城市給排水泵站遠程集中監控系統的研究與設計

摘 要：污水泵站分布在城市的各個范圍內，主要用于去除重力流帶來的大量廢棄物，同時提升水位向鄰近污水處理廠送水。但是，隨著自動控制的迅速發展，傳統管理模式下的泵站管理其傳送速度慢、效率低，成本高等問題日益突出，已經越來越不適應城市發展的要求。因此，建立城市給排水泵站遠程集中監控系統對泵站提高管理質量和運行效率，具有現實意義。

結合泵站實際，采用集中管理及分布式控制的方案，解決泵站集中管理和分布式現場控制、數據同步和一致性問題，建立城市化給排水泵站遠程集中監控系統，實現數據的實時采集和發送接收同步的手動控制和自動控制的完美銜接，提高泵站的運行效率和自動化水平。

1 引 言

給排水污水泵站是污水處理廠的配套建設項目，分布在城市的各個范圍內，主要用于去除重力流帶來的大量廢棄物，同時提升水位向鄰近污水處理廠送水。但是，隨著自動控制的迅速發展，時代的日益進步，傳統管理模式下的泵站管理其傳送速度慢、效率低，成本高等問題日益突出，傳統模式管理方式越來越已經越來越不適應城市發展的要求。因此，建立起城市泵站遠程控制系統對泵站提高管理質量和運行效率，具有現實意義。

2 系統設計

2.1 現場泵站運作工藝流程

城市污水泵站的作用主要用于攔截廢棄物及提升水位運送至污水處理廠，其工藝流程見圖1。

現場泵站運行的主要控制設備為格柵機和潛水泵。工作人員在現場泵站主要負責采集格柵機及潛水泵的運行數據，如污水液位、流量，機器運行電流等，并負責對泵站設備進行自動化控制。

計算技術與自動化2011年9月

第30卷第3期陳艷云等：城市給排水泵站遠程集中監控系統的研究與設計

2.2 遠程監控系統處理流程

在遠程控制系統上，設計有泵站現場控制層、數據采集和反饋控制層及上位機控制層。

1）泵站現場控制層。工作人員可以根據現場實際情況通過監控電腦向PLC控制器發出指令，對設備進行直接操作，如設備啟停；當一臺設備運行時間過長，可以手動切換，在設備出現故障，需要維修時或是遇到緊急情況時使用。

2）數據采集和反饋控制層。數據采集和反饋控制系統由PLC、執行器及相關數據采集單元和繼電開關控制單元組成，數據分析、顯示系統由工控機、流量計、泵機電流檢測器等組成，它們通過傳感器或測量裝置等完成對工藝、電器數據的采集以及設備控制。

3）中央控制層。中央控制層屬于上位機控制，建設一個中心監測控制中心，通過服務器監控各個現場泵站設備的運行情況、調度和控制泵站設備的運行。中控室內可以設置有投影儀，工作人員可以通過工控機或在投影屏幕上實時監控數據系統及泵站現場，以便及時掌握現場情況。

2.3 系統結構設計

整個系統結構由中央控制層和泵站現場控制層組成，并通過管理中心控制室互聯，如圖3所示。

管理中心控制室，里面設置有數據服務器、視頻服務器，工控機及交換機等設備。管理中心控制室通過交換機作為核心交換機構建中心控制室局域網，并與現場泵站相連接。泵站的網絡采用交換機將工控機和視頻監控系統連接起來。

現場泵站主要設備由潛水泵、PLC控制柜、攝像頭及工控機組成。通過交換機將工控機和視頻監控系統連接起來。另一個端口通過專線連接到泵站管理中心控制室，組成泵站監控系統專網。

3 泵站現場控制

從邏輯結構來看，泵站現場控制主要PLC控制器、執行器、控制器及傳感器組成，如圖4。執行器主要由閥門、變頻器等構成，控制器主要可以用來控制液位及水泵的開停等。

現場泵站監控電腦工控機通過RS232串口與PLC通信；流量計與PLC的A/D轉換口相連，通過A/D轉換獲得流量數據；控制信號在工控機中轉換為符合IP協議網絡數據包，而現場視頻信號在硬盤錄像機也轉換為符合IP協議網絡數據包然后再通過路由器上傳中央控制層。

