桂林排水基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動化研究

桂林市排水工程管理處 蔡萬清

污水提升泵站是城市污水管網(wǎng)的重要設(shè)施，也是城市排水系統(tǒng)中的一個重要組成部分，目前污水提升泵站主要分為傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)泵站和新興的一體化預(yù)制泵站。桂林市原有大多數(shù)雨污水泵站都為傳統(tǒng)泵站，而在桂林市漓江城市段排污綜合治理項(xiàng)目建設(shè)中，引進(jìn)使用了由特種材料制成的污水處理一體化泵站，代替了傳統(tǒng)的混凝土泵站，作為片區(qū)污水提升泵站使用。

一、項(xiàng)目概況及存在問題

桂林市排水工程管理處于2008年建立了泵站遠(yuǎn)程自控與監(jiān)控系統(tǒng)，將當(dāng)時排水管理的16個泵站通過自控改造并接入泵站管理所中控中心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動自動化控制和管理，至今已連續(xù)運(yùn)行了13年。

為完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步提高污水收集率，加快實(shí)施雨污分流，改善城區(qū)水體的水質(zhì)，我市在漓江城市段排污綜合治理中投建了33個一體化泵站。在一體化泵站安裝并投入使用后發(fā)現(xiàn)，一體化泵站雖然集成度較高，使用維護(hù)也相對方便，現(xiàn)有的自動化控制雖然已滿足了一體化泵井日常運(yùn)行的需求，但由于一體化泵站所處位置分散，部分位置較為偏遠(yuǎn)，對于泵站現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)行情況、詳細(xì)的運(yùn)行參數(shù)、現(xiàn)場周邊的安全狀況等都還不能夠完整的掌握，出現(xiàn)故障后無法診斷是設(shè)備故障還是現(xiàn)場設(shè)施被盜，也無法直觀的控制和分析泵站的運(yùn)行狀況。

同時，近些年新增的泵站和改造升級的泵站由于軟硬件兼容性問題，無法接入原有的泵站遠(yuǎn)程自控系統(tǒng)，急需對現(xiàn)有平臺進(jìn)行整體改造，將所有的泵站和一體化泵井設(shè)施接入遠(yuǎn)程自控。

（一）自控和管理問題

一體化泵站的自控系統(tǒng)雖然具備本地運(yùn)行和遠(yuǎn)端短信告警的功能，但無法實(shí)現(xiàn)集中化的運(yùn)行管理，也無法通過遠(yuǎn)端修改泵站現(xiàn)場的運(yùn)行參數(shù)，需要根據(jù)泵站狀況進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)調(diào)整，需要到現(xiàn)場進(jìn)行操作[1]。

（二）數(shù)據(jù)分析和調(diào)度問題

泵站現(xiàn)場的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如水泵及格柵的實(shí)時電壓、電流、功耗、液位、開機(jī)臺時等，各個泵站都是各自孤立的，未統(tǒng)一接入控制中心，無法做到對各個泵站進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)監(jiān)控及分析，對需要根據(jù)泵站實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行判斷的故障診斷、運(yùn)營調(diào)度、設(shè)備巡檢等工作造成了不便。

（三）現(xiàn)場設(shè)施的安全問題

部分一體化泵站處于未城鎮(zhèn)化覆蓋的區(qū)域，由于設(shè)施位處偏遠(yuǎn)，周邊治安設(shè)施覆蓋不完善，出現(xiàn)非法入侵、偷盜等現(xiàn)象時無法及時發(fā)現(xiàn)，在泵站運(yùn)行故障后，無法在第一時間判別是設(shè)備故障還是偷盜遺失損壞，也需要增設(shè)安防攝像頭并接入統(tǒng)一控制中心進(jìn)行監(jiān)控。

二、遠(yuǎn)程自控監(jiān)控系統(tǒng)對于一體化泵站的重要性

（一）提高運(yùn)行效率

由于現(xiàn)有的一體化泵站都是預(yù)制泵站，泵站的運(yùn)行控制及配套系統(tǒng)也都是相應(yīng)廠商配套開發(fā)的，所提供的監(jiān)控數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)分析功能無法滿足遠(yuǎn)程化集中化的管理需要，自控系統(tǒng)還存在一定的局限性，需要通過遠(yuǎn)程自控改造后，才可以更加全面的掌握泵站現(xiàn)場設(shè)施運(yùn)行的狀況，才能夠及時根據(jù)泵站運(yùn)行的情況來實(shí)時優(yōu)化調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，提高運(yùn)行效率，為泵站的穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

