利用先進控制策略實現城市排污泵站遠程控制

姚 波

（威海市水務集團有限公司，山東 威海 264200）

1 引言

排污提升泵站是城市排污系統最主要的節點，也是城市水污染防治和城市排污防澇的骨干工程，擔負著收集城市生活和生產污水，并及時排放的任務，是保證城市正常運轉的生命線。伴隨著我國城市化的進程，城市中所產生的生活污水越來越多，水量變化越來越大，控制難度也越來越高；威海市作為一個半山區的城市，排污泵站特別多、且分散，原來長期需要人工手動操作，存在著占用大量人力資源、人為主觀操作、水泵運行負荷不均衡、設備運行數據缺陷、缺少生產調度管理平臺、無法平衡管網負荷分配，缺欠對管網過壓保護和泵站監控的管理手段。

為了提高城市污水排放自動化控制能力，同時提升生產控制、管理水平，威海市水務集團公司決定對現有污水泵站進行全方位的技術改造，要求技術起點高，經濟效益要明顯，爭取在2～3年內收回全部投資成本。項目于2007年初獲得世界銀行貸款批準起動建設，2007年10月完成，完成后的系統采用了先進的控制技術、結合模糊控制理論，并綜合GIS和專業模型的優勢，提供全面的生產數據管理和控制分析手段，實現了排污泵站運營監控的科學管理；該模式以無人值守的自控方式及時處理泵站可能出現的任何問題，同時采集泵站在線監測數據，利用VPN通信上傳到生產管理調度控制中心，進行遠程的控制、管理和分析、模擬，為排水泵站的控制、運行、維護提供動態可靠的專業數據依據，解決了原有排污泵站落后的人工運行方式，避免所出現的生產成本高、管理手段難、設備能耗大、生產效率低，生產數據缺等問題。

2 設計原則

排污泵站遠程監控中對每個泵站控制策略的編程設計是整個系統的核心基礎，同時也要兼顧泵站本身作為城市排污管網重要節點在運行過程中對管道網絡和下游泵站的負荷沖擊，因此我們開發了一套針對城市排污泵站的信息管理平臺（Infowater），把“城市排污泵站遠程控制功能”與“數據管理分析功能”融合在一體形成城市排污泵站控制的綜合化信息管理平臺。完備的信息管理平臺包含泵站在線監控系統、硬件支撐平臺和數據處理及分析體系，其核心是先進的自動化控制系統，它的先進程度是由每個泵站控制的實時性、穩定性和先進性決定的，我們在設計和開發過程中充分利用模糊控制和虛擬編程技術，既考慮泵站控制的多樣性和復雜性，又兼顧控制系統的穩定性；建立了生產數據的集成和管理、綜合數據的分析和查詢等專業的排水系統控制模型。在操作方面，具備便捷的數據編輯和維護能力、流程化應用與系統分析功能；信息管理平臺（Infowater）具備普適性，能夠為排水泵站監控、管理、模擬、和分析提供可擴展伸縮的、可嵌入流程的、可靈活建設的高效解決方案；做到運用先進的控制理論、科學的通信管理、全面的數據分析，對城市污水泵站進行遠程無人值守化控制，為遠程監控管理提供各種生產管理手段，為各相關生產部門提供多專業、多層次、多目標的綜合生產信息管理服務，實現城市排污泵站基于數據綜合管理平臺的監控管理。

3 系統結構設計

威海城市排污泵站采用分布式計算機控制系統，泵站控制以分散控制、集中管理的方式進行設計。軟件設計采用分層結構，分別是：基礎控制平臺層、通信應用調度層、系統數據管理層和生產質量分析層，其中基礎控制層軟件是整個系統的基礎和關鍵，如圖1所示。

3.1 控制功能軟件

控制功能軟件是現場控制器的主程序，實現泵站無人職守下的全部控制功能，包含程序初始化、遠程遙控、參數修改、水位自控、設備運行及事故應急等多種功能，其特點是集數據采集、通信、遙控、自控于一體，完成各種參數的自動巡回檢測，進行數據整理、運算、存儲、輸出、報警，與遠程控制中心通過VPN通信方式構成廣域通信網，實現遠程通信和控制。