4 軟件設計

4.1 控制軟件流程

由于泵站的運行必須24小時不間斷、低故障運行，所以泵站控制中心具有監測和控制最高優先級，泵站也可以在現場進行監測和控制，手動控制比自動控制擁有更高優先級。泵站現場保持對監測、控制數據的存儲和管理，通過數據同步協議實現現場數據與控制中心數據庫的數據一致，實現分布式存儲和管理。控制軟件工作流程如圖5。

* PLC控制程序：燒錄在PLC的存儲芯片上，控制PLC的I/O特性和操作性能，響應PLC通訊模塊對PLC設備的控制和操作指令。

* PLC通訊模塊（PCL）：通過RS-232-C協議與現場PLC進行I/O通訊。包括讀取PLC各個I/O的數據、向PLC的指定端口地址寫入數據，控制PLC的操作特性等。

* 設備抽象層(DAL)：將具體的計算機外設抽象為具體的軟件操作對象。該設備抽象層實現了對底層設備操作的封裝，上層應用程序無需考慮與設備交互的時序、I／0控制、地址編碼、寄存器操作等低級問題，而只需操作經過封裝的軟件對象，設備抽象層會完成與具體設備交互的所有問題。

* 采集和控制數據對象模型(DOM)：該數據對象模型的設計為本地數據存儲、管理及遠程數據操作提供了便利。由于從設備抽象層出來的數據多為計算機軟件“元數據”，受不同平臺和編譯系統的影響，直接對其進行操作是有一定風險的，同時也不利于遠程數據的操作。該模型與“XML數據描述”，結合構成了與平臺無關的、開放的數據描述結構，為更高級的應用及遠程控制操作提供了便利。

* XML數據描述：嚴格的說這并不是一個軟件模塊，而是用可標記擴展語言（XML）描述的軟件數據結構，由于可標記擴展語言（XML）作為一種開放的數據描述語言，已經被越來越多的廣泛應用。因此，由它所描述的數據結構是可以為大多數系統所識別的，從而為多系統的集成和分布式遠程管理提供了便利。

* 數據對象操作層(DPM)：實現各種業務邏輯和控制操作。

* 組態軟件控件：將數據和示例模型顯示的軟件對象。

* 網絡通訊模塊：實現網絡通訊的模塊。

* 遠程操作接口(Web Services實現)：該接口是實現遠程操作和控制的接口。

控制中心通過該接口可直接操作“數據對象操作層”，從而實現對現場的監測與控制。同時，由于操作的是“數據對象操作層”，由上圖的結構可以看出，當遠程控制中心對現場進行控制操作時，也會體現在現場控制軟件的操作界面上，從而實現“操作一顯示“的同步。

4.2 軟件功能

泵站現場控制系統軟件應該具有良好的人機對話界面和中文支持能外，還具備系統權限及用戶管理、實時顯示、設備管理與控制、信息查詢和統計、故障報警與記錄和現場數據維護等。

5 系統測試

將各種設備的電源按照要求連接好后，啟動“現場監控電腦工控機，進入現場監控軟件。選擇任一泵站，進入現場泵站監控主界面。點擊參數設定菜單，選擇“參數設定”，出現參數設定界面。設置泵連續運行時間為480分鐘，當某臺泵運行到滿時間，系統自動停止該泵的運行，啟動另一臺泵。設置一臺泵開液位為2.5米，當液位到達該值的時候，系統開一臺泵；設置兩臺泵開液位為3米，當液位到達該值的時候，系統開兩臺泵；三臺泵開液位3.5米，如圖：水泵運行結果如圖所示。

水泵運行結果如圖8所示，可以看出系統運行幾乎都按照設定的數據運行，即在規定的液位啟停水泵，當運行上限時間到達后，水泵自行換另一臺水泵繼續運行，符合預訂目標。

6 結束語

本文結合實際，采用集中管理及分布式控制的方案，解決了泵站集中管理和分布式現場控制、數據同步和一致性問題，建立了城市化給排水泵站遠程集中監控系統，實現了數據的實時采集和發送接收同步的手動控制和自動控制的完美銜接，提高了泵站的運行效率和自動化水平。

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