摘要：隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，供水行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到智慧水務(wù)階段，傳統的智慧水務(wù)架構僅能展示層次分析數據的內容，無(wú)法實(shí)現數據統計的反饋功能。提出一種新的智慧水務(wù)系統架構，通過(guò)該架構能夠真正實(shí)現數據的智能統計、智能分析，從而真正實(shí)現對底層設備的智慧控制。

關(guān)鍵詞：架構；智慧水務(wù)；智能分析；智慧控制

0 引言

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和云計算的迅速發(fā)展，水處理行業(yè)從最初純粹的上位機控制，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )處理，繼而發(fā)展到今天的智慧處理。智慧水務(wù)概念的提出是水務(wù)行業(yè)智能化發(fā)展的必然趨勢。通過(guò)超級計算機和云計算將其整合，實(shí)現社會(huì )與物理世界融合。在此基礎上，人類(lèi)可以更加精細和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到智慧狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。智慧水務(wù)來(lái)自智慧城市，而智慧城市來(lái)自智慧地球。本文將從連云港市自來(lái)水公司已有的項目建設出發(fā)，提出一種實(shí)用的智慧水務(wù)架構體系，為本水司智慧水務(wù)建設提供一套有效的技術(shù)方案［1］。

1 總體架構

傳統的智慧水務(wù)架構僅能打通信息孤島，實(shí)現數據的共享與分析，但對于智能化反饋沒(méi)有明確的表述，只能從理論上做一個(gè)說(shuō)明，針對這個(gè)問(wèn)題本文提出一種新的架構，見(jiàn)圖1。

圖1 智慧水務(wù)總體架構圖

如圖1所示，這個(gè)架構分為4層，從下到上依次為設備層、PLC控制層、通信服務(wù)層、智慧水務(wù)層。

其中，設備層為第1層，主要包括各種傳感器、數字儀表以及現場(chǎng)各種設備。設備層通過(guò)不同廠(chǎng)商提供的通信協(xié)議與第2層PLC進(jìn)行通信，PLC層接收現場(chǎng)數據，根據自身程序進(jìn)行控制設備運行，同時(shí)對上提供通信接口。

第3層為通信服務(wù)層，其主要任務(wù)是建立公用的通信服務(wù)器，也就是IOServer服務(wù)器，該服務(wù)器是核心服務(wù)器，因此使用“一用一冗"或者“多用多冗"。通信服務(wù)器主要為最上層智慧水務(wù)層提供數據通信服務(wù)。

第4層智慧水務(wù)層主要包括：（1）SCADA調度系統，用于實(shí)時(shí)查看各水廠(chǎng)、加壓泵站、二次加壓泵房、大表等設備實(shí)時(shí)數據，報警信息，給調度人員提供實(shí)時(shí)數據。系統為分布式模式設計，分布式模式是指將SCADA服務(wù)端安裝在服務(wù)器上，客戶(hù)端通過(guò)SCADA客戶(hù)端軟件實(shí)現通信?？蛻?hù)端實(shí)現顯示和控制功能，服務(wù)端實(shí)現數據處理功能，客戶(hù)端出現故障不影響服務(wù)端正常運行。另外SCADA服務(wù)端配置成雙冗余模式，一個(gè)服務(wù)崩潰自動(dòng)切換成另冗余服務(wù)，保證系統穩定性。（2）WebSCADA服務(wù)器，主要是提供Web網(wǎng)站的實(shí)時(shí)數據顯示，該服務(wù)器能大大降低Web端程序開(kāi)發(fā)的難度，提高程序開(kāi)發(fā)效率。同時(shí)該服務(wù)器還提供WebService接口，用于Web程序的智慧決策和反饋調度。（3）Web服務(wù)器，主要提供PC端智慧水務(wù)系統各種業(yè)務(wù)和各種數據顯示服務(wù)。（4）移動(dòng)服務(wù)器，主要提供移動(dòng)端數據服務(wù)。（5）GIS服務(wù)器，用于提供GIS地圖相關(guān)服務(wù)，存儲相關(guān)地圖數據。（6）大數據服務(wù)器，主要用于提供海量數據，以提供給專(zhuān)家系統進(jìn)行智能計算和智慧決策。

