桂林市排水工程管理處 蔡萬(wàn)清

污水提升泵站是城市污水管網(wǎng)的重要設(shè)施，也是城市排水系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，目前污水提升泵站主要分為傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)泵站和新興的一體化預(yù)制泵站。桂林市原有大多數(shù)雨污水泵站都為傳統(tǒng)泵站，而在桂林市漓江城市段排污綜合治理項(xiàng)目建設(shè)中，引進(jìn)使用了由特種材料制成的污水處理一體化泵站，代替了傳統(tǒng)的混凝土泵站，作為片區(qū)污水提升泵站使用。

一、項(xiàng)目概況及存在問(wèn)題

桂林市排水工程管理處于2008年建立了泵站遠(yuǎn)程自控與監(jiān)控系統(tǒng)，將當(dāng)時(shí)排水管理的16個(gè)泵站通過(guò)自控改造并接入泵站管理所中控中心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)自動(dòng)化控制和管理，至今已連續(xù)運(yùn)行了13年。

為完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步提高污水收集率，加快實(shí)施雨污分流，改善城區(qū)水體的水質(zhì)，我市在漓江城市段排污綜合治理中投建了33個(gè)一體化泵站。在一體化泵站安裝并投入使用后發(fā)現(xiàn)，一體化泵站雖然集成度較高，使用維護(hù)也相對(duì)方便，現(xiàn)有的自動(dòng)化控制雖然已滿足了一體化泵井日常運(yùn)行的需求，但由于一體化泵站所處位置分散，部分位置較為偏遠(yuǎn)，對(duì)于泵站現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況、詳細(xì)的運(yùn)行參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)周邊的安全狀況等都還不能夠完整的掌握，出現(xiàn)故障后無(wú)法診斷是設(shè)備故障還是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施被盜，也無(wú)法直觀的控制和分析泵站的運(yùn)行狀況。

同時(shí)，近些年新增的泵站和改造升級(jí)的泵站由于軟硬件兼容性問(wèn)題，無(wú)法接入原有的泵站遠(yuǎn)程自控系統(tǒng)，急需對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行整體改造，將所有的泵站和一體化泵井設(shè)施接入遠(yuǎn)程自控。

（一）自控和管理問(wèn)題

一體化泵站的自控系統(tǒng)雖然具備本地運(yùn)行和遠(yuǎn)端短信告警的功能，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中化的運(yùn)行管理，也無(wú)法通過(guò)遠(yuǎn)端修改泵站現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行參數(shù)，需要根據(jù)泵站狀況進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)調(diào)整，需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作[1]。

（二）數(shù)據(jù)分析和調(diào)度問(wèn)題

泵站現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如水泵及格柵的實(shí)時(shí)電壓、電流、功耗、液位、開(kāi)機(jī)臺(tái)時(shí)等，各個(gè)泵站都是各自孤立的，未統(tǒng)一接入控制中心，無(wú)法做到對(duì)各個(gè)泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)控及分析，對(duì)需要根據(jù)泵站實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行判斷的故障診斷、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、設(shè)備巡檢等工作造成了不便。

（三）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的安全問(wèn)題

部分一體化泵站處于未城鎮(zhèn)化覆蓋的區(qū)域，由于設(shè)施位處偏遠(yuǎn)，周邊治安設(shè)施覆蓋不完善，出現(xiàn)非法入侵、偷盜等現(xiàn)象時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在泵站運(yùn)行故障后，無(wú)法在第一時(shí)間判別是設(shè)備故障還是偷盜遺失損壞，也需要增設(shè)安防攝像頭并接入統(tǒng)一控制中心進(jìn)行監(jiān)控。

二、遠(yuǎn)程自控監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于一體化泵站的重要性

（一）提高運(yùn)行效率

由于現(xiàn)有的一體化泵站都是預(yù)制泵站，泵站的運(yùn)行控制及配套系統(tǒng)也都是相應(yīng)廠商配套開(kāi)發(fā)的，所提供的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)分析功能無(wú)法滿足遠(yuǎn)程化集中化的管理需要，自控系統(tǒng)還存在一定的局限性，需要通過(guò)遠(yuǎn)程自控改造后，才可以更加全面的掌握泵站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施運(yùn)行的狀況，才能夠及時(shí)根據(jù)泵站運(yùn)行的情況來(lái)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，提高運(yùn)行效率，為泵站的穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

