宋 悅

（天津市排水管理事務(wù)中心，天津 300202）

本世紀(jì)以來，中國經(jīng)濟發(fā)展十分迅速，水資源的戰(zhàn)略地位上升到前所未有的高度，公眾對水環(huán)境也越來越關(guān)注。水資源的有效管理和高效利用成為世界關(guān)注的焦點。我國是農(nóng)業(yè)大國，也是水利大國，在經(jīng)濟社會發(fā)展中水資源起著至關(guān)重要的作用。

天津城區(qū)內(nèi)分布著多條河流，是一座依水而生、因水而秀的城市，河道水質(zhì)影響著整體城市環(huán)境，受到社會各界的高度關(guān)注。為改善城市水環(huán)境狀況，天津市加快實施堤岸綠化改造、河道保潔清淤、河道水系連通促進水循環(huán)等工程。除此之外，還計劃建設(shè)生態(tài)凈水系統(tǒng)，初步實施海綿城市改造工程，提升改造換水泵站規(guī)模及能力，提升河道水循環(huán)功能，最終實現(xiàn)改善水質(zhì)的目的。

在城市中，泵站是收集輸送雨水、污水和河水的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著當(dāng)下城市發(fā)展對泵站信息化管理和科學(xué)化調(diào)度要求的不斷提高，為城市排水泵站開發(fā)具有遠程控制和調(diào)度功能的系統(tǒng)平臺，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控、科學(xué)調(diào)度、合理運行等諸多功能，從而提高市政排水泵站管理的科技化程度。

1 當(dāng)前換水泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

城市河道水環(huán)境的治理與景觀設(shè)計以改善城市生態(tài)環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量為根本。更加科學(xué)、合理地安排換水泵站的運行，可以提高市區(qū)河道水環(huán)境改善的工作效率，必將為經(jīng)濟社會發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)水環(huán)境支持和保障，實現(xiàn)傳統(tǒng)排水向現(xiàn)代化排水、向人水和諧、向科學(xué)發(fā)展的轉(zhuǎn)變，有利于提高全社會水資源節(jié)約保護意識，推進資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會發(fā)展。

1.1 河道換水泵站的特點

河道換水泵站的作用是將上游或其他相連河道的優(yōu)質(zhì)水源，通過水泵迅速調(diào)入需要改善水質(zhì)的河道中，使河道之間的河水循環(huán)起來，增加河水的流動性，使之變成流動的活水，提高河水的含氧量，達到稀釋污染物濃度、快速改善河道水質(zhì)的目的。之后，通過在河道中加裝曝氣噴泉、鋪設(shè)生態(tài)浮床、投放生物制劑和安裝高效磁絮凝水體凈化設(shè)備等新型輔助措施的綜合運用，達到根本改善河道水環(huán)境的最終目的。

換水泵站一般建于2條河道交匯處，根據(jù)河道之間的水位變化和高程差，通過水泵和閘門的配合使用，使2條河道之間河水可以相互流動循環(huán)。

跨河換水泵站布置，如圖1所示。

圖1 跨河換水泵站布置

1.2 河道換水泵站自動化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求

近年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的不斷完善，自動化泵站遠程監(jiān)控技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用在實踐中。各類分層分布式的新型自動化排水泵站被廣泛建設(shè)并投入運行使用。分層分布式的結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)場測量監(jiān)控、中級運行管理和高級決策調(diào)度3個層次。泵站自動化遠程監(jiān)控系統(tǒng)的配置需要與正常情況下主控中心控制、泵站現(xiàn)場無固定人員值守和工作人員定時現(xiàn)場巡視相結(jié)合的運行管理模式相適應(yīng)，為此該系統(tǒng)需要搭設(shè)3級控制平臺，分別為主控中心、分控中心和自動化泵站現(xiàn)場。

結(jié)合泵站的運行、檢修和管理要求，為實現(xiàn)該系統(tǒng)正常使用，需要建立專用網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一的系統(tǒng)信息平臺和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)具有良好的可靠性、節(jié)能性、安全性、人機交互性和擴展性，同時實現(xiàn)自我診斷、自我恢復(fù)的功能。

2 自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體框架和軟硬件設(shè)備設(shè)計

自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)是為了更好地實現(xiàn)對換水泵站設(shè)備（包括泵站水泵機組、電氣系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、保護系統(tǒng)及直流系統(tǒng)等）的全方位監(jiān)測和控制，保證換水泵站能夠更加安全可靠的運行。該系統(tǒng)還可以對換水泵站運行的情況做出統(tǒng)計并記錄形成報表，方便日常的工作查閱與分析。在滿足上述監(jiān)控功能后，實現(xiàn)換水泵站的優(yōu)化調(diào)度及經(jīng)濟運行并最終實現(xiàn)“少人值守、無人值守”的目標(biāo)。

