戴萬波

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

城市的污水處理泵站、雨水泵站、工業(yè)園區(qū)的排水泵站，是市政建設(shè)和管理工程的主要設(shè)施，肩負(fù)著城市日常污水排放、處理及防汛排澇的重要任務(wù)[1]。然而，目前城市各泵站往往地處偏僻且分散，設(shè)備的自動化程度較低，需配備值守人員24 小時(shí)輪流值班來負(fù)責(zé)泵站日常的運(yùn)行及維護(hù)工作，并且污水泵站時(shí)常散發(fā)的有毒有害氣體危害著值守人員的健康。各泵站的控制和管理沒有形成網(wǎng)絡(luò)化、智能化[2]，不利于城管局對轄區(qū)內(nèi)所有泵站的全面管理和維護(hù)。

隨著通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，城市智慧化建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，建立無人值守的智能泵站管控系統(tǒng)勢在必行。因此，該文融合了GIS 地理信息、4G 通信、智能儀表、視頻監(jiān)控、門禁安防、自動化控制等多種技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一套基于ARM 和PLC的無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市泵站的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能預(yù)警及高效管理，并可通過與氣象、管網(wǎng)、路面積水等數(shù)據(jù)的融合分析，實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)的全方位監(jiān)控和全局化調(diào)度管理[3]。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對提升城市智慧化建設(shè)、服務(wù)民生和改善經(jīng)濟(jì)具有重要的意義。

1 泵站無人值守系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

城市泵站無人值守監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程集控主站和分布在各處的泵站監(jiān)控分站組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)對泵站設(shè)備完善的測量、保護(hù)、監(jiān)控和管理功能。

圖1 無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

泵站監(jiān)控分站主要由水泵機(jī)組、電磁閥組、供配電設(shè)備、控制柜、變送器、流量傳感器、液位傳感器、氣體傳感器、溫濕度傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備、門禁監(jiān)控設(shè)備等組成，完成對泵站運(yùn)行、周圍環(huán)境、出入管理的監(jiān)控，并通過無線4G 網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。

遠(yuǎn)程集控主站由主備監(jiān)控機(jī)、交換機(jī)、Web 服務(wù)器、GIS 服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)、短信發(fā)送模塊等組成，對采集的各泵站監(jiān)控分站數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理，實(shí)現(xiàn)以下主要功能[4]：

1）在線監(jiān)測：實(shí)時(shí)監(jiān)測各泵站設(shè)備的狀態(tài)、控制方式、電壓、電流等設(shè)備參數(shù)，監(jiān)測管道流量、水池液位、氣體濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，與管網(wǎng)、內(nèi)澇給水監(jiān)測系統(tǒng)在線融合。

2）遠(yuǎn)程控制：手動或按邏輯自動控制水泵組的啟停和電動閥組的開閉等。

3）顯示分析：GIS 地圖顯示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表、曲線顯示及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

4）事故報(bào)警：設(shè)備故障、數(shù)據(jù)超限、非法闖入、通信異常等異常狀況的實(shí)時(shí)與歷史報(bào)警。

5）安防管理：門禁和視頻監(jiān)控設(shè)備相互聯(lián)動，完成對人員出入的管理及非法入侵的監(jiān)視。

2 泵站監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

泵站監(jiān)控分站是無人值守系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和核心，監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)包括分站控制柜的設(shè)計(jì)、智能傳感器的設(shè)計(jì)和安防輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)，監(jiān)控分站的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 分站硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 分站控制柜的設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站控制柜以PLC 和ARM 為設(shè)計(jì)核心，PLC 設(shè)備部分根據(jù)泵站工藝來實(shí)現(xiàn)水泵組現(xiàn)場控制，采用SIEMENS S7-1200 系列1212C 作為主控制器，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備高可靠性以及優(yōu)良的可擴(kuò)展性和集成性，方便泵站日后的規(guī)模升級[4]。

PLC 實(shí)時(shí)采集水池液位、管道流量、水泵機(jī)組電壓電流、運(yùn)行狀態(tài)、故障反饋等現(xiàn)場信號。對采集的數(shù)據(jù)解析處理，采用均衡運(yùn)行的控制算法[5]，實(shí)現(xiàn)泵組之間的智能投退，PLC 根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的控制模式及液位、流量值自動控制泵組的啟停及投入運(yùn)行臺數(shù)，累計(jì)各泵的運(yùn)行時(shí)間[6]，在投入泵時(shí)，優(yōu)先啟動累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的泵，在減少泵時(shí)，優(yōu)先停止累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的泵，實(shí)現(xiàn)各泵運(yùn)行時(shí)間均衡，減少泵組故障率，延長設(shè)備壽命[7]。PLC 通過485 總線與ARM設(shè)備通信，通過ARM 設(shè)備上的無線4G 模塊實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主站通信，上傳采集信息及接收下發(fā)的配置、控制泵組命令。