圖1 軟件數據框架圖

（1）采集泵站數據：壓力、水位、水位差、流量等。

（2）控制泵站設備：水泵運行、電動閘閥動作、格柵啟停等。

（3）水泵運行管理：根據水位變化和設備狀態，結合設備運行時間，自動調整水泵運行順序。

（4）實時通信校正：解釋、執行中控室的遙控指令。

（5）故障應急處理：對故障源定位、報警和處理。

（6）模糊控制判斷：根據不同水位區域，結合水位變化率，準確判斷水泵投運數量。

3.2 分布式實時數據庫

采用Realinfo分布式數據庫，其具有友好性、易學性、定制開發簡單、功能多的特點，數據通信故障時，下層數據源能夠對斷線期間的數據進行緩存，并能自動恢復到上層服務器，保證歷史數據的完整性和一致性，其主要特性有：

（1）多種數據采集手段，實現企業級數據匯總。

（2）數據時間標記，保證數據的安全性和完整性。

（3）統計計算方法，能及時、直觀地了解運行情況。

（4）提供了多種數據處理手段，滿足大多數的需要。

（5）分析工具有助于管理者作出正確的決策。

（6）高效數據連接，實現控制與管理的數據共享。

（7）網絡發布功能，及時監控生產。

3.3 HM I監控軟件

采用自由組合繪圖處理技術，通過腳本可以在畫面中添加新的圖元、替換圖元、替換圖元中引用的變量，因此可以根據實際情況因地制宜的生成畫面，特別適合于用戶日后的維護和修改，如圖2所示標準趨勢框圖可以由用戶自由組合趨勢曲線，方便對比和查詢；報表中的多種數據處理手段，滿足大多數的需要，并且提供大量的分析工具，如事故追憶、質量分析等，有助于管理者作出正確的決策。

圖2 監控畫面瀏覽

3.4 安防監控軟件

安裝設置紅外對射報警和視頻監控裝置，達到防盜的要求，通過VPN通信接入監控中心數字化圖像監控工作站，進行報警顯示、記錄和錄像，監視污水泵站設備安全和水位實況。

4 模糊控制應用

排污泵站水泵優化控制方面采用了先進的模糊控制方法，如圖3所示。在根據集水池水位對水泵進行常規控制的同時，這里充分考慮了區域水位波動可能對水泵起動產生的干擾，以及上游泵站和管網進水量變化對水泵運行造成的影響，把一些常規的經驗策略判斷融合到控制程序中，使泵站的自動化化控制即考慮到泵站本身運行的穩定性，又兼顧其在整個城市污水排放系統中的平衡作用。

泵站的傳統控制只考慮了液位的隨機變化，沒有考慮液位的變化速率，如果泵站集水池體積不是很大，容易造成水泵的頻繁起停和水位波動。采用計算機控制技術和先進液位檢測儀表，可以非常簡便地得到液位差和液位變化率，并通過引入模糊控制方法，利用液位變化率，實現PD控制結構，能明顯提高泵站對進水量變化的真實響應能力。

本項目在編程過程中結合有關經驗和現場實際，對排污泵站進行了模糊控制方法實施，采用三個模糊變量：液位差（E），液位變化率（EC），起動泵臺數（U）其中E和EC為輸入模糊變量，U為輸出模糊變量。模糊控制器由PLC編程實現，是一種非線性的PD控制方式。

圖3 模糊控制框圖

將物理參數轉換成模糊變量的過程稱為模糊化，即在“成員功能單元”幫助下進行，將高、低之類的術語準確地與某一特定值相對應。

例如：泵站水位的液位差和變化率分別取NB、NS、ZR、PS、PB五個值，對應著很低、低、優、高、很高。

分為5檔7級，即｛3，-2，-1，0，+l，+2，+3｝。

在各變量函數選擇時，我們參考威海市原有泵站情況和經驗，結合實際控制要求，對液位變化率和控制變量采用三角函數形式。在選擇變量的隸屬度時，進行了大量的現場調查，首先對系統進行計算機模擬，在保證生產正常進行的情況下，進行在線調試，最后確定了較合理的經驗策略。

