城市排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

Design of the Urban Drainage Network Dispatching System

童　飛1　吳　佳2　高瑋寅2

(上海城投污水處理有限公司石洞口污水處理廠，上海　200942；上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海　200233)

城市排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

Design of the Urban Drainage Network Dispatching System

童飛1吳佳2高瑋寅2

(上海城投污水處理有限公司石洞口污水處理廠，上海200942；上海工業(yè)自動化儀表研究院，上海200233)

摘要：為了保持排水管網(wǎng)中水流穩(wěn)定，保證各級泵站及污水處理廠平穩(wěn)運行，利用SCADA技術(shù)設(shè)計了排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。通過各泵站PLC控制系統(tǒng)實時上傳的泵站數(shù)據(jù),實現(xiàn)了對整個排水管網(wǎng)的全面監(jiān)控；通過科學(xué)的數(shù)學(xué)建模過程對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，將計算獲得泵站控制參數(shù)下發(fā)到各級泵站,實現(xiàn)了對整個管網(wǎng)的全面調(diào)度。該系統(tǒng)提升了排水管網(wǎng)全面監(jiān)控的自動化、智能化程度。

第一作者童飛(1969-)，男，1991年畢業(yè)于上海師范大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)領(lǐng)域的研究。

關(guān)鍵詞：SCADA管網(wǎng)調(diào)度模糊算法遺傳算法最優(yōu)液位

Abstract：In order to keep the stability of water flow in drainage pipe network, and to ensure the smooth operation of the pumping stations and sewage processing plant, the drainage pipe network dispatching system has been designed by adopting SCADA technology. The whole drainage pipe network is monitored through the uploaded data from PLC system of each pump station; the data collected are analyzed by scientific mathematical modeling procedures, then the calculated pump station control parameters are downloaded to pump stations in various level to implement comprehensive dispatching of entire pipe network. The urban drainage network dispatching system enhances the level of automation and intellectualization of the drainage pipe network.

Keywords：SCADANetwork dispatchingFuzzy algorithmGenetic algorithmOptimal level

0引言

城市排水[1]是現(xiàn)代化城市不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是對城市經(jīng)濟發(fā)展具有全局性、先導(dǎo)性影響的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是城市水污染防治和城市排漬、排澇、防洪的骨干工程。人們生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的大量排水，如從城鎮(zhèn)住宅、工廠和各種公共建筑中不斷排出的各種各樣的排水和廢棄物，需要及時妥善地排除、處理或利用。

目前,排水泵站控制方式主要采用的是根據(jù)經(jīng)驗液位啟停泵組方式。這種控制方式?jīng)]有考慮到水泵機組的最優(yōu)狀態(tài)組合，耗能較高；同時在暴雨等突發(fā)情況發(fā)生時，無法及時反應(yīng)，容易造成溢流事故。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，排水管網(wǎng)中各級泵站已經(jīng)具備了自動化控制條件。在此基礎(chǔ)上,本文采用SCADA技術(shù)[2-4]設(shè)計排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)泵站的統(tǒng)一運行調(diào)度管理。

1排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)

基于SCADA技術(shù)的排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對泵站現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。其中排水泵站控制為整個排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)。排水泵站一般由集水井、泵組、閥門、格柵、格柵除污機等構(gòu)成。控制系統(tǒng)根據(jù)積水井液位控制泵組啟停,將積水井中收集的城市污水提升后送入污水管網(wǎng);管網(wǎng)內(nèi)污水流入下級泵站繼續(xù)提升輸送或最終流入污水處理廠進行處理。

1.1　系統(tǒng)架構(gòu)

排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)由底層數(shù)據(jù)采集層及上層調(diào)度中心構(gòu)成，底層與上層通過專用光纖實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1　排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2　排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

底層數(shù)據(jù)采集層由各級泵站及污水處理廠構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集各類運行參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)、視頻及安防數(shù)據(jù)等。上層調(diào)度中心由工作站、服務(wù)器以及辦公系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)全市域管網(wǎng)泵站自動化控制和調(diào)度管理。調(diào)度中心與各泵站通過租用專用光纖線路網(wǎng)絡(luò)保證視頻等數(shù)據(jù)的實時上傳，組網(wǎng)方式采用點對點通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)預(yù)留接口實現(xiàn)排水公司各信息系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