ARM 部分完成環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)采集、實(shí)現(xiàn)與PLC 設(shè)備、與監(jiān)控主站的實(shí)時(shí)通信、UPS 的電源管理以及本地的液晶顯示，以ARM 處理器STM32F107VC為核心，內(nèi)置CAN 控制器，以太網(wǎng)控制器，通過CAN總線采集總線上的甲烷、氨氣、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度、煙霧傳感器的數(shù)據(jù)。通過2 路485 總線，1路與液晶彩屏通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的本地顯示，另1路與UPS 電源箱通信，采集電池信息、遠(yuǎn)程充放電試驗(yàn)。通過以太網(wǎng)接入無線4G 模塊，上傳采集的所有數(shù)據(jù)。圖3 為ARM 部分的CAN 總線電路。

圖3 CAN總線電路圖

采用CTM8251AT 作為CAN 總線的驅(qū)動隔離器，完成ARM 邏輯電平到CAN 總線上差分電平的轉(zhuǎn)換。C55、C56為1 000 pF 的 電 容，并 聯(lián) 在CAN_H 和CAN_L 與地之間，用以濾除總線上的高頻干擾。在CAN 總線與地之間以及CAN_H 和CAN_L 之間采用雙向TVS 管，抑制浪涌干擾[8]，L1、L2為共模電感，用以防止脈沖群的干擾。采用CAN 總線的形式與傳感器進(jìn)行通信傳輸，多個傳感器共用一條線纜，降低了布線成本和日后的維護(hù)工作量。

2.2 智能傳感器設(shè)計(jì)

智能傳感器是泵站監(jiān)控分站的重要組成部分，分為監(jiān)測污水泵池散發(fā)有毒有害氣體的甲烷、氨氣、硫化氫、一氧化碳傳感器，監(jiān)測泵房內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、煙霧傳感器，與水泵控制相關(guān)的超聲波液位、管道流量傳感器。

該文以一氧化碳傳感器的設(shè)計(jì)為例說明，一氧化碳傳感器由一氧化碳敏感元件、放大電路、ARM及其外圍電路芯片構(gòu)成的信息處理單元、信號輸出電路、聲光報(bào)警器件及驅(qū)動電路、顯示器及穩(wěn)壓電路等部分組成，傳感器總體電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 傳感器總體電路結(jié)構(gòu)圖

傳感器以ARM LPC2119 為核心，內(nèi)置CAN 控制器，在程序及硬件電路上都對抗干擾處理做了優(yōu)化。一氧化碳?xì)怏w擴(kuò)散進(jìn)入電化學(xué)一氧化碳敏感元件，在催化電極(陽極)上產(chǎn)生電化學(xué)氧化反應(yīng)[9]，一氧化碳被氧化成二氧化碳，同時(shí)陽極給出電子，在陽極、陰極和電解質(zhì)之間形成離子導(dǎo)電，外電路負(fù)載上通過的電流與一氧化碳濃度成正比。所產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)高精度運(yùn)算放大器放大及阻抗變換處理進(jìn)入A/D 轉(zhuǎn)換器[10]。A/D 轉(zhuǎn)換器ADS7822 是12 位 串行高精度轉(zhuǎn)換電路，通過ARM 編程將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號交由ARM 處理，處理后驅(qū)動數(shù)碼管驅(qū)動芯片ZLG7289A，由數(shù)碼管顯示一氧化碳濃度數(shù)值和傳感器的地址，并驅(qū)動CTM8251AT 實(shí)現(xiàn)與控制柜的CAN總線通信，傳感器數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)，啟動聲光報(bào)警。圖5 為ZLG7289A 驅(qū)動的數(shù)碼管顯示電路，ARM與其SPI 通信。

圖5 傳感器數(shù)碼管顯示電路

2.3 安防輔助設(shè)備設(shè)計(jì)

安防輔助設(shè)備基于成熟穩(wěn)定的門禁控制、視頻監(jiān)控產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)。門禁子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)入控制柜，實(shí)現(xiàn)對大門、出入口、內(nèi)部主要道路、關(guān)鍵設(shè)備實(shí)施管理和控制，對人員出入、設(shè)備故障時(shí)的視頻聯(lián)動和跟蹤。

門禁設(shè)備實(shí)現(xiàn)對進(jìn)出泵站人員的有效管理，實(shí)現(xiàn)對人員的身份、進(jìn)出時(shí)間、泵站內(nèi)活動狀況的監(jiān)視和記錄。門禁管理系統(tǒng)由門、門禁控制器、電磁鎖、讀卡器、寫卡器、門卡、開門按鈕組成。系統(tǒng)通過門控分站判斷讀卡器和開門按鈕的準(zhǔn)入信號來控制電磁鎖的吸合，通過無線4G 模塊與監(jiān)控主站通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息上傳及遠(yuǎn)程開門[11]。通過發(fā)放不同權(quán)限的門卡保證泵站的安全性和靈活性。圖6 為門禁設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。