（二）提高運(yùn)行安全

自控技術(shù)是根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)備按照相應(yīng)指令來(lái)嚴(yán)格運(yùn)行的，避免了手工操作而造成的設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，是保證泵站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。此外泵站使用自控技術(shù)后，即使發(fā)生斷電故障，也能夠在市電恢復(fù)后及時(shí)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，通過(guò)遠(yuǎn)程自控監(jiān)控對(duì)泵站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷和分析，使得管理人員能夠更好地掌控泵站的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視頻布防和實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，也是保障泵站設(shè)施安全的關(guān)鍵因素。

（三）提高維護(hù)檢修效率

泵站泵井在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題時(shí)，不能及時(shí)的診斷現(xiàn)場(chǎng)情況，而依靠故障后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人工故障檢測(cè)，影響故障恢復(fù)的時(shí)間；將檢測(cè)和傳感器技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)和傳感器技術(shù)就能及時(shí)地監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，在出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候能更準(zhǔn)確地判斷故障設(shè)備，及時(shí)采取相應(yīng)解決措施，確保泵站能夠盡快地恢復(fù)工作。在泵站泵井的運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算格柵前后的液位差，可以判斷格柵是否擁堵，并通過(guò)程序自動(dòng)報(bào)警，聯(lián)動(dòng)相關(guān)監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行人工判斷，并安排清渣和維護(hù)工作，通過(guò)各種傳感器對(duì)泵站泵井運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的故障情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以提高維護(hù)和維修的工作效率。

三、污水泵站自動(dòng)化系統(tǒng)改造

（一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

泵站遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制由現(xiàn)場(chǎng)控制層和中心集控系統(tǒng)組成。

現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備需采集液位計(jì)、流量計(jì)、水泵格柵運(yùn)行狀態(tài)、電器儀表信號(hào)等數(shù)據(jù)，經(jīng)PLC控制器處理后發(fā)送到設(shè)備端，完成潛水泵、電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備的運(yùn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)變頻器、軟啟動(dòng)器、低壓柜智能開(kāi)關(guān)、電力網(wǎng)絡(luò)儀表、變壓器、溫控器、UPS等設(shè)備，都通過(guò)PLC束連接?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)z像頭內(nèi)置存儲(chǔ)卡，存儲(chǔ)本地視頻，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接和帶寬設(shè)置好視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹剖胶头直媛剩瑢⒁曨l數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心的視頻服務(wù)器。

泵站控制中，控室與泵站之間的連接采用運(yùn)營(yíng)商的二層數(shù)據(jù)（SDH或MSTP）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線進(jìn)行連接，通過(guò)將各個(gè)泵站泵井匯總至泵站控制中心，組成泵站自控監(jiān)控專用網(wǎng)絡(luò)。泵站控制中心集控端通過(guò)以太網(wǎng)通訊，與泵站現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備連接。PLC控制器在把信號(hào)發(fā)送到本地服務(wù)器保存的同時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程自控監(jiān)控平臺(tái)，本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程自控監(jiān)控平臺(tái)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都必須保持同步，操作人員通過(guò)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程自控監(jiān)控平臺(tái)即可監(jiān)控泵站的運(yùn)行。

（二）系統(tǒng)集成方式

桂林排水遠(yuǎn)程泵站自控和監(jiān)控系統(tǒng)主要分為生產(chǎn)自控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分，前者主要服務(wù)于泵站泵井的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、泵站設(shè)備運(yùn)行操作、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析；后者用于泵站泵井現(xiàn)場(chǎng)的安防及主要設(shè)備的視頻運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

由于歷史原因，桂林排水的各個(gè)泵站及泵井是分階段、分片區(qū)、分時(shí)段，由不同項(xiàng)目建設(shè)的，各個(gè)泵站的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備、PLC等存在不同品牌、不同架構(gòu)、不同的控制方式，所以自控系統(tǒng)的集成和數(shù)據(jù)采集也必須根據(jù)實(shí)際情況分為不同方式。

后端集成：對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)已具備一整套成熟PLC自控系統(tǒng)的泵站和泵井來(lái)說(shuō)，一般廠商都提供相應(yīng)的開(kāi)發(fā)說(shuō)明文檔，可以直接根據(jù)現(xiàn)有的接口進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制操作。同時(shí)主流的視頻攝像頭廠商也都提供了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在視頻監(jiān)控方面也可以通過(guò)該方式進(jìn)行整合。

