淺談自動化系統(tǒng)在城市污水提升泵站中的設(shè)計與應(yīng)用

楊軍

（銀川市市政工程管理處，寧夏 銀川 750011）

現(xiàn)在隨著物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營成本低價推廣、網(wǎng)絡(luò)硬件及物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)成熟等，為自動化提升提供了基本的物質(zhì)條件，再加上工作人員對工作環(huán)境提出了更高要求，尤其是在城市污水提升泵站中顯現(xiàn)的日益突出。為了減少惡劣環(huán)境下的工作時間，現(xiàn)在采用PLC自動控制系統(tǒng)，可以通過上位機(jī)對泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)報表自動生成等，實現(xiàn)集中統(tǒng)一監(jiān)控、運(yùn)行和管理。PLC控制系統(tǒng)有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、使用方便、功能完善等特點，在眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。銀川市各泵站建設(shè)采用高標(biāo)準(zhǔn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)，泵站設(shè)有值守操作人員可以實現(xiàn)站內(nèi)計算機(jī)操作，用鼠標(biāo)操作即可實現(xiàn)泵站內(nèi)各電氣設(shè)備的動作執(zhí)行和狀態(tài)反饋。如果無現(xiàn)場值守操作人員，那么集控中心人員可以在集控中心進(jìn)行泵站所有操作，定期從視頻中可以核準(zhǔn)液位等重要工藝數(shù)據(jù)。

1 傳統(tǒng)污水提升泵站控制方式

現(xiàn)在有很多污水提升泵站控制方式采用傳統(tǒng)的繼電器式。由運(yùn)行人員手動填寫泵站的運(yùn)行記錄，經(jīng)過相關(guān)運(yùn)行參數(shù)手動操作控制格柵和啟、停排污泵以及進(jìn)、出水閥門。導(dǎo)致運(yùn)行管理水平落后，運(yùn)行管理人員工作強(qiáng)度繁重。現(xiàn)在傳統(tǒng)泵站也相繼使用了PLC、儀表等自動化設(shè)備控制，但這些控制僅限于泵站水泵啟動、聯(lián)鎖保護(hù)功能等，一直忽視了自動化程度的進(jìn)一步提高，現(xiàn)階段隨著人力成本增加、環(huán)境整治及工業(yè)自動化技術(shù)突飛猛進(jìn)，促使運(yùn)營管理單位開始認(rèn)真研究和思考，怎么才能改進(jìn)成為一套運(yùn)營、維護(hù)成本低的自動化系統(tǒng)。

2 自動化系統(tǒng)控制的優(yōu)勢

2.1 自動化程度高

系統(tǒng)按“無人值守、定期巡檢”或“少人值班，定期巡檢”的控制要求，實現(xiàn)泵站及調(diào)度中心的計算機(jī)遠(yuǎn)程控制，泵站上位系統(tǒng)與集控上位系統(tǒng)采用統(tǒng)一程序化設(shè)計，全系統(tǒng)不管泵站數(shù)量多少，只有一套平臺系統(tǒng)程序，一套上位生產(chǎn)控制程序維護(hù)和升級系統(tǒng)，不同的操作站通過驅(qū)動連接和操作員權(quán)限來限制操作員的操作范圍。

2.2 性能完備，技術(shù)成熟

系統(tǒng)采用高可靠性、高性能、技術(shù)成熟的工業(yè)級產(chǎn)品及部件，滿足泵站工業(yè)環(huán)境的設(shè)備長期運(yùn)行條件。

2.3 集成度高

集成無線傳輸、有線傳輸、光纖傳輸、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、圖像處理、數(shù)據(jù)處理、軟啟動系統(tǒng)、水位檢測系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)、能量檢測系統(tǒng)等，適應(yīng)泵站多種工藝可靠運(yùn)行。

2.4 滿足開放性，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性

系統(tǒng)為全開放系統(tǒng)，軟件標(biāo)準(zhǔn)化，兼容性強(qiáng)，可以與不同產(chǎn)品實現(xiàn)通訊，滿足各項功能擴(kuò)展。硬件超前設(shè)計，能夠完全快速滿足后期建設(shè)發(fā)展及擴(kuò)容需要。

3 自動化系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

本設(shè)計主要分為三個等級，分別為：一級調(diào)度監(jiān)管指揮中心、二級生產(chǎn)集控中心、三級生產(chǎn)控制站。一級調(diào)度監(jiān)管指揮中心：設(shè)立在市政總局，對所有泵站的生產(chǎn)控制設(shè)備和工藝進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、視頻圖像監(jiān)控，并設(shè)置工業(yè)防火墻、路由器、監(jiān)控大屏、視屏工作站、工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等。要求大屏可以實現(xiàn)各個泵站、分泵房視頻輪巡展示。二級生產(chǎn)集控中心：設(shè)立在泵站管理所監(jiān)控中心，對各個泵站生產(chǎn)控制設(shè)備和工藝進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，實現(xiàn)真正無人值守控制，并且可以通過視頻了解設(shè)備運(yùn)行、現(xiàn)場情況等。泵站自動化系統(tǒng)建設(shè)方案的第一設(shè)計就是整體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，優(yōu)秀的設(shè)計是采用現(xiàn)階段通用的、穩(wěn)定的、易維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)形式，那就是工業(yè)以太網(wǎng)，以太網(wǎng)的介質(zhì)形式可以是多種多樣，比如說，RJ45、光纖、無線Wi-Fi傳輸、基站傳輸、衛(wèi)星通信等，本方案采用光纖專線、無線AP傳輸、RJ45等。各泵站盡量采用光纖專線的形式，該形式具有傳輸穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)；可以考慮自行敷設(shè)光纖或租借電信、移動、聯(lián)通等運(yùn)營公司的專線，對于一些實在不具備條件、或敷設(shè)困難的泵站采用無線基站建設(shè)的形式。

