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水泵远程监测云平台系统方案

1 概述

1.1 建设背景

经过现场勘察,泵类设备在实际运行之中,系统负荷时常发生改变,大部分存在节能改造的空间。为掌握系统实时运行数据,以给节能改造方案的制定提供依据,并监测改造后水泵的运行状态,实现对泵故障自动预警,需对水泵运行的数据进行远程监控。

1.2 建设目标

对泵的用电数据及运行参数(流量、压力、轴承温度、振动等)数据的的远程采集,对水泵的运行状态进行实时监测和记录,并提供改造前后的节电量分析。为水泵的日常检修和故障诊断提供相应的数据支持,提高设备的提前检修率,降低对正常生产的影响。

2 设计标准

  • 1、IEEE802.3信息技术电信和系统间信息交换和城域网
  • 2、GB/T2887-2000电子计算机场地通用规范
  • 3、B/T9813微型计算机通用规范
  • 4、YD/T849-1996开放系统互连安全体系结构
  • 5、GB/T9387.3-1995信息处理系统开放系统互连基本参考模型
    • 3 系统简介

      机泵远程监测云平台是我公司开发的一套远程监测系统,通过该系统可以对其销售出去的产品进行业务管理,包括合同的情况、客户的情况、循环水系统的情况、水泵的情况;可以实时了解其销售出去产品的运行状态,包括流量、扬程、功率、轴承温度等参数,一旦设备运行异常,系统将通过短信或在线消息等方式为用泵企业提供报警或预警信息。

      通过系统可以查询水泵运行的历史数据,可以协助泵企业了解系统的运行情况,为水泵的故障诊断、节能改造提供数据支持。为泵运行提供一套最为高效的运行方案。

      水泵运行数据的本地显示有助于提高水泵智能化水平。机泵远程监测云平台不仅仅是一种设备远程在线监测系统,而是一种先进售后服务及维保模式,通过平台显示的相关数据,把事后维修变成了事前检修,为用户的设备安全运行提供了可靠的保证,把各个泵站分散管理变成集中管理,并且节约了大量的人力成本、交通成本和材料成本。

      实现机泵运行数据(负荷、压力、温度、振动、流量等)的采集、传输、存储和展示;对水泵的运行监测、运行分析和故障报警,为水泵安全运行、节能服务提供准确、完整的水泵运行数据,为水泵项目节能改造、水泵设计调试提供最直接的数据依据支撑,实现对水泵改造项目、水泵基本信息维护管理。

      3.1 系统架构

      3.1.1 物理架构

      系统设计采用模块式分布式结构,包含云端、用户端组成,用户端包含机泵数字化站(智能水泵采集器、传感器、智能网关等设备)和用户访问站(通过各种智能终端实现对系统的访问),云端包含系统的控制程序,实现面向客户的数据与信息展示。云端与用户端之间通过现有的各类通讯网络进行连接,系统结构拓扑图如下:

      系统物理架构图
      图1 系统物理架构图

      机泵数字化站:是指分布于各地的用来监测水泵运行的各类信息采集终端、计量表计、传感器等设备,数字化站是整个系统的硬件支撑平台与数据源,一般部署于机泵附近工作站,数字化站也可布置智能终端就地监测数据。

      云端:系统主站主要负责系统的数据采集、存储与分析,并对数据进行发布。由WEB服务器、数据库服务器、应用服务器、消息服务等部件组成,所有的应用构架在稳定性极高的公有云系统上,可实现灵活的部署、降低系统成本,减少在本地部署数据中心的成本支出。

      数据访问站:系统提供电脑、智能手机、平板电脑等多种操作方式。通过消息服务的推送功能,可将各类报警数据推送到设备、APP,提供系统应用的便利性。

      网络传输:网络传输实现现场设备层和主站层之间的网络连接,利用常见的网络承载数据:移动通讯运营商无线网络(GPRS/CDMA)、Internet公网通讯方式(有线/WIFI)。通讯方式根据实际情况进行设定。

      3.1.2云端架构

      云端系统采用模块化设计,各功能模块相对独立,可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改,满足快速开发、快速上线运行的需求。

      云端架构
      图2 云端架构

      云端架构包括数据采集层、应用层与展现层等层次。

      • 数据采集层:该层是直接与现场设备进行交互的底层软件模块,负责与终端构建通讯链路并获取现场工作站的各类数据。
      • 应用服务层:应用层包括底层的权限管理、档案管理、日志管理等支撑业务,同时面向不同的角色类型开展不同的应用功能。
      • 展现层/用户层:向用户提供各项服务,包括系统监测、分析、报表、消息服务等,展示泵的各类运行状况,进一步提高泵的运维能力和运行的可靠性。

