泵站自動化監控與河道水環境治理相結合的研究

宋 悅

（天津市排水管理事務中心，天津 300202）

本世紀以來，中國經濟發展十分迅速，水資源的戰略地位上升到前所未有的高度，公眾對水環境也越來越關注。水資源的有效管理和高效利用成為世界關注的焦點。我國是農業大國，也是水利大國，在經濟社會發展中水資源起著至關重要的作用。

天津城區內分布著多條河流，是一座依水而生、因水而秀的城市，河道水質影響著整體城市環境，受到社會各界的高度關注。為改善城市水環境狀況，天津市加快實施堤岸綠化改造、河道保潔清淤、河道水系連通促進水循環等工程。除此之外，還計劃建設生態凈水系統，初步實施海綿城市改造工程，提升改造換水泵站規模及能力，提升河道水循環功能，最終實現改善水質的目的。

在城市中，泵站是收集輸送雨水、污水和河水的重要基礎設施。隨著當下城市發展對泵站信息化管理和科學化調度要求的不斷提高，為城市排水泵站開發具有遠程控制和調度功能的系統平臺，可以實現實時監控、科學調度、合理運行等諸多功能，從而提高市政排水泵站管理的科技化程度。

1 當前換水泵站遠程監控系統的需求分析

城市河道水環境的治理與景觀設計以改善城市生態環境，提高人們的生活質量為根本。更加科學、合理地安排換水泵站的運行，可以提高市區河道水環境改善的工作效率，必將為經濟社會發展提供可靠的基礎水環境支持和保障，實現傳統排水向現代化排水、向人水和諧、向科學發展的轉變，有利于提高全社會水資源節約保護意識，推進資源節約型、環境友好型的社會發展。

1.1 河道換水泵站的特點

河道換水泵站的作用是將上游或其他相連河道的優質水源，通過水泵迅速調入需要改善水質的河道中，使河道之間的河水循環起來，增加河水的流動性，使之變成流動的活水，提高河水的含氧量，達到稀釋污染物濃度、快速改善河道水質的目的。之后，通過在河道中加裝曝氣噴泉、鋪設生態浮床、投放生物制劑和安裝高效磁絮凝水體凈化設備等新型輔助措施的綜合運用，達到根本改善河道水環境的最終目的。

換水泵站一般建于2條河道交匯處，根據河道之間的水位變化和高程差，通過水泵和閘門的配合使用，使2條河道之間河水可以相互流動循環。

跨河換水泵站布置，如圖1所示。

圖1 跨河換水泵站布置

1.2 河道換水泵站自動化遠程監控系統的功能需求

近年來，隨著計算機技術的飛速發展以及互聯網通信技術的不斷完善，自動化泵站遠程監控技術逐漸被廣泛應用在實踐中。各類分層分布式的新型自動化排水泵站被廣泛建設并投入運行使用。分層分布式的結構分為現場測量監控、中級運行管理和高級決策調度3個層次。泵站自動化遠程監控系統的配置需要與正常情況下主控中心控制、泵站現場無固定人員值守和工作人員定時現場巡視相結合的運行管理模式相適應，為此該系統需要搭設3級控制平臺，分別為主控中心、分控中心和自動化泵站現場。

結合泵站的運行、檢修和管理要求，為實現該系統正常使用，需要建立專用網絡、統一的系統信息平臺和統一標準的基礎數據庫，使系統具有良好的可靠性、節能性、安全性、人機交互性和擴展性，同時實現自我診斷、自我恢復的功能。

2 自動化泵站遠程監控系統總體框架和軟硬件設備設計

自動化泵站遠程監控系統是為了更好地實現對換水泵站設備（包括泵站水泵機組、電氣系統、輔助系統、保護系統及直流系統等）的全方位監測和控制，保證換水泵站能夠更加安全可靠的運行。該系統還可以對換水泵站運行的情況做出統計并記錄形成報表，方便日常的工作查閱與分析。在滿足上述監控功能后，實現換水泵站的優化調度及經濟運行并最終實現“少人值守、無人值守”的目標。

