北京市排水泵站在线监测系统

1. 引言

      城市排水设施是城市工业污水、居民生活污水、雨水和泉水的接纳、输送、处理和处置设施的总称，是城市千家万户、各行各业不可缺少的公用设施，是保护环境、防止污染的重要系统，也是城市现代化程度的标志。近几年来，排水行业迅速发展，排水企业信息化建设上了个台阶，很多企业已经在统一规划下逐步建设了办公系统、管理信息系统、地理信息系统、数据管理平台等企业应用，支撑了企业主要业务，提高的管理水平，增加了企业收益。

      北京排水集团承担了对北京市中心城区89座排水泵站和4000余公里排水管网设施的运行和管理职责。以排水设施地理信息系统为枢纽，逐步实现对污水收集、处理、回用的系统化、现代化管理，全力确保污水收集系统的安全运行，特别是日常巡视、雨季防汛工作，并利用先进的排水管道检查维护设备对排水管网实施现代化管理。

      北京市排水集团为了在汛期来临时及时获得各泵站的雨量信息，为集团防汛工作提供更多数据支持，并提高泵站日常生产的科学管理水平，使泵站供电、设备、仪表在比较优化的条件下运行，集团在2012年建设了北京市排水泵站在线监测系统。新系统实现了北京市排水集团所辖全部泵站在线数据采集和集中展现。实时掌握泵站的生产运行情况和降雨情况，实现企业上下一体化的运营管理。平台实现主要功能如下：
      采集泵站基本运行数据，为分公司日常管理提供支持 。
      综合泵站运行数据和雨量数据，为防汛工作提供调度支持 。
      采集泵站设备运行数据，为泵站设备管理提供基础数据 。

2. 项目背景

      本项目包含集中进行泵站端的现场数据采集，包括采集89座泵站的运行参数、77座雨水泵站的雨量数据以及整合现状23个在线雨量计的数据，并建设中心端泵站在线监控系统实现全部在线监测数据的集中展现。

      目前全部泵站中有41座具有本地PLC控制，其他泵站无PLC控制系统。随着今后泵站升级改造项目的实施，全部泵站将实现PLC控制，为确保系统平台统一性,改造后的泵站在线监测数据将接入本项目建设的泵站在线监控系统。

      本地泵站与中心泵站在线监测系统将采用无线网络通讯方式，并保证网络冗余配置。主通讯网络将采用3G无线网络，同时使用GPRS作为热备网络。

3.方案介绍
3.1.系统架构图

 系统架构图

3.2.软件部署说明

      为了使系统数据的采集和存储稳定可靠，系统设计为采集器KingIOServer冗余，工业库KingHistorian集群冗余架构，当任何一台工作的服务器（采集器KingIOServer）如出现故障时，从机会以最快的速度接收主机工作，不会造成数据的丢失，保证了底层数据的稳定性。

      中心端数据采集分为两种情况，一种是通过中心端配置的KingIOServer采集器西门子PLC的数据，另一种是通过KingIOServer采集现场雨量计的数据汇总；底层设备数据和运行参数通过3G或GPRS无线网络首先传输到KingIOServer采集服务器。然后KingIOServer采集器再把数据传输到KingSCADA展示平台或者KingHistorian工业库中。控制参数由中心端设置的集中配置平台软件KingSCADA对泵站PLC的各种参数和雨量计、水位计的数据采集频率远程配置，包括每个数据的采集间隔，数据上报间隔，上报的参数数量，参数类型等。

      对于值班人员通过中心设置的操作员站的KingSCADA客户端软件，对底层设备进行监视，此外对现场泵站的原始过程数据，中心端架设数据分析平台，内部嵌入KingCalculation和KingA&E对数据进行告警统计与分析归纳。

      另外在中心端的展示平台KingGraphic可以从多种实时历史数据库中获取数据，既能及时监测当前整个所有泵站的运行情况，也可全面回顾过去的历史运行情况。展示平台的图形组态工具能快速方便地绘制各种仿真工艺流程图、人机交互界面。加上与Windows平台的完美结合，将数据发布到互联网上，使得领导人员在任何一个存在Internet的角落都能浏览到泵站监测系统的数据。

3.3.泵站数据采集

      对于泵站数据的采集，中心端布置2台互为冗余的KingIOServer采集器，对泵站现场的PLC数据及现场仪表数据进行数据采集；由于现场的控制器不同，下位机控制系统分为西门子PLC200和西门子PLC300，为了统一传输协议，使得数据在3G和GPRS无线网络中传输的稳定、可靠，泵站前端布置协议转换器,将西门子PLC200和西门子PLC300的控制参数转换成统一的协议标准传输到中心端的KingIOServer中。

      泵站现场通过OCS采集模块将PLC等底层设备及雨量计等仪表设备数据通过3G和GPRS无线网络传输。3G和GPRS无线网络互为链路冗余，在每个KingIOServer软件内部设置主机和从机工作模式；主机和从机分别建立2套虚拟采集设备对应3G和GPRS链路，主链路为3G，从链路为GPRS；正常情况下由3G链路进行数据采集，GPRS链路处于备用状态；若主链路系统出现故障，从机KingIOServer的采集器通过心跳链路获知主机采集系统出现问题，从链路系统立即启动服务，开始采集OCS模块数据。
 

