無(wú)人值守泵站的工藝邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陸栩

（上宸工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

近年來(lái)，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)話題愈發(fā)關(guān)注，城市污水是人們?nèi)粘＝佑|最多的污染物質(zhì)之一，城市污水的有效處理是保護(hù)城市綠色生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵點(diǎn)。相對(duì)于大型污水處理廠，污水泵站具有建設(shè)周期短、占地面積小、價(jià)格較低、建設(shè)環(huán)境要求低的優(yōu)勢(shì)，但其在城市中的分布大多較為分散，難以統(tǒng)一管理，進(jìn)而使得在后期運(yùn)營(yíng)中耗費(fèi)的人力、物力資源大幅度上升[1]。因此，本研究基于無(wú)人值守的概念對(duì)傳統(tǒng)污水泵站進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)，在不影響其工作效率的情況下，降低管理成本，為研究人員開(kāi)發(fā)更加具有推廣使用價(jià)值的污水無(wú)人值守泵站提供參考。

1 無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)思路與原則

1.1 設(shè)計(jì)思路

創(chuàng)建一個(gè)完善先進(jìn)的城市污水處理流程，其基礎(chǔ)是必須具有先進(jìn)的污水處理設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、監(jiān)視設(shè)備、控制設(shè)備及簡(jiǎn)單易操作的穩(wěn)定的應(yīng)用控制渠道，多方面共同進(jìn)步才能保證污水處理工作的質(zhì)量與效率，實(shí)現(xiàn)污水無(wú)人值守泵站的科學(xué)化經(jīng)營(yíng)管理[2]。在使得污水處理流程自動(dòng)化后，通過(guò)調(diào)整無(wú)人值守泵站的控制模式，優(yōu)化城市污水的處理方案，減少泵污水處理站工作所消耗的能源、物力資源和人力資源，使無(wú)人值守泵站逐步走向安全保障、高效處理、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的發(fā)展道路[3]。因此，本研究所提出的無(wú)人值守泵站設(shè)計(jì)思路如下：無(wú)人值守泵站主要由兩部分組成，第一部分是完成污水處理的工作設(shè)備的自動(dòng)化及遠(yuǎn)程可控制化，第二部分實(shí)現(xiàn)泵站工作無(wú)人值守的控制系統(tǒng)。首先，無(wú)人值守泵站的污水處理設(shè)備與傳統(tǒng)污水泵站在污水處理原理上是相同的，都是將城市污水集中到泵站的污水池中，再根據(jù)污水種類等使用相關(guān)污水處理材料及設(shè)備進(jìn)行處理，之后由污水池排出到城市地下水系統(tǒng)[4]。無(wú)人值守泵站的污水處理系統(tǒng)由三個(gè)污水泵池配合兩臺(tái)水泵進(jìn)行工作，城市污水通過(guò)水泵集中進(jìn)入無(wú)人值守泵站后，首先進(jìn)入中間泵池進(jìn)行沉降，沉降結(jié)束后污水進(jìn)入降解泵池，進(jìn)行降解處理后再次流入污水泵池，通過(guò)污水泵完成污水排放。這項(xiàng)工作在傳統(tǒng)污水泵站中需要16～20 人同時(shí)進(jìn)行工作，且工作量較大，工作環(huán)境惡劣[5]，因此在無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置污水泵的自動(dòng)化管理系統(tǒng)。其次，在污水處理自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，其設(shè)計(jì)思路如下：①污水處理設(shè)備的自動(dòng)化控制。②污水處理設(shè)備故障信息自動(dòng)傳輸。③無(wú)人值守泵站工作情況實(shí)時(shí)檢測(cè)。④無(wú)人值守泵站管理遠(yuǎn)程控制。結(jié)合無(wú)人值守泵站的所需功能，本研究進(jìn)行了污水泵站的改良設(shè)計(jì)。

1.2 設(shè)計(jì)原則

無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)原則如下。

（1）污水排放安全。無(wú)人值守泵站應(yīng)保證排出污水的安全性，在污水未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)前絕不將污水排出[6]，因此，在設(shè)計(jì)無(wú)人值守泵站時(shí)要充分考慮城市污水的多樣性，讓無(wú)人值守泵站在脫離大量人工監(jiān)管的情況下仍然能夠安全高效完成污水處理工作。