該架構最大的不同是強化了通信服務(wù)層，通信服務(wù)層可以設置具有API功能的服務(wù)，通過(guò)該服務(wù)可以為第三方平臺提供有效接口，然后通過(guò)Web服務(wù)器結合大數據服務(wù)器實(shí)現智慧化控制，這種方案實(shí)現簡(jiǎn)單［2］。第2種方案是通過(guò)WebSCADA服務(wù)器提供WebService服務(wù)，該服務(wù)可以直接反饋到底層的PLC端控制，從而實(shí)現智慧化控制，這種方法安全性高，可操作性強。

2通信中心設計

通信中心是智慧水務(wù)建設的核心功能層，一個(gè)穩定、可靠、安全的通信中心是智慧水務(wù)建設的關(guān)鍵。

2.1硬件設備的可靠性

通信設備種類(lèi)繁多，總體上分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩大類(lèi)。有線(xiàn)類(lèi)包括雙絞線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和光纖網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)類(lèi)則通過(guò)2G、4G技術(shù)進(jìn)行通信。通信設備的質(zhì)量會(huì )在很大程度上決定通信質(zhì)量的好壞，因此在工程施工中應盡量使用穩定可靠的通信設備，通信線(xiàn)路應盡量以光纖為主、超五類(lèi)網(wǎng)線(xiàn)為輔的設計思路［3］。

2.2 軟件的可靠性

軟件系統的穩定性直接決定數據能否穩定讀取，軟件主要包括：操作系統軟件、數據庫軟件、通信軟件。往往最新的操作系統穩定性無(wú)法保證，因此在操作系統的選擇上一般會(huì )選擇成熟穩定的版本。另外，操作系統還要與服務(wù)器硬件相互匹配，這樣才能發(fā)揮性能。

通信類(lèi)軟件的可靠性直接決定數據能否準確、及時(shí)、穩定地傳輸到通信中心，通信類(lèi)軟件種類(lèi)繁多。一般而言，同一廠(chǎng)家提供的通信軟件與自己的產(chǎn)品兼容性最好，不同廠(chǎng)家通信軟件往往不相互兼容，容易出現數據中斷現象。另外，通信類(lèi)軟件要支持冗余，對于斷網(wǎng)情況要有一定的處理機制，要支持斷點(diǎn)續傳，這能夠保證數據的完整性。

多級通信是架構的基本要求，對于水廠(chǎng)要有獨立的通信服務(wù)器，調度中心要有調度中心通信服務(wù)器，如果網(wǎng)絡(luò )出現中斷，要能保證水廠(chǎng)等核心單元正常運轉［4］。

3 數據中心設計

數據中心是智慧水務(wù)的另一個(gè)核心區域。數據中心要根據實(shí)際需求進(jìn)行劃分，總體上分為兩類(lèi)，一類(lèi)用于存儲業(yè)務(wù)的關(guān)系數據庫，一類(lèi)用于存儲生產(chǎn)數據的工業(yè)數據庫。

3.1關(guān)系數據庫

目前常用的關(guān)系數據庫為MySQL、MSSQLServer、0racle。MySQL一般用于小型數據處理，是很多PHP網(wǎng)站的數據庫；MSSQLServer是微軟公司開(kāi)發(fā)的數據庫，一般用于基于C#開(kāi)發(fā)的網(wǎng)站，同時(shí)該數據庫被廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域；Oracle是大型數據庫，是JSP網(wǎng)站的數據庫，功能強大，但是很少用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

關(guān)系數據庫的建立基于業(yè)務(wù)需求，是業(yè)務(wù)需求的數學(xué)邏輯模型。在智慧水務(wù)開(kāi)發(fā)設計上，關(guān)系數據庫一般有兩個(gè)方面的應用：其一是從工業(yè)數據庫獲取實(shí)時(shí)數據的映像作為邏輯數據庫的最基本數據，其二是從業(yè)務(wù)中獲取手工錄入的數據作為業(yè)務(wù)處理數據［5］。