1.2　系統(tǒng)控制

排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)采用調(diào)度中心控制級、泵站PLC控制級和就地控制級的三級控制模式。各排水輸送線泵站在管網(wǎng)調(diào)度控制中心的統(tǒng)一調(diào)度下，協(xié)調(diào)各輸送線泵站優(yōu)化運行。

第一級為就地控制級：就地控制系統(tǒng)對泵機單體或設(shè)備進行手/自動就地控制。當(dāng)進行設(shè)備檢修或緊急故障時，可采用就地控制方式。

第二級為泵站PLC控制級：在各個泵站，通過已建的PLC控制系統(tǒng)對站內(nèi)所有過程變量及設(shè)備運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及聯(lián)鎖保護。泵站控制級控制權(quán)限由現(xiàn)場設(shè)備本體手、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)判斷，切換至遙控位置時，才允許操作人員通過泵站PLC控制系統(tǒng)對各泵機、格柵等設(shè)備進行授權(quán)范圍內(nèi)的操作。當(dāng)組網(wǎng)通信系統(tǒng)發(fā)生故障或系統(tǒng)檢修時，由泵站控制系統(tǒng)實現(xiàn)對各設(shè)備的監(jiān)視與控制。

第三級為管網(wǎng)調(diào)度中心控制級：對排水管網(wǎng)各輸送泵站運行進行遠程監(jiān)控，實行統(tǒng)一調(diào)度管理。在正常情況下，由管網(wǎng)調(diào)度控制中心對全市所有泵站進行監(jiān)視和控制。在調(diào)度控制中心的統(tǒng)一指令下完成各線泵站設(shè)備運行監(jiān)控。

1.3　系統(tǒng)功能

根據(jù)上述系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建的排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集

遠程數(shù)據(jù)采集，采集內(nèi)容有：集水井液位、泵出流量、排水處理廠水量水質(zhì)數(shù)據(jù)，排水泵、格柵、閘門等的設(shè)備狀態(tài)、運行工況，遠程控制設(shè)備和通信設(shè)備的運行工況、配電狀況等。

(2) 數(shù)據(jù)管理

①數(shù)據(jù)的分類、檢索和顯示；②歷史數(shù)據(jù)的管理和顯示；③報警處理；④事件處理。

(3) 運行模擬、執(zhí)行控制策略和決策

①支持遠程控制和執(zhí)行調(diào)度；②緊急狀態(tài)下的對策及處理方案；③離線或在線顯示運行結(jié)果和運行趨勢；④技術(shù)交流、演示、教學(xué)和培訓(xùn)。

(4) 遠程控制和調(diào)度

①進行遠程控制(遙控)和遠程設(shè)置(遙調(diào))；②下達控制和調(diào)度指令；③優(yōu)先插入傳送的能力，根據(jù)調(diào)度人員的指令優(yōu)先插入傳送緊急控制等信號。

(5) 報表管理

報表管理提供實時的、歷史的和統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表(日、月、年報表)。報表可自動打印或按需打印。報表應(yīng)以用戶編寫的程序、系統(tǒng)軟件或第三者成套形式打印。

(6) 數(shù)據(jù)及圖像顯示

①SCADA系統(tǒng)HMI界面顯示；②視頻及紅外周界安防系統(tǒng)畫面顯示。

2管網(wǎng)調(diào)度

管網(wǎng)調(diào)度功能[5-8]是在分析排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)采集的排水管網(wǎng)的流量、液位高度等數(shù)據(jù)后，根據(jù)排水的流量變化及集水井水位的變化，運用智能控制方法對排水管網(wǎng)進行統(tǒng)一調(diào)度控制。該控制的主要思想是以管道設(shè)施輸送能力作為排水負(fù)荷的約束條件，以管網(wǎng)中泵站綜合調(diào)度運行能耗最小為目標(biāo)，在保證排水管網(wǎng)安全運行及集水井安全液位有效控制(集水井不會發(fā)生排水溢出，造成局部區(qū)域排水溢出污染)的情況下，運用控制系統(tǒng)相關(guān)算法控制管路流量自動有序調(diào)節(jié)，優(yōu)化分配，實現(xiàn)管網(wǎng)水位、流量最優(yōu)調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行、優(yōu)化調(diào)度、高效節(jié)能。