      3.2 设计原则

      • 1、采用开放的分布式网络体系结构,遵循有关国际标准和工业标准。
      • 2、自动化计量系统主要设备在不影响系统整体性能的基础上能尽量利用已运行正常的原有设备。
      • 3、主要设备采用冗余配置,系统具有较高的可靠性。
      • 4、硬件设备必须符合自动化计量系统的结构原理符合完整性、准确性、安全性和可靠性原则。
      • 5、系统硬件必须具有一定的先进性、超前性,并根据实用性原则进行优化配置,以达到较高的性能价格比。
      • 6、系统硬件应选用符合工业标准的通用、系列化产品,具有良好的维修服务支持。

      3.3 安全设计

      在该系统设计中,充分考虑到系统的安全性,防止非授权需方的侵入和机密信息的泄漏。从主站系统安全防护来说,系统在通讯通道和系统数据两个大的方面都进行安全性防护。

      具备操作系统级、数据库级和应用软件级三级安全机制。

      • 1、操作系统级:在网络层设置不同权限密码,非系统管理员不能操作服务器和数据库,并通过路由、防火墙等设置保证系统的安全和相对独立。
      • 2、数据库级:在数据库中设置有不同权限的需方和相应密码,保证非法需方不能使用数据,不同需方不能越级使用数据。
      • 3、应用软件级:提供严格的用户登录验证、权限控制和完善的事件日志和操作记录的管理。系统权限控制包括功能权限控制和数据访问权限控制。

      4 工程设计

      通过对油田多个作业区考察,当前油田接转站、联合站均建有数字化监控系统,在站点可查看站点的生产运行状态,相关数据可供上级系统进行获取分析,其系统的软硬件建设、网络建设已经非常完善和规范。结合当前油田数字化监控系统的实际情况,定制设计集成方案与独立方案两种,两种方案各有其优点和限制,可根据项目实施的侧重点和不同阶段进行选择:

      4.1 集成方案

      本模式可以降低本系统的现场成本,机泵数字化系统的相关智能设备通过现有的PLC系统集成到各站的数字化监控系统中。

      通过现有的数字化监控系统获取各类机泵数据化站的数据、信息,展示在本站的监控软件中,提供实时数据显示与运行状态的显示,并将数据上传到上级信息中心。

      在上级信息中心建设机泵远程监测云平台管理系统,获取各站点的实时机泵运行数据,进行数据的分析、计算、预警、报表等功能。

      本方案可以降低系统的初期投资成本,形成站点的生产、设备统一监测平台,提高站点的数字化与信息化水平。各厂可根据自身特点建设机泵远程监测平台,提高设备的运行管理水平,提高生产运行效率。并可利用已有的管路数据,提高对设备信息的全面性。

      与现有的生产信息系统进行集成,需要做好现有系统的集成与兼容,需要对有系统的IO点、PLC控制程序、监控软件进行相应的修改,部分站点可能需要进行部分IO模块的升级。但在现有的生产信息系统基础上进行集成,可以减少系统网络层、软件层的调试时间和工作量,减少项目的施工周期。

      4.2独立方案

      各站建设一套独立的机泵远程监测数字化站,建设独立的数字化系统、监控站,共用现有的网络系统,在上级信息中心建设机泵远程监测云平台管理系统,获取各站点的实时机泵运行数据,进行数据的分析、计算、预警、报表等功能。现场数字化站通过以太网进行各类数据的传输,大大简化系统设计,降低系统复杂度。

      该方案可避免对现有生产信息系统的改造、变更,不影响现有生产系统的运行。并在今后对机泵信息系统进行升级改造,形成各类设备的远程信息监控系统。

      5 功能说明

      5.1 数据采集

      数据采集支持GPRS、CDMA、以太网等数据通信方式。

      • 支持对电力负荷数据的采集;
      • 支持对压力传感器压力数据的采集;
      • 支持对温度传感器温度数据的采集;
      • 支持对振动传感器振动数据的采集;
      • 支持对流量计流量数据的采集;
      • 支持对轴向位置变量的采集;
      • 支持轴承温度数据的采集。