（2）故障及時(shí)應(yīng)對(duì)。在設(shè)計(jì)無(wú)人值守泵站的信息傳輸系統(tǒng)時(shí)，要考慮到設(shè)備故障信息的傳遞及時(shí)性[7]，采用多類型信息傳輸模式，在無(wú)人值守泵站發(fā)生故障時(shí)，結(jié)合網(wǎng)頁(yè)、APP、短信等方式，及時(shí)提醒管理人員組織工程師進(jìn)行檢修[8]。

（3）設(shè)備安防管理。在設(shè)計(jì)無(wú)人值守泵站的監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，不僅要保證無(wú)人值守泵站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控，還需考慮無(wú)人值守泵站設(shè)備的相關(guān)安防管理監(jiān)控，將二者結(jié)合形成無(wú)人值守泵站特有的獨(dú)立監(jiān)控系統(tǒng)，以便管理者對(duì)無(wú)人值守泵站進(jìn)行管理[9]。

（4）保持一定空白空間。無(wú)人值守泵站作為小型污水泵站，其大多分散分布在城市各個(gè)地點(diǎn)，在設(shè)計(jì)無(wú)人值守泵站時(shí)要考慮到城市環(huán)境的變化性，在設(shè)計(jì)無(wú)人值守泵站建設(shè)方案時(shí)預(yù)留一定的空白空間[10]，以便在后期無(wú)人值守泵站因周圍環(huán)境變化而加大工作量時(shí)，管理者能夠快速建設(shè)新的電路設(shè)備硬件，及時(shí)擴(kuò)展無(wú)人值守泵站系統(tǒng)管理范圍。

2 無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)方案

2.1 污水處理設(shè)備自動(dòng)化

污水處理設(shè)備自動(dòng)化改造的重點(diǎn)主要在污水池水泵的自動(dòng)控制，最終達(dá)到污水池的污水含量在無(wú)人值守泵站的處理能力范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)污水含量過(guò)多而處理不足，出現(xiàn)無(wú)人值守泵站排出的處理后污水不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的情況，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。在設(shè)置污水池時(shí)提前根據(jù)無(wú)人值守泵站工作量計(jì)算好污水池的預(yù)設(shè)水位及水位，并在水位界線出設(shè)置a、b、c、d4個(gè)感應(yīng)器，感應(yīng)器與污水泵A、B 相連接控制。當(dāng)污水池中的水位達(dá)到期望水位時(shí)，感應(yīng)器b 向污水泵A 傳輸幸好，污水泵A 自動(dòng)關(guān)閉，停止污水流入；若當(dāng)水位超過(guò)期望水位達(dá)到水位上限時(shí)，感應(yīng)器a 向管理人員發(fā)送故障警報(bào)，管理人員立即人工停止污水泵A 工作并檢查解決污水泵A 的故障。在進(jìn)行一段時(shí)間的污水處理后，污水通過(guò)污水泵B 排出無(wú)人值守泵站，當(dāng)水位降低到期望水位時(shí)，感應(yīng)器c 向污水泵B 發(fā)出關(guān)閉指令，停止污水的流出并向污水泵A 發(fā)出開(kāi)啟指令，增加污水池中的污水量；當(dāng)污水水位過(guò)低達(dá)到感應(yīng)器d 的位置時(shí)，感應(yīng)器d 向管理人員發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員檢查污水池時(shí)候發(fā)生泄漏或其他故障。

圖1 無(wú)人值守泵站污水自動(dòng)化處理系統(tǒng)