管網(wǎng)調(diào)度控制排水過程中主要的控制對象為水泵的開停、 閘閥的啟閉、 貯水池水位的升降等。管網(wǎng)調(diào)度以全局化的思想，以泵站控制為基礎(chǔ)對管網(wǎng)內(nèi)水量的流量進行控制，使集水井的排水液位保證在一定范圍內(nèi)，控制排水泵站排放系統(tǒng)使流入排水泵站的排水及時排出，Q流入=Q流出。保持泵機在高液位下運行可以有效地降低水泵的實際揚程，保證水泵運行在高效區(qū)，降低管網(wǎng)運行能耗，實現(xiàn)經(jīng)濟運行。同時，由于流入的流量能夠被等量泵出，消除了鏈級效應(yīng)，使整個排水系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)平衡，避免排水溢流事故的發(fā)生。在復(fù)雜的排水管網(wǎng)中，調(diào)用SCADA系統(tǒng)進行聯(lián)動控制，改變了傳統(tǒng)方式下依靠人的經(jīng)驗及電話溝通的方式，在保證管網(wǎng)安全運行的前提下，有效提高了管網(wǎng)的運行能力及泵站的運行效率。

管網(wǎng)調(diào)度數(shù)學(xué)模型主要由三個子模型構(gòu)成：①泵站最優(yōu)工作液位(泵站高效液位)選取；②泵站泵出流量控制值計算；③泵機啟停控制。數(shù)學(xué)建模流程如圖3所示。

圖3　數(shù)學(xué)建模流程圖

2.1　泵站最優(yōu)工作液位選取

對于各泵站而言，抽水能耗大小主要由揚程決定，揚程越高，泵機提升等量排水做功越多，耗能也越大[9]。因此，在運行條件許可的情況下應(yīng)盡可能地減小運行揚程，而揚程大小取決于泵機的運行液位。在確定可以有效防止管網(wǎng)排水溢出、使其安全運行的液位后，根據(jù)各泵站周邊排水的實際情況，通過一段時間的自動測試，利用數(shù)據(jù)分析得出泵機運行的最優(yōu)工作液位，使泵機在此液位上運行，在安全的基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能。

2.2　泵站泵出流量控制值計算

在已知最優(yōu)工作液位條件下，以集水井控制液位差及液位差變化率作為模糊控制器輸入變量，輸出控制流量值，以保證泵機運行在高效揚程區(qū)內(nèi)。

模糊控制器參數(shù)設(shè)計

① 模糊控制器論域范圍設(shè)定

輸入：液位差e=[-6 6]。

液位差變化率：ec=[-4 4]。

輸出：控制流量u=[-6 6] (按泵站泵出能力換算)。

② 模糊控制器各變量模糊分割及隸屬函數(shù)選取

液位誤差e=H-H*(H*為最優(yōu)液位，H為液位測量值)經(jīng)過尺度變換，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)語言變量e，其論域為[-6 6]。定義論域上的模糊子集為Ai(i=1,2,3)，其對應(yīng)的語言值為{液位低,最優(yōu)液位,液位高}，分別表示當(dāng)前液位相對于最優(yōu)液位：“低”、“正好”、“高”。

液位差變化率ec=e(i+1)-e(3)經(jīng)過尺度變換，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)語言變量ec，其論域為[-4 4]。定義在論域上的模糊子集為Bi(i=1,2,3)，其對應(yīng)的語言值是{液位下降快,液位穩(wěn)定,液位上升快}，分別表示當(dāng)前液位H的變化為“下降”、“不變”、“上升”。

控制器輸出為控制量u，其語言變量u,論域為[-6 6]。定義在論域上的模糊子集Ci(i=1,2,3)，其對應(yīng)的語言值為{流量減小, 流量不變, 流量增大}，分別表示：“減小泵出流量”、“保持泵出流量”、“增大泵出流量”。