4 污水提升泵站自動控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 泵站控制工藝流程

泵站控制工藝流程為：污水在進(jìn)入污水池前，首先要在污水管網(wǎng)進(jìn)行過濾，主要是用固體廢物格柵機(jī)將廢物過濾，并將過濾廢物收集到格柵過濾器，再由皮帶機(jī)傳送至垃圾站。污水池裝設(shè)水位計，當(dāng)水位達(dá)到泵的預(yù)定啟動水位時，啟動泵組，其泵組的啟動數(shù)量根據(jù)水位高低及下級泵站用水量等情況進(jìn)行綜合考慮。泵組的啟停應(yīng)有手動/自動兩種方式，即現(xiàn)地控制與遠(yuǎn)程控制，手動工作方式下通過現(xiàn)地啟停按鈕進(jìn)行控制泵組的啟停，遠(yuǎn)方自動工作方式下，泵組啟停由操作人員在上位機(jī)上發(fā)送指令進(jìn)而達(dá)到泵組控制或由PLC根據(jù)采集的各類信號值進(jìn)行判斷達(dá)到其自動控制。

4.2 泵站PLC硬件選型

首先，框架型號與個數(shù)應(yīng)根據(jù)控制對象輸入輸出類型來確定，其模塊的選用應(yīng)考慮相應(yīng)的余量和系統(tǒng)未來的擴(kuò)展；然后，選擇存儲空間與通信方式相應(yīng)的CPU模塊；最后，選擇具有所需類型和電壓等級的電源模塊。

（1）泵站相關(guān)設(shè)備統(tǒng)計。各個泵站主要設(shè)備應(yīng)有格柵、皮帶機(jī)、潛水泵、啟閉機(jī)/出水閥門、液位計、出水流量計和管道壓力變送器及溢流閘門等。

（2）模塊選擇。①模擬量模塊選擇通道隔離、防腐性能較好的模塊，確保信號采集精準(zhǔn)，為系統(tǒng)控制提供穩(wěn)定的控制量。②開關(guān)量模塊選擇應(yīng)根據(jù)受控設(shè)備狀態(tài)，受控設(shè)備數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計IO點位，并考慮20%的冗余量。③CPU模塊選擇，根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)發(fā)展趨勢，選擇集成串口及以太網(wǎng)CPU模塊，適應(yīng)儀表類串口設(shè)備數(shù)據(jù)交換、PC簡易快速組網(wǎng)、無線、光纖專線等集中控制需要。④選擇系統(tǒng)品牌要考慮長達(dá)10～15年的產(chǎn)品生命周期，防止因產(chǎn)品提前進(jìn)入淘汰期而造成系統(tǒng)備件難以采購及高運(yùn)維成本的情況發(fā)生。

（3）泵站控制要求。根據(jù)泵站多年的運(yùn)行經(jīng)驗，將泵站的運(yùn)行方式分為暴雨運(yùn)行方式、雨天運(yùn)行方式以及日常運(yùn)行方式(包括晝夜兩種運(yùn)行方式)，泵站的電氣設(shè)備可按照三種運(yùn)行方式分別自動聯(lián)動運(yùn)行。

①格柵池設(shè)備控制要求。在格柵無故障的情況下，只要格柵的進(jìn)出口啟閉裝置不完全關(guān)閉，格柵就可以周期性運(yùn)行，根據(jù)日常、雨天、暴雨三種運(yùn)行方式確定周期運(yùn)行的停、運(yùn)時間。上位機(jī)可對運(yùn)行工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，格柵應(yīng)與皮帶輸送機(jī)聯(lián)動，即格柵運(yùn)行時皮帶輸送機(jī)應(yīng)同時啟動運(yùn)行。格柵故障應(yīng)實時預(yù)警，然后根據(jù)對水位差的檢測判斷進(jìn)水啟閉機(jī)是否關(guān)閉，與此同時進(jìn)行緊急報警并通知相關(guān)人員及時處理。

②污水集水池設(shè)備控制要求。泵的啟停由水位來控制，且上位監(jiān)控機(jī)可對三種運(yùn)行模式下啟停泵的水位進(jìn)行設(shè)置，自動切換日常模式中白天模式和夜間模式(可在上位監(jiān)控機(jī)設(shè)置其切換時間)，暴雨模式與雨天模式可在上位監(jiān)控機(jī)上由工作人員進(jìn)行遙控設(shè)置。泵站需要增泵或減泵時應(yīng)考慮泵累計運(yùn)行時間，增泵時應(yīng)啟動無故障、累計運(yùn)行時間最短的泵，減泵時應(yīng)停止運(yùn)行中累計時間最長的泵。泵的啟動、停止應(yīng)考慮其與閥門的聯(lián)動，即泵啟動時關(guān)閥啟動、停泵時先關(guān)閥后停泵，其聯(lián)動時間應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行設(shè)定。

③泵站PLC控制程序。污水集水池部分子程序、格柵池部分子程序和主程序組成了PLC自動控制程序。

泵站自動化功能分析，見圖1。

圖1 泵站系統(tǒng)功能分析圖

5 結(jié)語

除了設(shè)備數(shù)量不同外，污水泵站的控制技術(shù)基本沒有變化。實踐證明，PLC實現(xiàn)的控制方式設(shè)計合理，運(yùn)行安全可靠。該系統(tǒng)不僅減輕了現(xiàn)場工作人員的工作量，還使設(shè)備得到了合理的調(diào)控。此外PLC與上位機(jī)配合，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置和報表生成等功能，提升了泵站設(shè)備的運(yùn)行效率以及泵站管理水平。