根據每個泵站現場具體工作情況，確定每個泵站的集水井液位變化范圍在L1（m）到L2（m）之間，液位基準值L，液位差的變化范圍控制在（-1m，+1m）之間，通過以下公式可以得到液位與液位差E論域元素之間的變換關系：

注：X為液位值測量值，Y為量化級數

排污泵站的液位變化率可以通過計算獲得，依據集水井最大進水量為 m萬立方/天，允許最多起動水泵工作臺數的最大提升流量為 m立方/小時等數據，根據集水井容積V，計算出單位時間的最大液位變化率，可以得到液位變化率的量化關，如圖4所示。

圖4 模糊控制框圖

通過模糊計算，控制單元將輸入的變量同受控變量聯系起來，形成“推理”，在受控變量眾多的結果中總結各自的適用范圍，稱為“合成”；將得到規則的各自模糊關系進行合并運算，得到總的控制表。最后，將模糊形式確定的受控變量變回數量值進行去模糊，得到最終控制結果。

因此在模糊控制中，不存在語句必須是真或假的基本規則，克服了二進制邏輯固定限量的弊端。把水位測量值和水位實際上、下變化率計算結合起來，避免水泵頻繁啟停，提高了設備的壽命和系統的穩定；所以把“經驗策略”通過軟件設計應用到泵站控制的實際工程上，能使控制系統變得更“聰明”。

5 虛擬編程技術

在泵站水泵運行順序控制方面我們設計的思想是當一臺泵起動時，真對本次運行時間進行計時，同時將其加到累計運行時間上，并按每個泵的累計運行時間進行排序，按排序結果置相應的起動序號。當系統根據模糊控制器的輸出判定需要起動泵時，程序檢測相應的起動序號，按起動序號起動相應的水泵，停止序號的設定在起動時也同時完成的，即起動每一臺泵時，按順序也同時設定其停止序號，以保證先啟的泵先停，后啟的泵后停，避免一臺或數臺水泵長期工作，其他水泵閑置的情況；因此，當出現某一臺泵故障時，自動控制程序會跳過該泵而正常運行控制，增強了自動程序的故障處理能力。

由于控制器CPU的局限性，在進行復雜控制時對控制器資源要求很大，會造成CPU不必要的負擔，為此我們在編程過程中把程序虛擬化，只考慮出現的情況，不進行全部設備優化；例如：在排序過程中如果某個水泵出現故障或現場手動而不參加自動控制排序，控制程序編程中不進行重新排列而出現多種組合，而是用A、B、C、…、虛擬水泵號代替1#、2#、3#、…、實際水泵，如圖5所示。水泵序列號和程序控制號自動調用對應，有幾個泵運行就直接調用其所對應的虛擬程序，這樣就大大降低了程序編程量和CPU占有量。

圖5 虛擬編程技術

所以通過上述的編程方式即利用PLC完成了復雜控制，又能大大減少對系統資源的占用，從而保證控制系統的穩定性，圖6給出了整個泵站的邏輯控制圖。

圖6 程序控制框圖

6 結論

威海市利用世界銀行貸款建設的排污泵站遠程監控系統運行以來，泵站管理人員在中央控制中心遠程監控各個泵站的運行，記錄/匯總泵站中各種設備/工藝的數據，并進行有效的管理；泵站實現了“無人值守”，改善了生產條件，減輕了勞動強度，實現了泵站管理的先進性、安全性和高效性；通過數學建模，建立排污泵站群生產運行的最優化模型，進一步降低泵站生產能耗，完全符合威海水務集團預期的要求。

[1] 龐文堯.計算機控制技術[M].杭州:浙江大學出版社,2008, 12.

[2] Fuzzy control.Robert Babuska and Ebrahim Mamdani(2008), Scholarpedia, 3(2):2103.