從工業(yè)數據庫或者從SCADA系統獲取的實(shí)時(shí)數據稱(chēng)為自動(dòng)數據，手工錄入的數據稱(chēng)為手工數據，自動(dòng)數據往往要經(jīng)過(guò)專(zhuān)家系統的計算才能用于邏輯處理中，為了保證數據的真實(shí)性自動(dòng)獲取的數據一般不允許改動(dòng)，邏輯處理過(guò)的數據可以修改并與手工輸入的數據形成復雜的業(yè)務(wù)邏輯。

實(shí)時(shí)數據庫往往數據量大導致處理困難，為了解決這類(lèi)問(wèn)題，我們往往采用加大采集時(shí)間的方式處理，以1h為最短采集時(shí)間，并分成多個(gè)表，每個(gè)表只存儲50個(gè)左右的數據點(diǎn)，并且只針對有邏輯計算意義的數據點(diǎn)進(jìn)行計算存儲，情況下要每日生成一張表，保證記錄數不超過(guò)百萬(wàn)條。

3.2工業(yè)數據庫

工業(yè)數據庫一般用于存儲大批量數據，其特點(diǎn)是高速數據采集、數據壓縮、海量驅動(dòng)。工業(yè)庫可以存儲高密集數據，其數據內容是智能分析的依據，一般情況下工業(yè)數據庫可以用于趨勢圖分析，實(shí)時(shí)數據采集以及智能分析，是智慧水務(wù)的數據來(lái)源。

4 系統設計

智慧水務(wù)系統主要包括的功能單元有如下幾點(diǎn)。

（1）生產(chǎn)運行管理系統，集成SCADA系統，實(shí)現取、供、用、排整個(gè)水生命周期的實(shí)時(shí)數據監控和管理，對生產(chǎn)、運行情況進(jìn)行總體監控，結合視頻，更科學(xué)地進(jìn)行統一調度，實(shí)現生產(chǎn)全面監控管理，提高公司對整體信息的掌控，提高管理水平。主要包括模塊有水源地監控、自來(lái)水廠(chǎng)監控、供水泵站監控、供水管網(wǎng)監控、DMA分區監測、二次供水監控、用戶(hù)用水監測。

（2）生產(chǎn)調度管理系統，支持監測數據的實(shí)時(shí)顯示，具備故障報警功能，顯示故障點(diǎn)和故障狀態(tài)，并提示故障處理方法，支持動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)的工藝過(guò)程、參數、設備工況等。

（3）管網(wǎng)GIS系統，包括管網(wǎng)排查、維護、養護、巡檢以及統計分析等。

（4）供水管網(wǎng)模型，實(shí)現水壓、水量、流速、流量、水質(zhì)等全要素的動(dòng)態(tài)模擬顯示，具有10分鐘級別SCADA 在線(xiàn)校驗功能。

（5）DMA分區計量管理，具有漏損評估，漏損預警，產(chǎn)銷(xiāo)差分析，水平衡分析。

（6）設備管理系統，包括設備采購、設備檔案、設備運行、設備巡檢、設備保養、設備維修、設備改造、設備報廢等全周期設備管理。

（7）水質(zhì)管理，包括化驗室管理和水質(zhì)分析管理。

（8）生產(chǎn)統計分析，包括實(shí)時(shí)生產(chǎn)的展示，提供日、周、月生產(chǎn)曲線(xiàn)，生產(chǎn)數據，同比環(huán)比等，還包括能耗分析和水量異常提醒。

（9）熱線(xiàn)管理，根據系統提供的數據提供熱線(xiàn)管理功能。熱線(xiàn)系統不但要具備完善的業(yè)務(wù)流程，還要能夠與底層設備數據對接，實(shí)現完整的派單下發(fā)功能。