（二）提高運(yùn)行安全

自控技術(shù)是根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)備按照相應(yīng)指令來嚴(yán)格運(yùn)行的，避免了手工操作而造成的設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險，是保證泵站安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。此外泵站使用自控技術(shù)后，即使發(fā)生斷電故障，也能夠在市電恢復(fù)后及時自動恢復(fù)運(yùn)行，通過遠(yuǎn)程自控監(jiān)控對泵站現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、診斷和分析，使得管理人員能夠更好地掌控泵站的各項(xiàng)指標(biāo)，對現(xiàn)場進(jìn)行視頻布防和實(shí)時監(jiān)聽，也是保障泵站設(shè)施安全的關(guān)鍵因素。

（三）提高維護(hù)檢修效率

泵站泵井在運(yùn)行過程中出現(xiàn)設(shè)備問題時，不能及時的診斷現(xiàn)場情況，而依靠故障后進(jìn)行現(xiàn)場人工故障檢測，影響故障恢復(fù)的時間；將檢測和傳感器技術(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，通過實(shí)時檢測和傳感器技術(shù)就能及時地監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況，在出現(xiàn)問題的時候能更準(zhǔn)確地判斷故障設(shè)備，及時采取相應(yīng)解決措施，確保泵站能夠盡快地恢復(fù)工作。在泵站泵井的運(yùn)行過程中，通過計算格柵前后的液位差，可以判斷格柵是否擁堵，并通過程序自動報警，聯(lián)動相關(guān)監(jiān)控攝像頭進(jìn)行人工判斷，并安排清渣和維護(hù)工作，通過各種傳感器對泵站泵井運(yùn)行時可能發(fā)生的故障情況進(jìn)行預(yù)測，以提高維護(hù)和維修的工作效率。

三、污水泵站自動化系統(tǒng)改造

（一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

泵站遠(yuǎn)程自動化控制由現(xiàn)場控制層和中心集控系統(tǒng)組成。

現(xiàn)場控制設(shè)備需采集液位計、流量計、水泵格柵運(yùn)行狀態(tài)、電器儀表信號等數(shù)據(jù)，經(jīng)PLC控制器處理后發(fā)送到設(shè)備端，完成潛水泵、電動閥門等設(shè)備的運(yùn)行控制?，F(xiàn)場變頻器、軟啟動器、低壓柜智能開關(guān)、電力網(wǎng)絡(luò)儀表、變壓器、溫控器、UPS等設(shè)備，都通過PLC束連接?，F(xiàn)場監(jiān)控攝像頭內(nèi)置存儲卡，存儲本地視頻，同時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接和帶寬設(shè)置好視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹剖胶头直媛?，將視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心的視頻服務(wù)器。

泵站控制中，控室與泵站之間的連接采用運(yùn)營商的二層數(shù)據(jù)（SDH或MSTP）點(diǎn)對點(diǎn)專線進(jìn)行連接，通過將各個泵站泵井匯總至泵站控制中心，組成泵站自控監(jiān)控專用網(wǎng)絡(luò)。泵站控制中心集控端通過以太網(wǎng)通訊，與泵站現(xiàn)場自控設(shè)備連接。PLC控制器在把信號發(fā)送到本地服務(wù)器保存的同時，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程自控監(jiān)控平臺，本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程自控監(jiān)控平臺的各項(xiàng)數(shù)據(jù)都必須保持同步，操作人員通過監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程自控監(jiān)控平臺即可監(jiān)控泵站的運(yùn)行。

（二）系統(tǒng)集成方式

桂林排水遠(yuǎn)程泵站自控和監(jiān)控系統(tǒng)主要分為生產(chǎn)自控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩個部分，前者主要服務(wù)于泵站泵井的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、泵站設(shè)備運(yùn)行操作、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析；后者用于泵站泵井現(xiàn)場的安防及主要設(shè)備的視頻運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

由于歷史原因，桂林排水的各個泵站及泵井是分階段、分片區(qū)、分時段，由不同項(xiàng)目建設(shè)的，各個泵站的現(xiàn)場設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備、PLC等存在不同品牌、不同架構(gòu)、不同的控制方式，所以自控系統(tǒng)的集成和數(shù)據(jù)采集也必須根據(jù)實(shí)際情況分為不同方式。