      5.2 档案管理

      机泵远程监测云平台服务的用户主要是本公司和用泵厂家。提供对机泵厂家的新增接入、修改变更、删除注销操作。提供泵各类信息的新增、变更、注销操作。 机泵厂家基础档案包括厂家名称、省份、城市、联系电话、传真、电子邮件。

      • 支持对机泵厂家基础档案增加;
      • 支持对机泵厂家基础档案修改;
      • 支持对机泵厂家基础档案注销;

      5.3 权限管理

      系统提供对不同账户的操作权限和管辖范围的管理。按照管理人员所属的角色的不同分配相应的系统访问资源。系统角色分为系统管理员、机泵厂管理员、机泵厂数据分析员。

      5.4 系统首页

      提供系统的个性化展示,可以根据不同显示要求,定制不同的页面布局风格。系统提供信息数据展示模板,显示机泵厂家基本信息、企业的宣传片、企业主要产品、服务行业、市场占有率等信息,以宣传企业产品、文化为主调,通过该页面可以链接到该公司的官方网站。

      5.5 运行监测

      系统支持对项目图形化的展示,采用图形展示项目逻辑结构图,标定各设备在项目中所处在的位置及运行实时状态。可以实时查看各设备的实时数据、以及运行曲线。

      5.5.1 项目设备逻辑图展示

      系统根据改造项目的设备实际连接情况,绘制项目设备关系逻辑SVG示意图,展示项目的整体布局以及各个设备所在项目中的位置。对项目中各类设备在示意图中提供形象的设备模型展示。

      5.5.2 设备状态实时更新

      系统根据设备的实际运行情况,判断设备的运行状态,实时将运行状态反应到项目设备逻辑图中,用不同的颜色、动作标识设备的运行状态。如正常水泵可以采用叶轮转动效果,停运采用背景变灰叶轮静态效果,水泵异常运行采用背景颜色红白交替闪烁叶轮转动的效果等。

      5.5.3 设备读数实时显示

      系统根据设备的运行情况,采集传感器的数据,实时将各类型的数据显示在设备对应的位置。

      5.5.4 单类型数据趋势图

      系统提供某一类型数据运行曲线分析功能,用户可以根据自定义的时间段,查询该段时间内的数据走势。

      5.5.5 多类型数据趋势图

      系统提供分析多计量表计的数据运行曲线图对比,支持两种不同的数据类型多个数据集合在同一时间段的对比分析,用户可以根据自定义的时间段、选择计量对象,查询该段时间内的所选数据的运行趋势。

      5.6 监测分析

      系统支持自定义水泵监测数据的对比,支持单类型数据、两种类型数据多个对象的对比分析。

      系统采用默认时间段(最近10天)方式,对最近10天的运行曲线数据做对比分析,分析各个类型的数据运行趋势以及不同数据类型间的关联关系。同时也支持用户选择时间段,分析对比曲线数据。

      5.6.1 节电结算

      系统按照项目树结构,统计水泵、改造项目的节电信息。系统支持按照结算周期,统计一个周期内的各水泵、改造项目的节电量、节电率数据。该节电数据作为节电效果的评价指标。

      5.6.2 项目节电统计

      项目节电统计是根据项目中包括的所有的水泵节电信息,综合统计出该项目的实际节约电量、节电率。

      5.6.3 水泵节电统计

      水泵节电统计是在一个统计周期内,根据水泵运行时间等数据,计算出水泵的实际节约电量、节电率。

      5.7 故障报警、预警

      故障报警能够准确可靠的监视项目中各水泵运行工况。当运行水泵发生故障时,系统能够根据传感器采集的数据自动的生成声光报警提醒信息,系统自动记录备查。根据设定的不同的阀值、预警值,对可能发生的故障、检修信息进行提前预警。降低设备故障对生产的影响,提前做好生产计划。

      5.7.1 阀值管理

      定义各水泵不同类型运行数据的阀值,设置当实际的运行值高于或者低于预先设定值时,系统根据有效的数据位,产生报警信息。可设置预警值、故障值、提示值等数据,对应进行预警、故障、提示等信息的提示。为设备的维护、检修、故障提供数据依据。

      5.7.2 实时提醒

      系统支持将产生的报警信息实时的在主控界面显示出来,提醒值班人员注意观察异常水泵的运行状态,同时主控界面中异常水泵能够不断的闪烁,示意该设备已经出现故障。

      5.7.3 报警统计

      系统支持按照水泵、改造项目,统计一段时间内的报警信息,包括报警的异常描述、开始时间、结束时间等信息。

      5.8 移动APP应用

      系统支持移动设备接入访问,支持Android、IOS等智能设备,通过系统提供的APP软件可以与PC端同步访问机泵实时数据及运行曲线数据,并可与微信、RTX等常见应用进行整合、集成。本功能需要相应网络和软件的支持。

