無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

戴萬波

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

城市的污水處理泵站、雨水泵站、工業(yè)園區(qū)的排水泵站，是市政建設和管理工程的主要設施，肩負著城市日常污水排放、處理及防汛排澇的重要任務[1]。然而，目前城市各泵站往往地處偏僻且分散，設備的自動化程度較低，需配備值守人員24 小時輪流值班來負責泵站日常的運行及維護工作，并且污水泵站時常散發(fā)的有毒有害氣體危害著值守人員的健康。各泵站的控制和管理沒有形成網(wǎng)絡化、智能化[2]，不利于城管局對轄區(qū)內所有泵站的全面管理和維護。

隨著通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展，城市智慧化建設穩(wěn)步推進，建立無人值守的智能泵站管控系統(tǒng)勢在必行。因此，該文融合了GIS 地理信息、4G 通信、智能儀表、視頻監(jiān)控、門禁安防、自動化控制等多種技術，研究設計了一套基于ARM 和PLC的無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)城市泵站的遠程實時監(jiān)控、智能預警及高效管理，并可通過與氣象、管網(wǎng)、路面積水等數(shù)據(jù)的融合分析，實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)的全方位監(jiān)控和全局化調度管理[3]。該系統(tǒng)的實現(xiàn)對提升城市智慧化建設、服務民生和改善經濟具有重要的意義。

1 泵站無人值守系統(tǒng)總體設計

城市泵站無人值守監(jiān)控系統(tǒng)由遠程集控主站和分布在各處的泵站監(jiān)控分站組成。系統(tǒng)的總體結構圖如圖1 所示，實現(xiàn)對泵站設備完善的測量、保護、監(jiān)控和管理功能。

圖1 無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖

泵站監(jiān)控分站主要由水泵機組、電磁閥組、供配電設備、控制柜、變送器、流量傳感器、液位傳感器、氣體傳感器、溫濕度傳感器、視頻監(jiān)控設備、門禁監(jiān)控設備等組成，完成對泵站運行、周圍環(huán)境、出入管理的監(jiān)控，并通過無線4G 網(wǎng)絡與遠程監(jiān)控主站進行實時數(shù)據(jù)交互。

遠程集控主站由主備監(jiān)控機、交換機、Web 服務器、GIS 服務器、硬盤錄像機、短信發(fā)送模塊等組成，對采集的各泵站監(jiān)控分站數(shù)據(jù)進行解析、處理，實現(xiàn)以下主要功能[4]：

1）在線監(jiān)測：實時監(jiān)測各泵站設備的狀態(tài)、控制方式、電壓、電流等設備參數(shù)，監(jiān)測管道流量、水池液位、氣體濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，與管網(wǎng)、內澇給水監(jiān)測系統(tǒng)在線融合。

2）遠程控制：手動或按邏輯自動控制水泵組的啟停和電動閥組的開閉等。

3）顯示分析：GIS 地圖顯示，實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的報表、曲線顯示及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

4）事故報警：設備故障、數(shù)據(jù)超限、非法闖入、通信異常等異常狀況的實時與歷史報警。

5）安防管理：門禁和視頻監(jiān)控設備相互聯(lián)動，完成對人員出入的管理及非法入侵的監(jiān)視。

2 泵站監(jiān)控分站設計

泵站監(jiān)控分站是無人值守系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎和核心，監(jiān)控分站的設計包括分站控制柜的設計、智能傳感器的設計和安防輔助設備的設計，監(jiān)控分站的總體結構圖如圖2 所示。

圖2 分站硬件設計總體結構圖

2.1 分站控制柜的設計

監(jiān)控分站控制柜以PLC 和ARM 為設計核心，PLC 設備部分根據(jù)泵站工藝來實現(xiàn)水泵組現(xiàn)場控制，采用SIEMENS S7-1200 系列1212C 作為主控制器，模塊化結構設計，具備高可靠性以及優(yōu)良的可擴展性和集成性，方便泵站日后的規(guī)模升級[4]。

PLC 實時采集水池液位、管道流量、水泵機組電壓電流、運行狀態(tài)、故障反饋等現(xiàn)場信號。對采集的數(shù)據(jù)解析處理，采用均衡運行的控制算法[5]，實現(xiàn)泵組之間的智能投退，PLC 根據(jù)當前設定的控制模式及液位、流量值自動控制泵組的啟停及投入運行臺數(shù)，累計各泵的運行時間[6]，在投入泵時，優(yōu)先啟動累計運行時間最短的泵，在減少泵時，優(yōu)先停止累計運行時間最長的泵，實現(xiàn)各泵運行時間均衡，減少泵組故障率，延長設備壽命[7]。PLC 通過485 總線與ARM設備通信，通過ARM 設備上的無線4G 模塊實現(xiàn)與遠程監(jiān)控主站通信，上傳采集信息及接收下發(fā)的配置、控制泵組命令。