后端集成：對于現(xiàn)場已具備一整套成熟PLC自控系統(tǒng)的泵站和泵井來說，一般廠商都提供相應(yīng)的開發(fā)說明文檔，可以直接根據(jù)現(xiàn)有的接口進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場設(shè)備控制操作。同時主流的視頻攝像頭廠商也都提供了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在視頻監(jiān)控方面也可以通過該方式進(jìn)行整合。

多端異構(gòu)集成：對于部分近期進(jìn)行改造，現(xiàn)場已具備組態(tài)軟件可以實(shí)現(xiàn)本地控制，但還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)文檔和源碼的泵站，需要采用多端異構(gòu)集成，使用中間件或是相應(yīng)的工具對現(xiàn)場組態(tài)軟件及數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取集成，并通過現(xiàn)場端組態(tài)軟件的開發(fā)和對接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自控和監(jiān)控。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)重構(gòu)開發(fā)：對于部分自控設(shè)備較老舊且不具備現(xiàn)場軟件控制的泵站，則需要根據(jù)桂林排水對泵站具體運(yùn)行管理的要求，提取業(yè)務(wù)邏輯，建立新的業(yè)務(wù)模型，并重構(gòu)開發(fā)整套前端現(xiàn)場軟件控制系統(tǒng)，對于部分采用不可寫PLC的泵站，甚至需要更換和重構(gòu)開發(fā)PLC程序，該部分泵站相當(dāng)于是重新開發(fā)一整套遠(yuǎn)程自控和監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

（三）系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)整體設(shè)計分為數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用支撐和業(yè)務(wù)功能五個層次，桂林排水泵站控制中心和各個泵站泵井之間，通過運(yùn)營商二層數(shù)據(jù)專線連接組成泵站自控網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)來源層:遠(yuǎn)程自控監(jiān)控系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源為泵站和泵井的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括液位、水泵和格柵的開關(guān)和運(yùn)行狀態(tài)、電壓電流等主要運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時需要新增安防攝像頭對現(xiàn)場的狀況進(jìn)行監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集層:現(xiàn)階段各泵站和泵井已經(jīng)具備現(xiàn)場PLC自控系統(tǒng)，泵站和泵井的各項(xiàng)運(yùn)行可直接通過PLC進(jìn)行現(xiàn)場各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，只需要開發(fā)PLC的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對接。

數(shù)據(jù)處理層:將泵站和泵井現(xiàn)場采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時將該數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)化，使之成為符合桂林排水?dāng)?shù)據(jù)規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，存放到工業(yè)控制數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，供數(shù)據(jù)分析使用[3]。

應(yīng)用支撐層:將現(xiàn)場采集處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析、實(shí)現(xiàn)頁面制作、指標(biāo)管理、GIS服務(wù)、報表服務(wù)等應(yīng)用支撐功能，為業(yè)務(wù)功能層的各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供支撐。

業(yè)務(wù)功能層:提供包括實(shí)時監(jiān)測、預(yù)警報警、視頻集成、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程控制、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)檢索、統(tǒng)計報表、性能分析、集中配置等功能。

（四）生產(chǎn)自控系統(tǒng)

通過泵站自控網(wǎng)絡(luò)將控制中心服務(wù)器與前端設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對各泵站、泵井的運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、標(biāo)準(zhǔn)化處理，并對運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控，為桂林排水泵站和泵井生產(chǎn)運(yùn)營管理的決策分析提供數(shù)據(jù)支撐，從不同維度提供數(shù)據(jù)分析結(jié)果和視圖，同時數(shù)據(jù)封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和開放。主要包含以下幾個部分：

（1）運(yùn)行監(jiān)視：通過操作終端、液晶顯示屏或大屏幕，能夠集中展示整套系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在城市地圖界面，實(shí)時顯示全市各個排水泵站泵井的位置、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程，動態(tài)地顯示各主要設(shè)備的狀態(tài)和現(xiàn)場主要設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)[4]，如各泵站每臺泵組運(yùn)行狀況、出水流量、格柵前后液位、泵站結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、電力參數(shù)、電量數(shù)據(jù)和事故報警等，用于全盤掌握泵站的生產(chǎn)運(yùn)行過程。