多端異構(gòu)集成：對(duì)于部分近期進(jìn)行改造，現(xiàn)場(chǎng)已具備組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)本地控制，但還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)發(fā)文檔和源碼的泵站，需要采用多端異構(gòu)集成，使用中間件或是相應(yīng)的工具對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取集成，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)端組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)和對(duì)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自控和監(jiān)控。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)重構(gòu)開(kāi)發(fā)：對(duì)于部分自控設(shè)備較老舊且不具備現(xiàn)場(chǎng)軟件控制的泵站，則需要根據(jù)桂林排水對(duì)泵站具體運(yùn)行管理的要求，提取業(yè)務(wù)邏輯，建立新的業(yè)務(wù)模型，并重構(gòu)開(kāi)發(fā)整套前端現(xiàn)場(chǎng)軟件控制系統(tǒng)，對(duì)于部分采用不可寫(xiě)PLC的泵站，甚至需要更換和重構(gòu)開(kāi)發(fā)PLC程序，該部分泵站相當(dāng)于是重新開(kāi)發(fā)一整套遠(yuǎn)程自控和監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

（三）系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用支撐和業(yè)務(wù)功能五個(gè)層次，桂林排水泵站控制中心和各個(gè)泵站泵井之間，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商二層數(shù)據(jù)專線連接組成泵站自控網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)來(lái)源層:遠(yuǎn)程自控監(jiān)控系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來(lái)源為泵站和泵井的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括液位、水泵和格柵的開(kāi)關(guān)和運(yùn)行狀態(tài)、電壓電流等主要運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)需要新增安防攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的狀況進(jìn)行監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集層:現(xiàn)階段各泵站和泵井已經(jīng)具備現(xiàn)場(chǎng)PLC自控系統(tǒng)，泵站和泵井的各項(xiàng)運(yùn)行可直接通過(guò)PLC進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，只需要開(kāi)發(fā)PLC的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。

數(shù)據(jù)處理層:將泵站和泵井現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)將該數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化，使之成為符合桂林排水?dāng)?shù)據(jù)規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，存放到工業(yè)控制數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，供數(shù)據(jù)分析使用[3]。

應(yīng)用支撐層:將現(xiàn)場(chǎng)采集處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析、實(shí)現(xiàn)頁(yè)面制作、指標(biāo)管理、GIS服務(wù)、報(bào)表服務(wù)等應(yīng)用支撐功能，為業(yè)務(wù)功能層的各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供支撐。

業(yè)務(wù)功能層:提供包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警報(bào)警、視頻集成、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程控制、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)檢索、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、性能分析、集中配置等功能。

（四）生產(chǎn)自控系統(tǒng)

通過(guò)泵站自控網(wǎng)絡(luò)將控制中心服務(wù)器與前端設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各泵站、泵井的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、標(biāo)準(zhǔn)化處理，并對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，為桂林排水泵站和泵井生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理的決策分析提供數(shù)據(jù)支撐，從不同維度提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果和視圖，同時(shí)數(shù)據(jù)封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和開(kāi)放。主要包含以下幾個(gè)部分：

（1）運(yùn)行監(jiān)視：通過(guò)操作終端、液晶顯示屏或大屏幕，能夠集中展示整套系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在城市地圖界面，實(shí)時(shí)顯示全市各個(gè)排水泵站泵井的位置、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過(guò)程，動(dòng)態(tài)地顯示各主要設(shè)備的狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)[4]，如各泵站每臺(tái)泵組運(yùn)行狀況、出水流量、格柵前后液位、泵站結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、電力參數(shù)、電量數(shù)據(jù)和事故報(bào)警等，用于全盤(pán)掌握泵站的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程。

（2）操作界面：作為生產(chǎn)控制的主要手段，操作員界面僅允許進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視，控制調(diào)整參數(shù)設(shè)置之類操作，不允許修改或測(cè)試各種應(yīng)用程序軟件。操作員通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)選擇菜單，完成操作控制任務(wù)。操作之前，首先需要輸入賬戶密碼進(jìn)行用戶登入，登入后根據(jù)不同用戶的不同權(quán)限，調(diào)用相關(guān)的控制對(duì)象屏幕，然后選擇對(duì)象完成相應(yīng)操作。屏幕上的被控制對(duì)象應(yīng)有“顯示反應(yīng)和選擇無(wú)誤”的提示，操作者確定目標(biāo)后才可進(jìn)行相關(guān)操作。

