引言

因為現(xiàn)代水務管理工作的需求變得愈發(fā)復雜，導致工作展開難度加大，純粹的人工模式逐漸不滿足工作開展需要，容易導致工作質量、效率出現(xiàn)瑕疵，所以相關組織現(xiàn)已開始著手建設智慧水務系統(tǒng)，并取得了初步成果。但初步成果上的智慧水務系統(tǒng)依然存在問題，其中主要問題就是系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系，使得很多工作依舊需要人工干預，說明智慧水務系統(tǒng)還需要進一步完善。針對這種現(xiàn)象，相關學者認為智慧水務系統(tǒng)的進一步完善性建設應當秉持互聯(lián)網思維展開，將子系統(tǒng)串聯(lián)在一起，建構一個能完全覆蓋水務管理需求的網絡框架才能有力解決問題，并能大幅提高工作質量與效率。

1 智慧水務系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前來看，相關組織所建立的智慧水務系統(tǒng)主要是以智能終端為核心，在實際工作地點安裝傳感器等設備，或建立工作站來搭建業(yè)務子系統(tǒng)，然后將每個子系統(tǒng)連接到智能終端上，這樣智能終端就能接受來源于每個業(yè)務子系統(tǒng)上的信息，并通過智能邏輯對信息進行識別、分析，根據信息了解業(yè)務板塊情況，結合實際情況提出工作建議。例如水質檢測業(yè)務子系統(tǒng)會向智能終端發(fā)送水體重金屬元素含量信息，當終端獲取該信息就會根據預先設定好的重金屬元素含量標準進行數(shù)值對比，如果信息內重金屬元素含量數(shù)值超過標準值，就說明水體存在重金屬污染超標現(xiàn)象，水質明顯下降，因此會發(fā)出工作建議，讓人工盡快展開水質凈化工作?？梢钥闯觯斍暗闹腔鬯畡障到y(tǒng)確實對實際工作有幫助，但結構上卻太過簡單，是以典型的直聯(lián)結構，即每個子系統(tǒng)都是單獨于智能終端保持聯(lián)系的，彼此之間并沒有聯(lián)系，這會導致每個業(yè)務子系統(tǒng)傳遞而來的信息沒有聯(lián)系，也使得智能終端只能單獨分析某個子系統(tǒng)傳遞而來的信息，不能很好的將所有業(yè)務子系統(tǒng)信息集成進行綜合分析，故分析結果存在瑕疵，諸如水質檢測業(yè)務子系統(tǒng)只能傳遞水質相關的信息，告訴工作人員水質存在問題，需要展開工作，但工作須針對水質污染原因展開，而這種系統(tǒng)結構無法直接展示具體原因（其他業(yè)務子系統(tǒng)會將具體原因傳遞到智能終端，但因為信息沒有聯(lián)系，所以在結果展示中無法告知人工水質污染與哪些原因有關），大部分情況下還需要人工進行排查，說明智慧水務系統(tǒng)有待進一步完善。

2 互聯(lián)網思維下智慧水務系統(tǒng)設計方案

2.1 框架建設

為了在智慧水務系統(tǒng)進一步建設中滿足所有現(xiàn)實需求，本文提出了一種全新的系統(tǒng)框架，具體如圖 1 所示。

圖 1 本文智慧水務系統(tǒng)總體框架

結合圖 1 可以看到，本系統(tǒng)共分四個層次：首先為設備層，也被稱為“物理層”，主要由各種物理設備建構而成，設備指傳感器、檢測儀表等。這些設備的主要功能各不相同，但實際作用統(tǒng)一，均是對現(xiàn)實信息進行采集，然后將信息傳遞到 PLC 總線中進行傳輸，因此這些設備還充當了信息發(fā)出端，均具備信號發(fā)射功能，即任意設備都能將信息轉換成相關的信號，并將信號對外發(fā)射，發(fā)射出的信號會被 PLC 總線接收；然后為 PLC 控制層，該層的核心是 PLC 總線，能夠接收現(xiàn)場載有信息的信號，信號會在總線內傳遞，并且在單片機控制作用下進入對應的分支通信渠道中，這樣相關的信號會被集成，然后通過分支通信渠道向通信服務層傳遞。另外，因為通信服務層的主要設備是物理服務器，只能讀取數(shù)字格式的信號，而初始化信號的格式為電的信號，所以在 PLC 控制層中還會將初始化信號的格式轉換為數(shù)字格式，這一功能主要通過換能器來實現(xiàn)；第三為通信服務層，主要功能是作為智慧水務系統(tǒng)的公用通信服務器，能夠解譯在 PLC 控制層中初步集成的信號，獲得對應信息組，然后根據編號、標簽對信息組進行分類，分類后進行儲存。通信服務層主要建立于以太網環(huán)境中，本文在網絡搭建中所使用的網絡協(xié)議為 CSMA/CD 協(xié)議，其具有多點接入的特點，滿足業(yè)務子系統(tǒng)相互連接的需求，且該網絡能作為智慧水務系統(tǒng)的專用網絡來使用；第四為智慧水務層，該層的核心是智能終端系統(tǒng)，而該系統(tǒng)能夠通過功能開發(fā)成為水務信息分析、水務工作統(tǒng)一化信息指揮的雙用系統(tǒng)。本文在該系統(tǒng)建設中，首先依托于 Web SCADA 服務器來獲得 Web Service 服務，其次通過該服務反饋到 PLC端控制，實現(xiàn)了交互互聯(lián)的通信與智慧化控制，同時該方法下得出的智能終端系統(tǒng)將具備安全性高、人機交互性好的優(yōu)勢。