 

      泵站现场的控制系统PLC数据和仪表数据传输到OCS采集模块中，OCS模块具备数据缓存功能，当两套无线网络都网络出现故障时，OCS采集模块会将未发送出去的数据暂时缓存到模块的存储区，当网络正常时，根据续传机制，将缓存的数据再传送到中心KingIOServer采集器中，KingIOServer首先接收历史数据，将OCS采集模块发送的数据按照时间戳的顺序排列，依次将数据存储到工业库KingHistorian中。

3.4.雨量计数据采集

      泵站雨量计可由感应器、记录器二部分组成，共77台；泵站雨量计数据接入泵站PLC，实现与泵站系统的集成，数据首先传输到OCS模块，再传输到KingIOServer数据采集端。全市还配有23台一体化雨量计，雨量计直接通过DTU采集数据，并通过无线网络传输到中心的KingIOServer中。

      平台可实现对连续时段降雨量、降雨强度、日雨量、累计雨量、某场降雨对应重现期等的计算及查询功能，利用集中控制平台KingSCADA实现雨量清零重新累计某场降雨量的功能，并且对雨量数据的报送方式通过KingSCADA的对话式设定，根据客户需求可以设定为同步式，异步式或订阅式。

4. 方案特点
1)  中心KingSCADA的IO数据采集由专门独立的KingIOServer程序来执行。KingIOServer可以和KingSCADA部署在一个PC机上，也可以部署在不同的PC机上。根据本项目的特点，将KingIOServer部署在单独的数据采集服务器上，可以有效减轻中心KingSCADA机器的运行负荷，达到大幅提高KingSCADA系统运行效率的目的。

2) 根据现场无线网络不稳定的情况，数据传输采用3G和GPRS网络冗余与OCS模块断点续传的功能，双保险保证历史数据的安全性、完整性。正常情况下由3G链路进行数据采集，GPRS链路处于备用状态；若主链路系统出现故障，从链路系统立即启动服务开始采集数据。当两套无线网络都出现故障时，OCS采集模块会将未发送出去的数据暂时缓存到模块的存储区，当网络正常时，根据续传机制，将缓存的数据再传送到中心KingIOServer采集器中。

3) KingSCADA软件提供的数据模型和图形模型功能，是专门针对具有相同的数据结构、相同的控制逻辑、相同的图形系统和画面需求而开发的，数据模型中包含变量和控制逻辑，图形模型中包含图素和动画链接，该项目无论是中心监控系统还是泵站级监控系统，都可以进行模型化。例如在泵站级监控系统，可以定义水泵模型、格栅模型、阀门模型等，利用这些模型可以快速的批量创建实例化的对象变量和画面图形动画。模型具有属性传播的特性、可以进行复制、具有导入导出功能，这些功能特性都可以为工程开发和维护极大减少工作量，无论是系统改造的工程开发还是后期多过泵站不断的接入，都只需要进行简单的模型生成对象的工作。

4) KingSCADA软件图形系统采用GDI+图形技术，使其相对于其他图形技术具有更美观的展现力，且能达到较佳的性能，在绚丽图形效果与性能间找到最佳平衡点，支持近40余种动画链接属性：数据表达式类型、相对运动、动态TOOLTIP、特效动画、鼠标事件、位图连播、管道动画等等，可以避免目前系统KingView采用大量的位图图片来满足画面和动画美观而耗费了大量计算机硬件资源的情况。可以使系统运行更加顺畅稳定，且达到更好的视觉效果。

5) 中心使用的工业数据库软件KingHistorian3.0版本作为历史数据存储核心。相比于其他数据库软件，工业数据库软件KingHistorian包含数据采集技术、数据存储压缩技术、数据安全技术以及数据管理技术、和KingSCADA监控系统接口等方面，KingHistorian3.0在产品功能、性能和稳定性上都有了更大的提升。

6) 数据库存放了海量的过程数据，然而这些数据是无法直接成为有价值的信息，也就不能成为企业决策的有效依据。数据分析平台提供计算平台KingCalculation、报警和事件检测平台KingA&E，可以为您完成生产过程数据到企业信息的质变，从而实现了现场过程信息的可视化飞跃，完成对数据的信息挖掘。

7) KingGraphic展示平台支持Internet访问，客户可以随时随地通过Internet实现远程监控，使得用户在任何一个存在Internet的角落都能浏览到泵站监测系统的数据。客户端有着强大的自主功能，通过浏览器实时浏览画面，监控各种工业数据。

5.运行效果展示

6.总结

      作为城市基础设施,城市排水管网的建设和发展也是标志城市现代化管理水平的一个窗口。北京市排水集团泵站在线监测系统投入运营后，为城市排水管网提供一套实时监控系统。系统帮助集团更高效、更准确的掌握城市排水管网的运行状态,以便可以更好地了解、分析和及时处理排水管网遇到的问题，提高了城市排水管网的精细化管理水平。同时系统的投入使用也必将为企业节约大量的成本，带来巨大的经济效益。