（2）操作界面：作為生產(chǎn)控制的主要手段，操作員界面僅允許進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視，控制調(diào)整參數(shù)設(shè)置之類操作，不允許修改或測試各種應(yīng)用程序軟件。操作員通過鍵盤或鼠標(biāo)選擇菜單，完成操作控制任務(wù)。操作之前，首先需要輸入賬戶密碼進(jìn)行用戶登入，登入后根據(jù)不同用戶的不同權(quán)限，調(diào)用相關(guān)的控制對象屏幕，然后選擇對象完成相應(yīng)操作。屏幕上的被控制對象應(yīng)有“顯示反應(yīng)和選擇無誤”的提示，操作者確定目標(biāo)后才可進(jìn)行相關(guān)操作。

（3）權(quán)限分級管理：在對系統(tǒng)進(jìn)行各種敏感操作，如設(shè)置參數(shù)調(diào)整、修改操作模式、設(shè)置操作參數(shù)、巡查時間、優(yōu)先級修改時，需要額外進(jìn)行相關(guān)權(quán)限操作的用戶驗(yàn)證，或是登入高權(quán)限用戶（如管理員）進(jìn)行修改。

（4）開發(fā)維護(hù)界面：基于整套系統(tǒng)面向泵站自控監(jiān)控平臺的管理員及開發(fā)人員的界面，包含整套系統(tǒng)的部署、啟動、系統(tǒng)備份恢復(fù)、日常管理維護(hù)等功能，可以通過該界面實(shí)時的監(jiān)控服務(wù)器等相關(guān)設(shè)備的軟硬件運(yùn)行情況、網(wǎng)絡(luò)通信情況進(jìn)行故障診斷操作。同時提供系統(tǒng)的GIS地圖，展示頁面的修改、圖形界面的開發(fā)修改，以及工業(yè)數(shù)據(jù)庫的修改、各種報表的生成編輯等功能，滿足后期用戶自定義調(diào)整的需要。

（5）數(shù)據(jù)采集設(shè)備及服務(wù)器：主要完成各類實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、生成與存儲。系統(tǒng)中的服務(wù)器必須支持雙機(jī)冗余，并且須保證冗余切換時間低于1s。冗余切換過程中應(yīng)保證實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)的完整。故障恢復(fù)后，故障期間的歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)應(yīng)能夠自動同步切換，不會丟失。系統(tǒng)應(yīng)能夠提供與分布于現(xiàn)場的設(shè)備（如RTU、PLC和DCS）通信服務(wù)的能力，與主流PLC、DCS通信，支持串口或者現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)[5]。

（五）視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自控后，除汛期及突發(fā)情況需要人員駐守外，在日常運(yùn)行時均設(shè)計為無人值守泵站，為實(shí)時監(jiān)控泵站運(yùn)行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)安防風(fēng)險及泵站設(shè)備故障等問題，本次設(shè)計的配套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對泵站各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)視并對泵站出現(xiàn)故障時，實(shí)施向管理人員發(fā)出報警，包含以下幾個部分：

（1）視頻監(jiān)控點(diǎn)：安裝于各泵站及泵井現(xiàn)場，針對關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行安防預(yù)警監(jiān)控和設(shè)備現(xiàn)狀監(jiān)控，采用日夜型星光級攝像頭不間斷的監(jiān)視現(xiàn)場狀況，每個攝像頭均使用TF卡進(jìn)行本地視頻存儲，同時通過交換機(jī)接入泵站自控網(wǎng)絡(luò)，將視頻數(shù)據(jù)傳輸至中控室的視頻服務(wù)器，進(jìn)行集中的存儲、分發(fā)。

（2）視頻存儲服務(wù)器：安裝于泵站自控中控室機(jī)房，將各個節(jié)點(diǎn)攝像頭的視頻集中匯總至視頻存儲服務(wù)器集中存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分發(fā)。

（3）視頻監(jiān)控客戶端：包含桌面集中視頻展示、視頻管理、視頻分析和移動端的實(shí)時視頻瀏覽，實(shí)現(xiàn)控制中心及遠(yuǎn)端行政管理人員對于泵站泵井現(xiàn)場狀況的監(jiān)控和管理。

四、結(jié)語

綜上所述，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的泵站自動化系統(tǒng)改造項(xiàng)目，采用工業(yè)傳感器、以太網(wǎng)、云服務(wù)器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對泵站和泵井的遠(yuǎn)程自控及視頻監(jiān)控，為在污水處理收集中一體化泵站的應(yīng)用及施工要點(diǎn)有了更深的了解，對今后污水處理工程中泵站及一體化泵站的控制提供了參考作用。