（10）移動(dòng)平臺，要有可定制化的移動(dòng)平臺實(shí)現具體業(yè)務(wù)的在線(xiàn)處理，數據的實(shí)時(shí)顯示，報警數據的提醒，巡檢數據的上報，工單處理的接收和數據上報等功能［6］。

5 AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺

5.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過(guò)在污水廠(chǎng)源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節點(diǎn)安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠(chǎng)能耗總量和能耗強度，監測主要用能設備能效，保護污水廠(chǎng)運行可靠，提高污水廠(chǎng)能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細的解決方案。

5.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統由變電站綜合自動(dòng)化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運維管理人員通過(guò)一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統運行狀況，并且根據權限可以適用于水務(wù)后勤部門(mén)管理需要。

5.3平臺拓撲圖

5.4平臺子系統

5.4.1變電站綜合自動(dòng)化系統及電力監控

對水務(wù)配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時(shí)預警。

監測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機的電流、電壓、有功/無(wú)功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

5.4.2電能質(zhì)量監測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機、水泵變頻啟動(dòng)導致配電系統中存在大量諧波，通過(guò)監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動(dòng)、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

5.4.3電動(dòng)機管理

馬達監控實(shí)現水務(wù)中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動(dòng)機保護器能對過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護、監測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機進(jìn)行健康診斷和預防性維護。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過(guò)能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區域。

將所有有關(guān)能源的參數集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現各個(gè)工藝環(huán)節的能耗對比，幫助領(lǐng)導掌控整個(gè)工廠(chǎng)的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數據統計采集水務(wù)中污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進(jìn)行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車(chē)間/職能部門(mén)的能效水平進(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過(guò)污水處理產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)/國家指標對標，以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

5.4.5智能照明控制

系統為污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現室內、廠(chǎng)區照明的智能控制達到安全、節能的目的。

5.4.6電氣安全

①電氣火災監測：監測配電系統回路的漏電電流和線(xiàn)纜溫度，實(shí)現對污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站的電氣安全預警。

②消防應急照明和疏散指示：根據預先設置的應急預案快速啟動(dòng)疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

③消防設備電源監測：監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時(shí)消防設備可以正常投入使用。

④防火門(mén)監控系統：防火門(mén)監控系統集中控制其各終端設備即防火門(mén)監控模塊、電動(dòng)閉門(mén)器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測疏散通道防火門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開(kāi)路、短路等故障信號。系統采用消防二總線(xiàn)將具有通信功能的監控模塊相互連接起來(lái)，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門(mén)監控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

5.4.7 環(huán)境監測

污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等場(chǎng)所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機或新風(fēng)系統，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

5.4.8分布式光伏監測

實(shí)時(shí)監測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，逆變器運行監視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進(jìn)行監測，以曲線(xiàn)方式繪制上述監測的各個(gè)參量的歷史數據。

平臺結合廠(chǎng)區實(shí)際分布情況，通過(guò)3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車(chē)棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點(diǎn)位置，各個(gè)屋頂的裝機容量。

5.4.9工藝仿真監控

平臺通過(guò)2D、3D方式實(shí)時(shí)監視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動(dòng)機控制柜或低壓饋電柜安裝電動(dòng)機保護，進(jìn)行短路、過(guò)流、過(guò)載、起動(dòng)超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現電動(dòng)機自動(dòng)或遠程控制，監視、控制各個(gè)工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

6 相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7 結語(yǔ)

通過(guò)構建智慧水務(wù)可以有效解決水務(wù)管理者面臨的各種問(wèn)題，并把生產(chǎn)和水循環(huán)過(guò)程的各個(gè)領(lǐng)域都變得直觀(guān)透明，智慧水務(wù)的解決方案幫助企業(yè)更有效地從事水務(wù)管理。未來(lái)幾年將是智慧水務(wù)高速發(fā)展的時(shí)間，各水司應抓住機遇深耕公司生產(chǎn)業(yè)務(wù)，建立適合自己的智慧水務(wù)系統。

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