      5.8.1 统计水泵分布及功率汇总

      系统支持按照机泵厂家统计其下所有接入的水泵,分区域统计水泵及功率汇总信息。

      5.8.2 实时数据查询

      系统支持查看水泵各类型的实时数据,监测的数据类型包括负荷、振动、压力、温度、流量。

      5.8.3 曲线数据查询

      系统支持查看水泵各类型的历史数据。

      • 数据类型包括负荷、振动、压力、温度、流量;
      • 数据展示采用曲线图方式展示;
      • 系统提供默认时间段;
      • 系统支持用户自定义查询时间段的选择(时间范围限制);

      6 数字化采集站

      根据现场情况,进行本设计。需要进行测量的物理量包括:泵出口压力、出口流量、轴承温度、轴向位置变量、能耗、电机温升等,上面物理量可根据实际需求进行增加和变更。以下介绍采集站主要设备。

      6.1 采集示意图

      采集示意图
      图3 采集示意图

      系统通过智能网关采集各类需要监测的物理量,并将相关数据通过网络进行传输, 根据集成方案和独立方案的不同采用不同的智能网络采集设备。

      6.2 设备选型

      6.2.1 采集终端

      本次施工采用威胜集团专用采集终端,采用高性能32位嵌入式RISC CPU(ARM9内核)硬件平台、实时嵌入式LINUX操作系统、GPRS通信和高精度电能计量等技术研制而成的新一代电力负荷管理终端产品,该产品功能强大、操作简单、运行稳定、维护方便,能够满足配变监测、远程抄表等多方面的应用需求。它具有采集精度高、可靠性高、存储容量大、开放性好、性能价格比高等特点,是能耗管理系统的理想配套产品。

      终端外形布局图
      图4 终端外形布局图

      6.2.2 电能表

      本项目采用威胜三相电子式多功能电能表,此表是一款集测量记录、超大屏幕LCD显示、通信于一体的电力仪表,可以测量电网三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、三相功率因数以和频率;计算三相电压不平衡度和三相电流不平衡度;并能计量正反向有无功电能以及复费率(最大六费率)电能;RS485通信接口支持MODBUS RTU和DL/T645双通信规约;2路开关量输入和2路开关量输出可以实现本地或远程的开关信号监测和控制输出功能(即“遥信”和“遥控”功能)。该仪表广泛适用于各种控制系统、能源管理系统、变电站自动化、配变网自动化、小区电力监控、工业自动化、智能型配电盘和开关柜,包括使用在发电厂、水电站等用电管理自动化系统中。

      6.2.3 水泵智能采集终端

      水泵智能采集终端中采用了WEGW-1000S智能能源网关。智能能源网关是长沙威胜能源产业技术有限公司研制的新一代具有抄表、通信能力的管理型网关,符合DL/T743-2001电能量远方终端等相关标准,支持水、电、气、热以及能耗等表计表码采集。本产品综合了先进的移动通信技术,32位RISC嵌入式AT91SAM9360硬件平台、实时Linux嵌入式操作系统、RS-485通讯技术等,具备远方抄表、远程升级及主动上报等功能,拥有功能强大、使用简单、运行稳定、维护方便、可靠性高、存储容量大、开放性好、性价比高的特点,能够满足能源监测管理等方面的应用需求,是能源管理系统的最佳配套产品。

      外形布局图
      图5 外形布局图

      6.2.4 压力变送器

      采用罗斯蒙特 2088型压力变送器,该变送器大量应用于油田的压力变送,内置处理电路将传感器信号转换成4-20mA模拟信号输出,可直接与计算机、控制仪表、显示仪表等相连、可进行远距离型号传输,满足恶劣环境中可以长期使用。产品安装方便,具有极高的抗震性和抗冲击性。

      6.2.5 温度变送器

      采用防爆型热电阻温度变送器,用于监测轴承温度。

      6.2.6 流量计

      配置常见的流量变送器,二次信号为4-20mA或脉冲信号。

      6.2.7 轴向位置变量

      每台机泵带定制的轴向位置变量设备,测量精度1mm,其信号通过4-20mA信号或电压信号输出。