ARM 部分完成環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)采集、實現(xiàn)與PLC 設備、與監(jiān)控主站的實時通信、UPS 的電源管理以及本地的液晶顯示，以ARM 處理器STM32F107VC為核心，內置CAN 控制器，以太網(wǎng)控制器，通過CAN總線采集總線上的甲烷、氨氣、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度、煙霧傳感器的數(shù)據(jù)。通過2 路485 總線，1路與液晶彩屏通信，實現(xiàn)設備信息的本地顯示，另1路與UPS 電源箱通信，采集電池信息、遠程充放電試驗。通過以太網(wǎng)接入無線4G 模塊，上傳采集的所有數(shù)據(jù)。圖3 為ARM 部分的CAN 總線電路。

圖3 CAN總線電路圖

采用CTM8251AT 作為CAN 總線的驅動隔離器，完成ARM 邏輯電平到CAN 總線上差分電平的轉換。C55、C56為1 000 pF 的 電 容，并 聯(lián) 在CAN_H 和CAN_L 與地之間，用以濾除總線上的高頻干擾。在CAN 總線與地之間以及CAN_H 和CAN_L 之間采用雙向TVS 管，抑制浪涌干擾[8]，L1、L2為共模電感，用以防止脈沖群的干擾。采用CAN 總線的形式與傳感器進行通信傳輸，多個傳感器共用一條線纜，降低了布線成本和日后的維護工作量。

2.2 智能傳感器設計

智能傳感器是泵站監(jiān)控分站的重要組成部分，分為監(jiān)測污水泵池散發(fā)有毒有害氣體的甲烷、氨氣、硫化氫、一氧化碳傳感器，監(jiān)測泵房內環(huán)境的溫度、濕度、煙霧傳感器，與水泵控制相關的超聲波液位、管道流量傳感器。

該文以一氧化碳傳感器的設計為例說明，一氧化碳傳感器由一氧化碳敏感元件、放大電路、ARM及其外圍電路芯片構成的信息處理單元、信號輸出電路、聲光報警器件及驅動電路、顯示器及穩(wěn)壓電路等部分組成，傳感器總體電路結構如圖4 所示。

圖4 傳感器總體電路結構圖

傳感器以ARM LPC2119 為核心，內置CAN 控制器，在程序及硬件電路上都對抗干擾處理做了優(yōu)化。一氧化碳氣體擴散進入電化學一氧化碳敏感元件，在催化電極(陽極)上產生電化學氧化反應[9]，一氧化碳被氧化成二氧化碳，同時陽極給出電子，在陽極、陰極和電解質之間形成離子導電，外電路負載上通過的電流與一氧化碳濃度成正比。所產生的電壓信號經高精度運算放大器放大及阻抗變換處理進入A/D 轉換器[10]。A/D 轉換器ADS7822 是12 位 串行高精度轉換電路，通過ARM 編程將模擬信號轉換為數(shù)字信號交由ARM 處理，處理后驅動數(shù)碼管驅動芯片ZLG7289A，由數(shù)碼管顯示一氧化碳濃度數(shù)值和傳感器的地址，并驅動CTM8251AT 實現(xiàn)與控制柜的CAN總線通信，傳感器數(shù)值超過設定值時，啟動聲光報警。圖5 為ZLG7289A 驅動的數(shù)碼管顯示電路，ARM與其SPI 通信。

圖5 傳感器數(shù)碼管顯示電路

2.3 安防輔助設備設計

安防輔助設備基于成熟穩(wěn)定的門禁控制、視頻監(jiān)控產品來實現(xiàn)。門禁子系統(tǒng)、視頻子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進入控制柜，實現(xiàn)對大門、出入口、內部主要道路、關鍵設備實施管理和控制，對人員出入、設備故障時的視頻聯(lián)動和跟蹤。

門禁設備實現(xiàn)對進出泵站人員的有效管理，實現(xiàn)對人員的身份、進出時間、泵站內活動狀況的監(jiān)視和記錄。門禁管理系統(tǒng)由門、門禁控制器、電磁鎖、讀卡器、寫卡器、門卡、開門按鈕組成。系統(tǒng)通過門控分站判斷讀卡器和開門按鈕的準入信號來控制電磁鎖的吸合，通過無線4G 模塊與監(jiān)控主站通信，實現(xiàn)監(jiān)控信息上傳及遠程開門[11]。通過發(fā)放不同權限的門卡保證泵站的安全性和靈活性。圖6 為門禁設備結構圖。

圖6 門禁設備結構圖

視頻監(jiān)控設備采用海康云臺攝像機，云臺可360°連續(xù)旋轉，具有Smart 事件偵測功能，對泵站內主要設備、環(huán)境、人員等實時監(jiān)視并保存泵站內畫面，實現(xiàn)遠程管理及事后核查。通過設置云臺攝像機的預置位的方法實現(xiàn)設備故障、人員進入時的視頻聯(lián)動[12]。預先調整云臺攝像機的角度、焦距，對準到各設備的合適位置，保存調整后的位置、焦距等參數(shù)，設置成相應的預置點位，當監(jiān)控主站監(jiān)測到泵站設備故障時，便控制相對應的云臺攝像機轉到該設備對應的預置位上，推送視頻畫面。