圖6 門禁設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

視頻監(jiān)控設(shè)備采用?？翟婆_攝像機(jī)，云臺可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，具有Smart 事件偵測功能，對泵站內(nèi)主要設(shè)備、環(huán)境、人員等實(shí)時(shí)監(jiān)視并保存泵站內(nèi)畫面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理及事后核查。通過設(shè)置云臺攝像機(jī)的預(yù)置位的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障、人員進(jìn)入時(shí)的視頻聯(lián)動[12]。預(yù)先調(diào)整云臺攝像機(jī)的角度、焦距，對準(zhǔn)到各設(shè)備的合適位置，保存調(diào)整后的位置、焦距等參數(shù)，設(shè)置成相應(yīng)的預(yù)置點(diǎn)位，當(dāng)監(jiān)控主站監(jiān)測到泵站設(shè)備故障時(shí)，便控制相對應(yīng)的云臺攝像機(jī)轉(zhuǎn)到該設(shè)備對應(yīng)的預(yù)置位上，推送視頻畫面。

3 地面主控平臺設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程集控主站設(shè)計(jì)以GIS 為平臺，泵站在線監(jiān)控和視頻監(jiān)控，門禁控制、綜合分析與處理等功能在GIS 平臺上表征[13]。系統(tǒng)采用C/S 與B/S 相結(jié)合的模式，地理信息平臺采用ArcGIS，建模設(shè)計(jì)采用ROSE2017，建立河流、建筑等基礎(chǔ)圖，建立管網(wǎng)、泵站等專業(yè)圖及相關(guān)屬性[14]。

數(shù)據(jù)庫采用Oracle，數(shù)據(jù)庫對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和存儲[15]。

如圖7 所示，平臺統(tǒng)計(jì)了雨水、污水兩種排水管線的分布、屬性、材質(zhì)、埋深、高程、利用率等管網(wǎng)屬性，在地圖上以圖層形式進(jìn)行綜合顯示。

圖7 GIS平臺雨水、污水管網(wǎng)屬性圖

如圖8 為在GIS 平臺上查詢的化工園雨水泵站水泵組的歷史流量數(shù)據(jù)。

圖8 泵站歷史流量數(shù)據(jù)查詢界面

系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖9 所示，通過對采集的各泵站分站數(shù)據(jù)的解析處理，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控平臺軟件主要完成以下功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、調(diào)度管理、報(bào)警、GIS 管理、視頻監(jiān)控、門禁管理、Web 發(fā)布。

圖9 遠(yuǎn)程集控主站軟件架構(gòu)圖

通過GIS基礎(chǔ)地理信息平臺的應(yīng)用，能夠直觀、清晰地展現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)污水雨水管線、泵站、污水井現(xiàn)狀分布，實(shí)現(xiàn)與水質(zhì)、內(nèi)澇、雨量監(jiān)測等多系統(tǒng)融合，有助于對整個轄區(qū)管網(wǎng)排水方案的宏觀調(diào)度和決策[16]。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽鐵西經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的17 座污水雨水泵站，完成了安裝調(diào)試并進(jìn)行了系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)。

如圖10 所示為集成雨量、管網(wǎng)等系統(tǒng)為一體的綜合泵站監(jiān)控系統(tǒng)主界面。以一個系統(tǒng)平臺整合眾多功能，更清晰直觀地獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，更智慧地分析管理[17]。

圖10 泵站綜合監(jiān)控系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)以ArcGIS 地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，直觀地顯示各泵站液位、泵組狀態(tài)、泵站位置、毒氣情況等相關(guān)數(shù)據(jù)，方便對鐵西經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)所有泵站的管理。如圖11 為所有泵站的狀態(tài)界面圖，驗(yàn)證了系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

圖11 泵站狀態(tài)界面圖

從GIS 地圖上可清晰地顯示開發(fā)區(qū)內(nèi)各泵站的分布位置，可聯(lián)動管網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行二維、三維模式切換，顯示出泵站間的污水雨水管路，當(dāng)管路中有液體流動時(shí)，可高亮顯示管道及其流向，圖12 為三維管網(wǎng)界面，高亮顯示雨水管道的流向，驗(yàn)證了系統(tǒng)的聯(lián)動融合功能。

圖12 三維管網(wǎng)界面

視頻監(jiān)控界面如圖13 所示，監(jiān)控泵房內(nèi)外的情況，設(shè)備故障或有人出入時(shí)，云臺攝像機(jī)接收監(jiān)控主站下發(fā)的轉(zhuǎn)動命令，移動到事先設(shè)好的預(yù)置位上并自動調(diào)焦，右邊是云臺攝像機(jī)的操作欄，可手動實(shí)現(xiàn)云臺、焦距的二次調(diào)整，驗(yàn)證了視頻監(jiān)控的功能。

圖13 視頻監(jiān)控界面

5 結(jié)論

該文融合GIS 地理信息、4G 無線通信、智能儀表、視頻監(jiān)控、自動化控制等多種技術(shù)，提出了一套城市泵站無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，取代了原城市泵站24 小時(shí)輪值的人工看守模式，避免了污水泵站有毒有害氣體對值守人員健康的危害，多系統(tǒng)多技術(shù)的融合提升了城市泵站運(yùn)維的智能性和可靠性，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力，提高了對泵站的管理效率，真正實(shí)現(xiàn)了城市泵站的無人化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理。泵站無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，符合智慧城市的發(fā)展大方向，是智慧城市綜合管控平臺的一個有力補(bǔ)充。