2.2 數(shù)據庫建設

任何系統(tǒng)的運作都須建立在數(shù)據支撐的基礎上，因此為了獲得數(shù)據支撐，本文在框架搭建完畢后展開了數(shù)據庫建設工作。結合系統(tǒng)運作需要，數(shù)據庫建設工作一共分為兩個步驟：首先是搭建關系數(shù)據庫，該數(shù)據庫在類型上有很多選擇，諸如 MySQL、MSSQLServer、Oracle 等，但這些數(shù)據庫在容量及自帶功能上存在一定的差別，即 My SQL 容量比較有限，但功能相對豐富，一般用于儲存量級較小，但類型復雜的數(shù)據；MSSQLServer 容量較高，但功能單一，無法對數(shù)據進行準確分類，常用于儲存大型數(shù)據；Oracle 容量高、功能強大，但使用流程繁瑣。系統(tǒng)數(shù)據庫建設應當優(yōu)先滿足實際數(shù)據儲存與應用需求，而后再考慮使用流程是否繁瑣等問題，所以選擇 Oracle 數(shù)據庫作為關系數(shù)據庫，其在實際應用中主要負責從工業(yè)數(shù)據庫獲取實時數(shù)據映像，然后將這些數(shù)據提供給智能終端系統(tǒng)，作為智能終端系統(tǒng)的智能邏輯支撐，同時也負責獲取業(yè)務子系統(tǒng)中手動錄入的數(shù)據，這一部分數(shù)據將作為業(yè)務處理數(shù)據來使用；其次是搭建工業(yè)數(shù)據庫，該數(shù)據庫須具有龐大的數(shù)據儲存容量，用于支撐高速數(shù)據采集、數(shù)據壓縮等功能，這些功能可以對數(shù)據進行預先處理，使智能終端系統(tǒng)的運作效率增快。需要注意的是，工業(yè)數(shù)據庫的數(shù)據儲存容量需求比關系數(shù)據庫儲存容量需求更高，原因在于工業(yè)數(shù)據是不斷更新的，說明工業(yè)數(shù)據量級在不斷增長，因此工業(yè)數(shù)據庫的儲存容量也要不斷增長，這一需求下 Oracle 無法滿足需求，故選擇云數(shù)據庫作為工業(yè)數(shù)據庫，該數(shù)據庫屬于虛擬數(shù)據庫，可以將數(shù)據儲存在公開的網絡環(huán)境中，因為公開網絡環(huán)境的資源無窮無盡，所以云數(shù)據庫的容量可以無限增長。但云數(shù)據庫的應用會導致工業(yè)數(shù)據暴露在公開網絡環(huán)境中，為解決這一問題，可以先將一部分云數(shù)據庫儲存資源封裝，儲存在封閉式網絡環(huán)境中，該環(huán)境中的數(shù)據不會對外公開，而當內部數(shù)據儲存容量接近頂點時，可以人工增加封閉式網絡環(huán)境中的云數(shù)據庫資源來實現(xiàn)容量擴張。