2.1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

針對目前河道換水泵站自動化系統(tǒng)存在的問題，通過對當(dāng)前泵站監(jiān)控系統(tǒng)的匯總分析，計劃綜合利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動化集成技術(shù)和人工智能技術(shù)等高科技新型技術(shù)，設(shè)計搭建泵站自動化運行管理平臺。自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過創(chuàng)建新型泵站運行管控模式，按照分級分散控制原則，既可以由主控中心對全部自動化排水泵站進行統(tǒng)一的調(diào)度和管理，又可以將部分自動化排水泵站的調(diào)度和管理權(quán)限下放到各分控中心和各個自動化排水泵站現(xiàn)場，主控中心只負責(zé)監(jiān)控全局和下達指令，充分地將計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、遠程遙控、視頻監(jiān)測等技術(shù)有機地結(jié)合起來，滿足不同的自動化排水泵站現(xiàn)場控制和保護需要，保證泵站安全、經(jīng)濟和高效運行。

2.2 硬件設(shè)備設(shè)計

硬件系統(tǒng)包括主機、泵站級光纖以太網(wǎng)、現(xiàn)地控制單元LCU以及其他外部設(shè)備。主機是硬件系統(tǒng)的重要組成部分，包括語音報警工作站和液晶顯示器。光纖以太網(wǎng)是泵站與現(xiàn)地控制系統(tǒng)進行通信聯(lián)系的主要通道，在接收到相應(yīng)信號后，上位機直接將其接入交換機，現(xiàn)地控制單元就會將信號轉(zhuǎn)化為光信號，通過控制室內(nèi)的交換機建立星型的網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)地控制單元LCU是構(gòu)成現(xiàn)地控制單元的主要部分，負責(zé)信息數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理，同時具備控制操作和監(jiān)視的功能，是實現(xiàn)自動化監(jiān)控的有效構(gòu)件。其他外部設(shè)備也是硬件系統(tǒng)中不可缺少的，如各種傳感器、檢測儀表、記錄打印機、語音報警裝置、上位機-電網(wǎng)監(jiān)控配置等。

2.3 軟件設(shè)備設(shè)計

針對排水泵站的特點，自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為3級平臺，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集軟件、WinCC組態(tài)軟件、PLC控制軟件、泵站遠程監(jiān)控軟件和視頻監(jiān)控軟件等實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行。最高級為主控中心，中間級為分控中心，現(xiàn)場級為自動化排水泵站。

泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

由圖2可知，納入系統(tǒng)的所有排水泵站為主控中心的監(jiān)控對象，分控中心直接控制所屬泵站設(shè)備（主控中心需要直接接管的重要泵站除外）。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、設(shè)備控制、操作日志記錄、畫面監(jiān)視、文件報表生成、非正常狀態(tài)報警、系統(tǒng)組態(tài)、設(shè)備運行管理、系統(tǒng)通信、自診斷與自恢復(fù)等功能進行組合，可以完成系統(tǒng)的生產(chǎn)過程控制和泵站調(diào)度等操作。

3 自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成為上位機和下位機兩大部分。針對目前流行的諸多組態(tài)軟件，鑒于西門子公司的WinCC組態(tài)軟件技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定且與下位機采用的西門子PLC匹配兼容優(yōu)良，本系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面采用西門子WinCC組態(tài)軟件進行設(shè)計。上位機監(jiān)控界面是人機交互的主要窗口。因此，為了方便運行管理人員操作，上位機監(jiān)控界面設(shè)計遵循貼近實際、風(fēng)格簡單、操作方便的原則。針對系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能，設(shè)計了主界面、工藝流程圖界面、設(shè)備操作界面、數(shù)據(jù)查詢界面及資料查詢界面，以達到對泵站進行遠程監(jiān)控管理的目的。

3.1 上位機組態(tài)設(shè)計

上位機主要功能是發(fā)出各種命令對下位機和工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)控制，同時又接收下位機和工業(yè)現(xiàn)場反饋的各種信號、數(shù)據(jù)實現(xiàn)監(jiān)測?，F(xiàn)場控制單元與上位機相連，通過上位機實現(xiàn)控制、測量及信號顯示。系統(tǒng)采用西門子WinCC組態(tài)軟件設(shè)計，實現(xiàn)上位機人機界面監(jiān)控功能。

3.2 下位機控制系統(tǒng)設(shè)計

下位機是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機，一般采用PLC或單片機之類的設(shè)備。它利用PLC對泵站運行所需各個開關(guān)量進行定義，結(jié)合PLC梯形圖進行編譯，使泵站可根據(jù)進水液位調(diào)整水泵運行工況，最終實現(xiàn)泵站自動化控制和運行功能。上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此指令生成相應(yīng)的數(shù)字時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機時時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號反饋給上位機。PLC程序編寫方便、直觀，具有較強的可操作性和擴展性，易于實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場自動控制。

4 結(jié)語

水環(huán)境治理是當(dāng)今社會的焦點問題，利用河道換水泵站加大水環(huán)境改善力度是行之有效的方法之一。實現(xiàn)換水泵站的自動化是當(dāng)下城市水環(huán)境治理的強有力手段，是實現(xiàn)換水泵站優(yōu)化調(diào)度、提高運行和管理自動化水平的基礎(chǔ)。通過建立一整套自動化泵站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)泵站現(xiàn)場的少人值守甚至無人值守的目標(biāo)，提高換水泵站運行管理效率。