部門只能看各自管轄泵房監控數據。
圖6
攝像頭可實現與門禁聯動，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據。
3.3 導入導出
導入導出功能（如圖7），方便數據逐條輸入或批量導入，實現表格化顯示或地圖定位顯示。
圖7
4 運維經驗
4.1 局限性
目前運行管理系統運行穩定，但城市級規模已經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，根據市場上工控軟件運行經驗和規律，工控軟件使用容量超過其總量60%則會出現無法預計的異常。
二次供水平臺運行管理數據趨勢曲線曾出現無法查看現象，通過一系列檢查，最終確認原因為歷史數據庫[9]historian無法讀取并存儲數據。數據庫軟件historian總容量為10000，已使用9300，使用率超過90%，該問題是由于數據庫標簽量較大導致軟件授權異常導致。
二次供水平臺數據采集功能正常，數據刷新周期約為5~6min，基本滿足生產需求。根據平臺使用的數據采集軟件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，有可能出現5min數值不變情況，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常出現誤報警情況，搶修人員到達現場，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象，瞬間高壓力值大于設定報警值，引發報警。但是隨后水壓恢復正常，設備正常運行。
4.2 數據庫架構優化
為在系統構架上實現對平臺的優化，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，實時數據庫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，實時數據庫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，方案優化成為數據庫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。這種串聯變并聯的流程，極大提升系統效率，減少資源開銷。
4.3 優化資源配置
二次供水平臺使用后出現平臺運行速度越來越慢，經后臺檢查發現生產管理數據庫服務器D盤空間被尾注為trm的文件占滿的現象出現，分析原因是短時間內調用數據庫連接次數過多，導致數據庫連接崩潰，可調整數據庫的游標[10]最大數目，從1000調整到2000，同時更改了數據庫連接方式，由JDBC方式改成調用MAXIMO內部API連接數據庫。
為減少平臺資源消耗和后期泵房數量擴容，除需要對軟件不斷升級版本外，同時減少非關鍵工藝參數的歷史曲線。保留壓力、流量、液位、平臺通訊等用戶需求參數和平臺狀態診斷參數曲線，取消運行時間、功率、溫度、濕度等非關鍵參數曲線。
4.4 借助曲線判斷
數據量的不斷增大，系統出現泵有運行狀態顯示但運行頻率顯示為零的短時間矛盾現象，然后頻率顯示非零數值，狀態與數值正常同步。這是由于在產品采購最優性價比設計的前提下，城市級數據的增加，使得數據采集軟件kepsever出現性能下降而突現問題。用戶可以借助參數的歷史曲線進行判斷，開始非同步時參數曲線為平直短線，同步后恢復彎曲狀態。
4.5 參數合理設置
平臺會自動推送重要設備參數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，以便觸發報警事件。但是在二次供水工藝中，泵的開啟會產生水錘現象，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性價比的設計環境下，我公司開發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據采集智能控制箱產品[11]投入使用。經過3年實際運行，證明了我公司產品適應復雜環境下二次供水數據的采集-傳輸-顯示，可滿足武漢特大城市級規模二次供水的需求。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，已經成功構建了窄帶物聯網。隨著今后5G技術的引進，平臺可實現設備資料和操作規程等圖片、視頻的分享。
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