（3）權(quán)限分級(jí)管理：在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種敏感操作，如設(shè)置參數(shù)調(diào)整、修改操作模式、設(shè)置操作參數(shù)、巡查時(shí)間、優(yōu)先級(jí)修改時(shí)，需要額外進(jìn)行相關(guān)權(quán)限操作的用戶驗(yàn)證，或是登入高權(quán)限用戶（如管理員）進(jìn)行修改。

（4）開(kāi)發(fā)維護(hù)界面：基于整套系統(tǒng)面向泵站自控監(jiān)控平臺(tái)的管理員及開(kāi)發(fā)人員的界面，包含整套系統(tǒng)的部署、啟動(dòng)、系統(tǒng)備份恢復(fù)、日常管理維護(hù)等功能，可以通過(guò)該界面實(shí)時(shí)的監(jiān)控服務(wù)器等相關(guān)設(shè)備的軟硬件運(yùn)行情況、網(wǎng)絡(luò)通信情況進(jìn)行故障診斷操作。同時(shí)提供系統(tǒng)的GIS地圖，展示頁(yè)面的修改、圖形界面的開(kāi)發(fā)修改，以及工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改、各種報(bào)表的生成編輯等功能，滿足后期用戶自定義調(diào)整的需要。

（5）數(shù)據(jù)采集設(shè)備及服務(wù)器：主要完成各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、生成與存儲(chǔ)。系統(tǒng)中的服務(wù)器必須支持雙機(jī)冗余，并且須保證冗余切換時(shí)間低于1s。冗余切換過(guò)程中應(yīng)保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的完整。故障恢復(fù)后，故障期間的歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)應(yīng)能夠自動(dòng)同步切換，不會(huì)丟失。系統(tǒng)應(yīng)能夠提供與分布于現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備（如RTU、PLC和DCS）通信服務(wù)的能力，與主流PLC、DCS通信，支持串口或者現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)[5]。

（五）視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自控后，除汛期及突發(fā)情況需要人員駐守外，在日常運(yùn)行時(shí)均設(shè)計(jì)為無(wú)人值守泵站，為實(shí)時(shí)監(jiān)控泵站運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安防風(fēng)險(xiǎn)及泵站設(shè)備故障等問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)的配套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視并對(duì)泵站出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)施向管理人員發(fā)出報(bào)警，包含以下幾個(gè)部分：

（1）視頻監(jiān)控點(diǎn)：安裝于各泵站及泵井現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行安防預(yù)警監(jiān)控和設(shè)備現(xiàn)狀監(jiān)控，采用日夜型星光級(jí)攝像頭不間斷的監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)狀況，每個(gè)攝像頭均使用TF卡進(jìn)行本地視頻存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)交換機(jī)接入泵站自控網(wǎng)絡(luò)，將視頻數(shù)據(jù)傳輸至中控室的視頻服務(wù)器，進(jìn)行集中的存儲(chǔ)、分發(fā)。

（2）視頻存儲(chǔ)服務(wù)器：安裝于泵站自控中控室機(jī)房，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)攝像頭的視頻集中匯總至視頻存儲(chǔ)服務(wù)器集中存儲(chǔ)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分發(fā)。

（3）視頻監(jiān)控客戶端：包含桌面集中視頻展示、視頻管理、視頻分析和移動(dòng)端的實(shí)時(shí)視頻瀏覽，實(shí)現(xiàn)控制中心及遠(yuǎn)端行政管理人員對(duì)于泵站泵井現(xiàn)場(chǎng)狀況的監(jiān)控和管理。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)改造項(xiàng)目，采用工業(yè)傳感器、以太網(wǎng)、云服務(wù)器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵站和泵井的遠(yuǎn)程自控及視頻監(jiān)控，為在污水處理收集中一體化泵站的應(yīng)用及施工要點(diǎn)有了更深的了解，對(duì)今后污水處理工程中泵站及一體化泵站的控制提供了參考作用。