淺談自動化系統在城市污水提升泵站中的設計與應用

楊軍

（銀川市市政工程管理處，寧夏 銀川 750011）

現在隨著物聯網的運營成本低價推廣、網絡硬件及物聯網控制技術成熟等，為自動化提升提供了基本的物質條件，再加上工作人員對工作環境提出了更高要求，尤其是在城市污水提升泵站中顯現的日益突出。為了減少惡劣環境下的工作時間，現在采用PLC自動控制系統，可以通過上位機對泵站進行遠程控制、數據報表自動生成等，實現集中統一監控、運行和管理。PLC控制系統有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、使用方便、功能完善等特點，在眾多領域中得到廣泛應用。銀川市各泵站建設采用高標準自動化監控系統，泵站設有值守操作人員可以實現站內計算機操作，用鼠標操作即可實現泵站內各電氣設備的動作執行和狀態反饋。如果無現場值守操作人員，那么集控中心人員可以在集控中心進行泵站所有操作，定期從視頻中可以核準液位等重要工藝數據。

1 傳統污水提升泵站控制方式

現在有很多污水提升泵站控制方式采用傳統的繼電器式。由運行人員手動填寫泵站的運行記錄，經過相關運行參數手動操作控制格柵和啟、停排污泵以及進、出水閥門。導致運行管理水平落后，運行管理人員工作強度繁重。現在傳統泵站也相繼使用了PLC、儀表等自動化設備控制，但這些控制僅限于泵站水泵啟動、聯鎖保護功能等，一直忽視了自動化程度的進一步提高，現階段隨著人力成本增加、環境整治及工業自動化技術突飛猛進，促使運營管理單位開始認真研究和思考，怎么才能改進成為一套運營、維護成本低的自動化系統。

2 自動化系統控制的優勢

2.1 自動化程度高

系統按“無人值守、定期巡檢”或“少人值班，定期巡檢”的控制要求，實現泵站及調度中心的計算機遠程控制，泵站上位系統與集控上位系統采用統一程序化設計，全系統不管泵站數量多少，只有一套平臺系統程序，一套上位生產控制程序維護和升級系統，不同的操作站通過驅動連接和操作員權限來限制操作員的操作范圍。

2.2 性能完備，技術成熟

系統采用高可靠性、高性能、技術成熟的工業級產品及部件，滿足泵站工業環境的設備長期運行條件。

2.3 集成度高

集成無線傳輸、有線傳輸、光纖傳輸、網絡網關、圖像處理、數據處理、軟啟動系統、水位檢測系統、低壓系統、能量檢測系統等，適應泵站多種工藝可靠運行。

2.4 滿足開放性，結構設計合理性

系統為全開放系統，軟件標準化，兼容性強，可以與不同產品實現通訊，滿足各項功能擴展。硬件超前設計，能夠完全快速滿足后期建設發展及擴容需要。

3 自動化系統控制網絡拓撲設計

本設計主要分為三個等級，分別為：一級調度監管指揮中心、二級生產集控中心、三級生產控制站。一級調度監管指揮中心：設立在市政總局，對所有泵站的生產控制設備和工藝進行遠程控制、視頻圖像監控，并設置工業防火墻、路由器、監控大屏、視屏工作站、工程師站、操作員站、數據庫服務器等。要求大屏可以實現各個泵站、分泵房視頻輪巡展示。二級生產集控中心：設立在泵站管理所監控中心，對各個泵站生產控制設備和工藝進行監控，實現遠程集中控制，實現真正無人值守控制，并且可以通過視頻了解設備運行、現場情況等。泵站自動化系統建設方案的第一設計就是整體網絡設計，優秀的設計是采用現階段通用的、穩定的、易維護的網絡形式，那就是工業以太網，以太網的介質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，該形式具有傳輸穩定，抗干擾性強；可以考慮自行敷設光纖或租借電信、移動、聯通等運營公司的專線，對于一些實在不具備條件、或敷設困難的泵站采用無線基站建設的形式。

4 污水提升泵站自動控制系統設計

4.1 泵站控制工藝流程

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

4.2 泵站PLC硬件選型

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

（1）泵站相關設備統計。各個泵站主要設備應有格柵、皮帶機、潛水泵、啟閉機/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，為系統控制提供穩定的控制量。②開關量模塊選擇應根據受控設備狀態，受控設備數進行統計IO點位，并考慮20%的冗余量。③CPU模塊選擇，根據現代工業控制技術發展趨勢，選擇集成串口及以太網CPU模塊，適應儀表類串口設備數據交換、PC簡易快速組網、無線、光纖專線等集中控制需要。④選擇系統品牌要考慮長達10～15年的產品生命周期，防止因產品提前進入淘汰期而造成系統備件難以采購及高運維成本的情況發生。

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

①格柵池設備控制要求。在格柵無故障的情況下，只要格柵的進出口啟閉裝置不完全關閉，格柵就可以周期性運行，根據日常、雨天、暴雨三種運行方式確定周期運行的停、運時間。上位機可對運行工藝參數進行設置，格柵應與皮帶輸送機聯動，即格柵運行時皮帶輸送機應同時啟動運行。格柵故障應實時預警，然后根據對水位差的檢測判斷進水啟閉機是否關閉，與此同時進行緊急報警并通知相關人員及時處理。

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

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 泵站系統功能分析圖

5 結語

除了設備數量不同外，污水泵站的控制技術基本沒有變化。實踐證明，PLC實現的控制方式設計合理，運行安全可靠。該系統不僅減輕了現場工作人員的工作量，還使設備得到了合理的調控。此外PLC與上位機配合，實現了遠程控制、參數設置和報表生成等功能，提升了泵站設備的運行效率以及泵站管理水平。