2.2 無(wú)人值守泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

建立無(wú)人值守泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要在泵站原有的通信電路基礎(chǔ)上，以可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)無(wú)人值守泵站現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析采集并對(duì)設(shè)備發(fā)出相關(guān)控制指令，可編程邏輯控制器連接通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)設(shè)備（GPRS），并利用網(wǎng)絡(luò)向管理人員輸送無(wú)人值守泵站故障等信息于云服務(wù)器中，管理人員即可通過(guò)手機(jī)或電腦及時(shí)接收無(wú)人值守泵站故障燈信息，并通過(guò)遠(yuǎn)程控制無(wú)人值守泵站中的相關(guān)設(shè)備，做到設(shè)備及時(shí)停啟及故障及時(shí)檢修。無(wú)人值守泵站的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：①可編程邏輯控制器（PLC）。PLC 是無(wú)人值守泵站遠(yuǎn)程管控的關(guān)鍵部分，其直接連接著無(wú)人值守泵站的各設(shè)備自動(dòng)管理系統(tǒng)，對(duì)無(wú)人值守泵站設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)輸出信號(hào)，從而減少無(wú)人值守泵站設(shè)備工作的監(jiān)察工作人員數(shù)量，讓無(wú)人值守泵站管理人員一人即可實(shí)時(shí)掌控?zé)o人值守泵站的所有設(shè)備情況。②通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)設(shè)備（GPRS）。在PLC 對(duì)無(wú)人值守泵站進(jìn)行整體管理后，GPRS 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守泵站的遠(yuǎn)程化管理。GPRS設(shè)備與PLC 連接后，PLC 所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息可以隨時(shí)上傳至網(wǎng)絡(luò)，直接連接管理人員的手機(jī)或電腦云平臺(tái)，使得管理人員即使在無(wú)人值守泵站的千里之外，依然能夠隨時(shí)管控?zé)o人值守泵站，實(shí)現(xiàn)泵站無(wú)人值守運(yùn)營(yíng)。③無(wú)人值守泵站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。在PLC 與GPRS 連接完畢后，控制系統(tǒng)的基本構(gòu)架已經(jīng)完成，但管控?zé)o人值守泵站不僅僅只有這兩項(xiàng)工作，在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)將無(wú)人值守泵站的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、污水處理輔料投入系統(tǒng)、無(wú)人值守泵站安防管理系統(tǒng)等同時(shí)納入遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，做到真正的無(wú)人值守泵站一體化管理。

2.3 無(wú)人值守泵站總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在建設(shè)無(wú)人值守泵站時(shí)，要將自動(dòng)化污水處理設(shè)備與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)相結(jié)合起來(lái)，共同運(yùn)作完成無(wú)人值守泵站的污水處理工作，其總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。無(wú)人值守泵站控制系統(tǒng)功能包含以下4 個(gè)部分：①無(wú)人值守泵站遠(yuǎn)程控制。污水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉，自動(dòng)污水處理工作，污水進(jìn)出閥門的自動(dòng)控制與遠(yuǎn)程人工控制。②視頻監(jiān)控。無(wú)人值守泵站配置有攝像頭等視頻監(jiān)控裝置，起到輔助無(wú)人值守泵站整體環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，包括污水處理設(shè)備監(jiān)控及無(wú)人值守泵站安防環(huán)境監(jiān)控等，使得無(wú)人值守泵站處理污水工作能夠得到有效控制，管理人員以手機(jī)或電腦即可通過(guò)視頻監(jiān)控?zé)o人值守泵站現(xiàn)場(chǎng)，直接觀察到無(wú)人值守泵站的運(yùn)作情況及現(xiàn)場(chǎng)是否有無(wú)關(guān)人員進(jìn)入。③故障警報(bào)。在無(wú)人值守泵站設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，向管理人員發(fā)送故障警報(bào)信息，包括故障發(fā)生內(nèi)容、發(fā)生時(shí)間、故障維修恢復(fù)時(shí)間，無(wú)人值守泵站設(shè)備恢復(fù)工作后自動(dòng)生成警報(bào)時(shí)間并整合成文件并提供多種查詢方法，以年為單位統(tǒng)計(jì)無(wú)人值守泵站故障發(fā)生情況，以供管理人員查看，調(diào)整設(shè)備日常保養(yǎng)安排，對(duì)常發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行檢修更換。④統(tǒng)計(jì)計(jì)量。系統(tǒng)自動(dòng)記錄無(wú)人值守泵站內(nèi)污水泵、閥門設(shè)備的啟、停次數(shù)及運(yùn)行總時(shí)間，對(duì)處理后排出污水的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄、分析，以年為單位生成無(wú)人值守泵站工作報(bào)告。

