海上風(fēng)電機(jī)組消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

在碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)下,可再生能源的開發(fā)利用日益受到許多國家的重視。海上風(fēng)電是可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域,是近年來全球風(fēng)電發(fā)展的重要方向之一。

海上風(fēng)電機(jī)組由于遠(yuǎn)離陸地,相比陸上風(fēng)電機(jī)組更加不易維護(hù)管理。海上風(fēng)機(jī)在無人值守狀態(tài)下運行,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時,由于海況和天氣情況的影響,很可能無法派人前往滅火,從而給風(fēng)機(jī)帶來毀滅性的破壞。因此,海上風(fēng)電機(jī)組需要安裝自動消防系統(tǒng),并接入消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),對消防系統(tǒng)運行狀態(tài)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)各類消防安全隱患,以便及時派人處理,避免火災(zāi)事故的發(fā)生。如果一旦發(fā)生火災(zāi),也可以遠(yuǎn)程控制風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的消防系統(tǒng)進(jìn)行滅火,從而保障風(fēng)電機(jī)組的消防安全。本文設(shè)計和實現(xiàn)了一套海上風(fēng)電機(jī)組消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),用于江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司濱海北H1/H2#項目風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程消防監(jiān)控。

1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心三部分組成,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.1物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用ARM處理器,安裝在海上風(fēng)電機(jī)組內(nèi),實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的分析和轉(zhuǎn)換功能。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過RS485串口與消防系統(tǒng)相連接,采集消防系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)（火警、故障、反饋等信息）,并將各類報警信息通過100M以太網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心之間的通信協(xié)議采用國家標(biāo)準(zhǔn)《城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)第3部分:報警傳輸網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議》GB/T26875.3一2011）,并在該通信協(xié)議的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了遠(yuǎn)程控制的命令,實現(xiàn)在監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制風(fēng)電機(jī)組消防系統(tǒng)啟動滅火功能。

1.2通信網(wǎng)絡(luò)

在陸地上的監(jiān)控中心與海上風(fēng)電機(jī)組之間建有光纖環(huán)網(wǎng),光纖環(huán)網(wǎng)采用冗余技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,環(huán)網(wǎng)上的某一處鏈路斷開,不會影響網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)通信。為了提高安全性,本系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、計算機(jī)都分配有固定的IP地址,并建立虛擬局域網(wǎng),與光纖環(huán)網(wǎng)上的其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行隔離。

1.3監(jiān)控中心

軟件結(jié)構(gòu)采用瀏覽器/服務(wù)器模式,數(shù)據(jù)庫采用S0LServer,應(yīng)用軟件部署在監(jiān)控中心的服務(wù)器上,在監(jiān)控計算機(jī)上通過瀏覽器進(jìn)行操作。兩臺服務(wù)器采用雙機(jī)熱備份的工作模式,一臺服務(wù)器為主機(jī),另一臺為備機(jī),當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)異常,不能保障系統(tǒng)正常運行時,備機(jī)則主動接管主機(jī)的工作。每臺服務(wù)器的硬盤均采用RAID1方式,當(dāng)主硬盤出現(xiàn)故障時,鏡像硬盤自動代替主硬盤工作,從而提高系統(tǒng)的容錯能力。隨著系統(tǒng)接入風(fēng)電機(jī)組數(shù)量的增加,當(dāng)目前的服務(wù)器不能滿足數(shù)據(jù)處理要求時,可以動態(tài)擴(kuò)充服務(wù)器數(shù)量,來分擔(dān)數(shù)據(jù)處理任務(wù),并按功能將服務(wù)器分為接入服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等。

2系統(tǒng)功能

2.1實時監(jiān)控

實時監(jiān)測所有風(fēng)電機(jī)組消防設(shè)施的運行狀態(tài),收到報警信息后,在監(jiān)控計算機(jī)上顯示報警點信息編號、名稱、報警類型、位置、時間等）,通過聲光告警提示值班人員,并對報警點進(jìn)行定位,在風(fēng)電機(jī)組建筑物消防設(shè)備布局圖中顯示具體的報警對象,也可以將風(fēng)電機(jī)組建筑物位置在GIS地圖上進(jìn)行定位。當(dāng)收到報警時,可以根據(jù)不同級別的報警事件,顯示相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,值班人員根據(jù)應(yīng)急預(yù)案提示的操作流程進(jìn)行操作,避免因慌亂而出現(xiàn)差錯。當(dāng)海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)生火災(zāi)時,在監(jiān)控中心可以發(fā)送控制命令給風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的消防系統(tǒng),遠(yuǎn)程啟動消防系統(tǒng)進(jìn)行滅火。發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令時需要兩名值班人員輸入口令進(jìn)行確認(rèn),避免誤操作,值班人員的操作都記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫。

2.2視頻聯(lián)動

通過數(shù)據(jù)接口與視頻監(jiān)控系統(tǒng)對接,在數(shù)據(jù)庫中建立消防監(jiān)控點與攝像機(jī)的關(guān)聯(lián)表格,每個消防監(jiān)控點可以與多個攝像機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這樣,當(dāng)收到報警信息時,可以自動調(diào)取與該報警點關(guān)聯(lián)的所有視頻圖像,值班人員可以從多個角度查看現(xiàn)場的視頻圖像,以便值班人員分析判斷,避免因現(xiàn)場設(shè)備誤告火警而啟動滅火裝置,造成不必要的損失。