2.3 業(yè)務子系統(tǒng)設計

為了增強智慧水務系統(tǒng)的功能性，使其對水務管理工作需求進行全覆蓋，需要在框架基礎上設計業(yè)務子系統(tǒng)，業(yè)務子系統(tǒng)主要集成在智慧水務層。需要設計的業(yè)務子系統(tǒng)有：首先是生產運行管理系統(tǒng)，設計主要參考集成 SCADA 系統(tǒng)結構，能夠對水體取用、供給、排放、引入等基礎業(yè)務進行實時數(shù)據監(jiān)控，也促使相關組織能夠實行生命周期管理，做到生產、運作全方面管控。該子系統(tǒng)主要由水源地監(jiān)控、自來水廠監(jiān)控、供水泵站監(jiān)控、用戶用水監(jiān)測等功能單元組成；其次是生產調度管理系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要負責展示生產運行管理系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據，數(shù)據展示主要由該子系統(tǒng)的數(shù)據可視化模塊實現(xiàn)，通過該模塊能夠將實時數(shù)據繪制成數(shù)據曲線，提高數(shù)據展示的直觀性。同時該系統(tǒng)還需要具備故障報警、故障情況展示、故障處理建議輸出等功能單元；第三是管網 GIS 系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要與相關組織的管網排查、維護、養(yǎng)護、巡檢等業(yè)務對接，能夠幫助工作人員了解管網情況，發(fā)現(xiàn)問題能通過GIS 技術獲得信息，確認問題所在位置，方便人工直接前往現(xiàn)場處理，提高相關業(yè)務工作效率。該子系統(tǒng)在 GIS 技術的作用下具有良好的數(shù)據準確性與數(shù)據反饋及時性，因此系統(tǒng)可靠性較高。該子系統(tǒng)主要包含管網信息系統(tǒng)、管網數(shù)字采集系統(tǒng)、管網工程管理、管網巡檢管理功能、管網應急處理、供水管網模型等功能單元；第四是 DMA 分區(qū)計量管理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)需要具備漏損評估、漏損預警、產銷差分析、水平衡分析等功能單元，這些功能單元能使得相關組織對自身經濟效益進行把控。以漏損評估、漏損預警兩大功能單元為例，因為漏損問題是水務經濟效益影響的主要因素，漏損越小、越少則水務經濟效益越高，所以首先通過漏損評估，能夠讓相關組織了解各個管理區(qū)域的漏損情況是否超標、是否已經接近標準，這樣相關組織就能做好預先防控或對應處理工作，其次通過漏損預警功能能更好的通知人工做出有針對性的工作計劃，即漏損預警功能會通過漏損報告來通知人工，報告中會顯示水量分析、夜間低流量分析、異常分析，統(tǒng)計漏失率等重要信息，方便人工排查；第五是設備管理系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要負責展示水務管理工作中所有設備的情況信息，包括設備使用年限、設備數(shù)量、設備型號、設備維修記錄、設備報廢記錄等，這些信息能夠幫助人工做好設備采購、維修、保養(yǎng)、檔案、運行、巡檢等重要工作；第六是水質管理系統(tǒng)，該子系統(tǒng)主要與水質化驗業(yè)務掛鉤，以便相關組織保障水質安全，定期進行水質取樣，然后對水質樣本進行化驗分析，而在該子系統(tǒng)幫助下，水質化驗整個過程中的數(shù)據以及化驗結果能迅速傳輸?shù)街悄芙K端系統(tǒng)中，終端系統(tǒng)將結合標準對數(shù)據進一步分析，如果化驗結果中某個數(shù)據項目超出安全標準，會馬上通知人工，并且給出處理建議。該子系統(tǒng)主要由項目分組、檢測數(shù)據上報、檢測報告生成三個功能單元組成；第七是交互通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)比較特殊并不與任何水務管理業(yè)務對接，主要功能是支撐以上六大子系統(tǒng)的交互連接，實現(xiàn)各大子系統(tǒng)交互通信，將信息集成后發(fā)送到 PLC 總線內，這樣就能彌補以往智慧水務系統(tǒng)的不足。交互通信系統(tǒng)一般建議采用點對點的網絡協(xié)議來完成，這也是本文選擇 CSMA/CD 協(xié)議的主要原因。

3 AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

3.1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品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

3.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

3.3平臺拓撲圖

3.4平臺子系統(tǒng)

3.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據。

3.4.2電能質量監(jiān)測與治理

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

3.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

3.4.4能耗管理

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

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、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(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/國家/國際先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

3.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能的目的。

3.4.6電氣安全

①電氣火災監(jiān)測：監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、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疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據，通過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(jiān)測：監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

④防火門監(jiān)控系統(tǒng)：防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)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。

3.4.7 環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、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、自來水廠、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啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

3.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)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(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據。

平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

3.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、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，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

審核編輯 黃宇