雙輸入-單輸出模糊控制過程如圖4所示。隸屬函數(shù)選取如圖5所示。

圖4中，e為液位差，ec為液位差變化率，u為控制流量,Ku為比例因子。

圖4　雙輸入-單輸出模糊控制系統(tǒng)

基于此分割，共有9條規(guī)則，具體如下。

① if(E is 液位低) and (EC is 液位下降快) then (flow is 流量減少)。

② if(E is液位低) and (EC is 液位穩(wěn)定) then (flow is 流量減少)。

③ if(E is液位低) and (EC is 液位上升快) then (flow is 流量不變)。

④ if(E is最優(yōu)液位) and (EC is 液位下降快) then (flow is 流量減少)。

⑤ if(E is最優(yōu)液位) and (EC is液位穩(wěn)定) then (flow is 流量不變)。

⑥ if(E is最優(yōu)液位) and (EC is液位上升快) then (flow is 流量增加)。

⑦ if(E is液位高) and (EC is液位下降快) then (flow is 流量不變)。

⑧ if(E is液位高) and (EC is液位穩(wěn)定) then (flow is 流量增加)。

⑨ if(E is液位高) and (EC is液位上升快) then (flow is 流量增加)。

圖5　模糊控制器隸屬度函數(shù)

2.3　泵機啟停控制

在確定最優(yōu)目標(biāo)液位后，根據(jù)各個泵機的揚程、額定功率、吸入口徑、排出口徑等參數(shù)，在滿足泵站流量約束條件下，利用遺傳算法的基本原理，以泵組總功率最小為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型;接著設(shè)計基于遺傳算法的泵站優(yōu)化調(diào)度，選取各個泵機機組啟停的最優(yōu)組合，從而達到系統(tǒng)能耗最小的目的。

2.4　管網(wǎng)聯(lián)動

① 泵站上下級預(yù)警

根據(jù)本級泵站的泵出流量計算下一級泵站的輸入流量，在動態(tài)流量過大時可以對下級泵站發(fā)出預(yù)警；當(dāng)本級泵站出現(xiàn)緊急故障時，泵出能力降低到警戒值時，對上級泵站發(fā)出預(yù)警，減少上一級泵站的泵送流量，防止排水倒灌，變被動響應(yīng)為主動控制。

② 廠站聯(lián)動

強降雨等特殊情況下，根據(jù)各級泵站監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后，可預(yù)警上報相關(guān)管理部門，對污水處理廠的超越閘門開啟做出應(yīng)急處置預(yù)案；當(dāng)污水處理廠生物池處于檢修或重要工藝設(shè)備故障而使處理能力下降時，對相應(yīng)污水輸送線進行預(yù)警，提高該輸送線各泵站泵組的開車液位，盡可能利用管網(wǎng)來蓄水，減少輸送量來平穩(wěn)過渡。

③ 線線調(diào)配

在排水管網(wǎng)中存在一個污水處理廠為兩條排水輸送線輸送終點的情況，對積累的兩線日常輸送流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，經(jīng)過輸送流量歷史曲線對比，找出兩線輸送量對應(yīng)均衡關(guān)系。當(dāng)其中一線遇大流量等突發(fā)情況時，合理調(diào)配另一線的排水輸送量，使得進入排水處理廠的總排水流量相對平穩(wěn)。

3結(jié)束語

本文基于SCADA技術(shù)，設(shè)計了一個排水管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)與各泵站PLC[10]控制系統(tǒng)和排水處理廠組成一個城市排水運行監(jiān)控綜合調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對各輸送線泵站和排水處理廠的生產(chǎn)運行監(jiān)控管理、統(tǒng)一調(diào)度、視頻監(jiān)視和安防報警等工作，促使排水管網(wǎng)運行調(diào)度工作由原來的人工經(jīng)驗調(diào)度上升到科學(xué)生產(chǎn)調(diào)度層面。通過最優(yōu)工作液位選取、流量控制、泵組啟停控制三個階段實現(xiàn)了排水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度，在保證管網(wǎng)安全運行的前提下，實現(xiàn)了節(jié)能降耗、經(jīng)濟運行的目標(biāo)。

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中圖分類號：TP27

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501006

修改稿收到日期：2014-01-23。