2.3消防系統(tǒng)運行情況一覽圖

將消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息在一張總圖上顯示,使企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、各級消防主管人員對消防設(shè)備運行情況能一目了然,包括消防設(shè)備（氣體滅火控制器、感煙探測器、感溫探測器等）數(shù)量、當(dāng)前存在的各類報警數(shù)量、當(dāng)前設(shè)備完好率、報警趨勢圖、報警數(shù)量排名等。

2.4風(fēng)電機(jī)組消防資料的信息化管理

實現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組消防資料的信息化管理,包括風(fēng)電機(jī)組建筑物資料、消防設(shè)備在建筑物內(nèi)安裝位置布局圖、消防設(shè)備的信息資料（型號、生產(chǎn)廠家、類型、編號、名稱等）,并提供各類查詢、統(tǒng)計、修改手段。完整的消防資料是消防物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),也為消防設(shè)備的檢查、維護(hù)、保養(yǎng)工作提供了技術(shù)保障。為了管理消防設(shè)備布局圖,設(shè)計了圖形制作工具軟件,功能包括:（1）圖元制作。編制各類圖元,分別表示各類消防設(shè)備（感煙探測器、感溫探測器等）,消防設(shè)備圖元符合標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)報警設(shè)備圖形符號》（GA/T229一1999）。（2）消防設(shè)備布局圖制作。建筑物圖紙可以從建筑物CAD圖紙中導(dǎo)出,也可以在本系統(tǒng)中編制。在建筑物圖紙上添加圖元,記錄圖元在建筑物圖上的坐標(biāo)信息,并將圖元與消防設(shè)備的編號建立對應(yīng)關(guān)系,這樣,消防設(shè)備布局圖上的圖元就與安裝在現(xiàn)場的消防設(shè)備關(guān)聯(lián)起來,當(dāng)消防設(shè)備發(fā)生報警時,可以自動在消防設(shè)備布局圖上顯示該設(shè)備的位置。當(dāng)建筑物規(guī)模較大、消防設(shè)備很多時,可以制作多個消防設(shè)備布局圖,可以按建筑物樓層來劃分,也可以按照防火區(qū)域來劃分。

2.5數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),對數(shù)據(jù)庫中的各類信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,如根據(jù)消防設(shè)備的運行狀況、每日/每月報警信息總數(shù)等指標(biāo),評估風(fēng)電機(jī)組的消防安全水平;根據(jù)消防設(shè)備的完好率、消防設(shè)備故障的修復(fù)時間等,對消防維保工作進(jìn)行評價。通過大數(shù)據(jù)分析,為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)分析風(fēng)電機(jī)組消防安全水平和進(jìn)行決策提供依據(jù),以便采取措施,及時消除安全隱患,有效保障風(fēng)電機(jī)組的消防安全。

2.6權(quán)限管理

將操作人員分成不同的組,并分配不同的權(quán)限,權(quán)限包括菜單權(quán)限、功能按鈕權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限。菜單權(quán)限是指是否允許看到某一菜單,功能按鈕權(quán)限是指增加、刪除、修改、查看等按鈕操作權(quán)限,數(shù)據(jù)權(quán)限是指能看到的數(shù)據(jù)范圍。通過這種權(quán)限管理方法,可以靈活配置操作人員監(jiān)控哪些風(fēng)電機(jī)組,當(dāng)系統(tǒng)接入的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量較多時,可以實現(xiàn)分級監(jiān)控的管理模式,如根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的地理區(qū)域設(shè)立分中心,每個分中心負(fù)責(zé)監(jiān)控本區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組,總監(jiān)控中心可以監(jiān)控所有的風(fēng)電機(jī)組。

2.7系統(tǒng)自身運行狀況監(jiān)控

系統(tǒng)由運行于不同地理位置的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心計算機(jī)組成,系統(tǒng)對自身設(shè)備的工作狀態(tài)也進(jìn)行自動監(jiān)測,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時,監(jiān)控中心值班人員能夠及時得知,并通知相關(guān)人員進(jìn)行維修。

2.8物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件遠(yuǎn)程調(diào)試和軟件升級

在GB/T26875.3協(xié)議基礎(chǔ)上擴(kuò)展了實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試和軟件升級的命令,在監(jiān)控中心的計算機(jī)上,可以讀取物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)ARM處理器內(nèi)部寄存器和存儲器的內(nèi)容,從而掌握網(wǎng)關(guān)內(nèi)部嵌入式軟件的運行情況,幫助開發(fā)人員分析和定位網(wǎng)關(guān)軟件中存在的缺陷。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的嵌入式軟件保存在ARM處理器的閃存（flash;e;ory）中,如果需要更新嵌入式軟件,一般是開發(fā)人員到現(xiàn)場通過編程工具軟件將嵌入式軟件重新燒錄閃存。由于ARM處理器支持在應(yīng)用程序中編程功能,因此可以在嵌入式軟件中增加功能來控制閃存編程。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心發(fā)來的嵌入式軟件更新文件數(shù)據(jù)報文,檢驗無誤后,從這些數(shù)據(jù)報文中提取數(shù)據(jù)生成嵌入式軟件更新文件,并燒錄閃存,從而實現(xiàn)軟件升級。遠(yuǎn)程調(diào)試和軟件升級能夠大大提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的開發(fā)和維護(hù)工作效率。

3結(jié)語

本文介紹的消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)了對海上風(fēng)電機(jī)組消防系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,能及時發(fā)現(xiàn)各類消防安全隱患;如果風(fēng)電機(jī)組發(fā)生火災(zāi),可以遠(yuǎn)程控制風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的消防系統(tǒng)進(jìn)行滅火,提高了海上風(fēng)電機(jī)組的消防救援水平。本系統(tǒng)已在江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司投入運行,隨著海上風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展,本系統(tǒng)也將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。