3 地面主控平臺設計

遠程集控主站設計以GIS 為平臺，泵站在線監(jiān)控和視頻監(jiān)控，門禁控制、綜合分析與處理等功能在GIS 平臺上表征[13]。系統(tǒng)采用C/S 與B/S 相結合的模式，地理信息平臺采用ArcGIS，建模設計采用ROSE2017，建立河流、建筑等基礎圖，建立管網(wǎng)、泵站等專業(yè)圖及相關屬性[14]。

數(shù)據(jù)庫采用Oracle，數(shù)據(jù)庫對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)進行管理和存儲[15]。

如圖7 所示，平臺統(tǒng)計了雨水、污水兩種排水管線的分布、屬性、材質、埋深、高程、利用率等管網(wǎng)屬性，在地圖上以圖層形式進行綜合顯示。

圖7 GIS平臺雨水、污水管網(wǎng)屬性圖

如圖8 為在GIS 平臺上查詢的化工園雨水泵站水泵組的歷史流量數(shù)據(jù)。

圖8 泵站歷史流量數(shù)據(jù)查詢界面

系統(tǒng)軟件架構圖如圖9 所示，通過對采集的各泵站分站數(shù)據(jù)的解析處理，實時更新數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控平臺軟件主要完成以下功能：實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、調度管理、報警、GIS 管理、視頻監(jiān)控、門禁管理、Web 發(fā)布。

圖9 遠程集控主站軟件架構圖

通過GIS基礎地理信息平臺的應用，能夠直觀、清晰地展現(xiàn)轄區(qū)內污水雨水管線、泵站、污水井現(xiàn)狀分布，實現(xiàn)與水質、內澇、雨量監(jiān)測等多系統(tǒng)融合，有助于對整個轄區(qū)管網(wǎng)排水方案的宏觀調度和決策[16]。

4 系統(tǒng)實驗

無人值守城市泵站監(jiān)控系統(tǒng)在沈陽鐵西經濟技術開發(fā)區(qū)的17 座污水雨水泵站，完成了安裝調試并進行了系統(tǒng)性能實驗。

如圖10 所示為集成雨量、管網(wǎng)等系統(tǒng)為一體的綜合泵站監(jiān)控系統(tǒng)主界面。以一個系統(tǒng)平臺整合眾多功能，更清晰直觀地獲取實時數(shù)據(jù)，更智慧地分析管理[17]。

圖10 泵站綜合監(jiān)控系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)以ArcGIS 地理信息系統(tǒng)為基礎，直觀地顯示各泵站液位、泵組狀態(tài)、泵站位置、毒氣情況等相關數(shù)據(jù)，方便對鐵西經濟開發(fā)區(qū)內所有泵站的管理。如圖11 為所有泵站的狀態(tài)界面圖，驗證了系統(tǒng)的監(jiān)控功能。

圖11 泵站狀態(tài)界面圖

從GIS 地圖上可清晰地顯示開發(fā)區(qū)內各泵站的分布位置，可聯(lián)動管網(wǎng)系統(tǒng)，進行二維、三維模式切換，顯示出泵站間的污水雨水管路，當管路中有液體流動時，可高亮顯示管道及其流向，圖12 為三維管網(wǎng)界面，高亮顯示雨水管道的流向，驗證了系統(tǒng)的聯(lián)動融合功能。

圖12 三維管網(wǎng)界面

視頻監(jiān)控界面如圖13 所示，監(jiān)控泵房內外的情況，設備故障或有人出入時，云臺攝像機接收監(jiān)控主站下發(fā)的轉動命令，移動到事先設好的預置位上并自動調焦，右邊是云臺攝像機的操作欄，可手動實現(xiàn)云臺、焦距的二次調整，驗證了視頻監(jiān)控的功能。

圖13 視頻監(jiān)控界面

5 結論

該文融合GIS 地理信息、4G 無線通信、智能儀表、視頻監(jiān)控、自動化控制等多種技術，提出了一套城市泵站無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)方案，該系統(tǒng)經實際應用，取代了原城市泵站24 小時輪值的人工看守模式，避免了污水泵站有毒有害氣體對值守人員健康的危害，多系統(tǒng)多技術的融合提升了城市泵站運維的智能性和可靠性，節(jié)省了大量的人力、物力、財力，提高了對泵站的管理效率，真正實現(xiàn)了城市泵站的無人化、網(wǎng)絡化、信息化管理。泵站無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的應用，符合智慧城市的發(fā)展大方向，是智慧城市綜合管控平臺的一個有力補充。