圖2 無(wú)人值守泵站結(jié)構(gòu)

3 無(wú)人值守泵站的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用效果

實(shí)驗(yàn)選取了位于北京的一處污水處理泵站進(jìn)行改造，在完成對(duì)傳統(tǒng)污水泵站的無(wú)人值守改造后，即使在污水處理的高峰期，污水池中的污水都保證在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，且經(jīng)過(guò)處理排出的污水皆達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。管理者通過(guò)無(wú)人值守泵站管理終端遠(yuǎn)程管理污水泵，且成果接收到了無(wú)人值守泵站控制系統(tǒng)傳輸?shù)臒o(wú)人值守泵站設(shè)備故障信息，及時(shí)進(jìn)行了相關(guān)處理。在工作兩年后，經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)污水處理效率明顯上升，無(wú)人值守泵站自動(dòng)化運(yùn)行良好，在兩年內(nèi)僅發(fā)生了1 次設(shè)備故障，并及時(shí)得到了解決，無(wú)人值守泵站的工作人員由原本的19 人轉(zhuǎn)變?yōu)? 人，無(wú)人值守泵站運(yùn)營(yíng)成本大大降低，設(shè)備使用年限增長(zhǎng)，無(wú)人值守泵站經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)顯著。

3.2 產(chǎn)生的問(wèn)題及解決建議

雖然無(wú)人值守泵站的使用優(yōu)勢(shì)眾多，但在其運(yùn)行期間依然出現(xiàn)了部分問(wèn)題。下文對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行闡述并提出解決建議，以期相關(guān)人員在后續(xù)研究中能夠進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)人值守泵站的工藝邏輯設(shè)計(jì)。

（1）設(shè)備老化。在無(wú)人值守泵站的改造過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)原有污水處理設(shè)備老化嚴(yán)重，部分設(shè)備出現(xiàn)了磨損或毀壞，這加大了污水處理設(shè)備自動(dòng)化改造難度，對(duì)于后續(xù)無(wú)人值守泵站設(shè)備的故障維修、日常保養(yǎng)等也造成了極大的麻煩。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，相關(guān)人員在對(duì)傳統(tǒng)泵站進(jìn)行無(wú)人值守改造是要提前對(duì)泵站設(shè)備進(jìn)行檢查更換，并定時(shí)安排人員對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)，以保證無(wú)人值守泵站的運(yùn)行流暢。

（2）管理人員專業(yè)能力不足。無(wú)人值守泵站減少了人力資源的耗費(fèi)，但同時(shí)也提高了對(duì)管理人員專業(yè)能力的要求。與傳統(tǒng)泵站不同，無(wú)人值守泵站的管理人員需要掌控?zé)o人值守泵站全部工作流程，在無(wú)人值守泵站設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)要能夠立即給出解決方案并及時(shí)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行處理，盡可能減短無(wú)人值守泵站設(shè)備故障延續(xù)時(shí)間，快速恢復(fù)無(wú)人值守泵站工作系統(tǒng)以減少無(wú)人值守泵站經(jīng)濟(jì)損失。要解決該問(wèn)題，需要城市環(huán)境管理部門與管理人員共同努力，一方面城市環(huán)境管理部門應(yīng)提供足夠的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)，以提高管理人員專業(yè)能力，另一方面，管理人員本身也應(yīng)積極學(xué)習(xí)無(wú)人值守泵站及污水處理的相關(guān)知識(shí)，掌握無(wú)人值守泵站設(shè)備各種類故障的處理方法，維持無(wú)人值守泵站運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

污水泵站在建設(shè)城市美好環(huán)境中起著不可忽視的作用，對(duì)傳統(tǒng)污水泵站的改良優(yōu)化，開(kāi)發(fā)無(wú)人值守泵站是提升城市污水處理效率的有效途徑。本研究設(shè)計(jì)了一種無(wú)人值守泵站，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了展示，期待能夠?yàn)槲覈?guó)環(huán)保行業(yè)的發(fā)展提供有益影響。