2.1 系統總體框架設計

針對目前河道換水泵站自動化系統存在的問題，通過對當前泵站監控系統的匯總分析，計劃綜合利用現代計算機技術、網絡通信技術、自動化集成技術和人工智能技術等高科技新型技術，設計搭建泵站自動化運行管理平臺。自動化泵站遠程監控系統通過創建新型泵站運行管控模式，按照分級分散控制原則，既可以由主控中心對全部自動化排水泵站進行統一的調度和管理，又可以將部分自動化排水泵站的調度和管理權限下放到各分控中心和各個自動化排水泵站現場，主控中心只負責監控全局和下達指令，充分地將計算機、網絡通信、遠程遙控、視頻監測等技術有機地結合起來，滿足不同的自動化排水泵站現場控制和保護需要，保證泵站安全、經濟和高效運行。

2.2 硬件設備設計

硬件系統包括主機、泵站級光纖以太網、現地控制單元LCU以及其他外部設備。主機是硬件系統的重要組成部分，包括語音報警工作站和液晶顯示器。光纖以太網是泵站與現地控制系統進行通信聯系的主要通道，在接收到相應信號后，上位機直接將其接入交換機，現地控制單元就會將信號轉化為光信號，通過控制室內的交換機建立星型的網絡。現地控制單元LCU是構成現地控制單元的主要部分，負責信息數據的收集和預處理，同時具備控制操作和監視的功能，是實現自動化監控的有效構件。其他外部設備也是硬件系統中不可缺少的，如各種傳感器、檢測儀表、記錄打印機、語音報警裝置、上位機-電網監控配置等。

2.3 軟件設備設計

針對排水泵站的特點，自動化泵站遠程監控系統軟件分為3級平臺，應用數據采集軟件、WinCC組態軟件、PLC控制軟件、泵站遠程監控軟件和視頻監控軟件等實現系統的可靠穩定運行。最高級為主控中心，中間級為分控中心，現場級為自動化排水泵站。

泵站遠程監控系統整體結構，如圖2所示。

圖2 泵站遠程監控系統整體結構

由圖2可知，納入系統的所有排水泵站為主控中心的監控對象，分控中心直接控制所屬泵站設備（主控中心需要直接接管的重要泵站除外）。系統將數據采集、數據處理分析、設備控制、操作日志記錄、畫面監視、文件報表生成、非正常狀態報警、系統組態、設備運行管理、系統通信、自診斷與自恢復等功能進行組合，可以完成系統的生產過程控制和泵站調度等操作。

3 自動化泵站遠程監控系統整體設計

自動化泵站遠程監控系統的核心組成為上位機和下位機兩大部分。針對目前流行的諸多組態軟件，鑒于西門子公司的WinCC組態軟件技術成熟、運行穩定且與下位機采用的西門子PLC匹配兼容優良，本系統上位機監控界面采用西門子WinCC組態軟件進行設計。上位機監控界面是人機交互的主要窗口。因此，為了方便運行管理人員操作，上位機監控界面設計遵循貼近實際、風格簡單、操作方便的原則。針對系統需要實現的主要功能，設計了主界面、工藝流程圖界面、設備操作界面、數據查詢界面及資料查詢界面，以達到對泵站進行遠程監控管理的目的。

3.1 上位機組態設計

上位機主要功能是發出各種命令對下位機和工業現場實現控制，同時又接收下位機和工業現場反饋的各種信號、數據實現監測。現場控制單元與上位機相連，通過上位機實現控制、測量及信號顯示。系統采用西門子WinCC組態軟件設計，實現上位機人機界面監控功能。

3.2 下位機控制系統設計

下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般采用PLC或單片機之類的設備。它利用PLC對泵站運行所需各個開關量進行定義，結合PLC梯形圖進行編譯，使泵站可根據進水液位調整水泵運行工況，最終實現泵站自動化控制和運行功能。上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此指令生成相應的數字時序信號直接控制相應設備。下位機時時讀取設備狀態數據（一般為模擬量），轉化成數字信號反饋給上位機。PLC程序編寫方便、直觀，具有較強的可操作性和擴展性，易于實現工業現場自動控制。

4 結語

水環境治理是當今社會的焦點問題，利用河道換水泵站加大水環境改善力度是行之有效的方法之一。實現換水泵站的自動化是當下城市水環境治理的強有力手段，是實現換水泵站優化調度、提高運行和管理自動化水平的基礎。通過建立一整套自動化泵站遠程監控系統，可以實現泵站現場的少人值守甚至無人值守的目標，提高換水泵站運行管理效率。