桂林排水基于以太網的遠程自動化研究

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的重要設施，也是城市排水系統中的一個重要組成部分，目前污水提升泵站主要分為傳統的鋼筋混凝土結構泵站和新興的一體化預制泵站。桂林市原有大多數雨污水泵站都為傳統泵站，而在桂林市漓江城市段排污綜合治理項目建設中，引進使用了由特種材料制成的污水處理一體化泵站，代替了傳統的混凝土泵站，作為片區污水提升泵站使用。

一、項目概況及存在問題

桂林市排水工程管理處于2008年建立了泵站遠程自控與監控系統，將當時排水管理的16個泵站通過自控改造并接入泵站管理所中控中心，實現了遠程自動自動化控制和管理，至今已連續運行了13年。

為完善城市基礎設施，進一步提高污水收集率，加快實施雨污分流，改善城區水體的水質，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現，一體化泵站雖然集成度較高，使用維護也相對方便，現有的自動化控制雖然已滿足了一體化泵井日常運行的需求，但由于一體化泵站所處位置分散，部分位置較為偏遠，對于泵站現場的設備運行情況、詳細的運行參數、現場周邊的安全狀況等都還不能夠完整的掌握，出現故障后無法診斷是設備故障還是現場設施被盜，也無法直觀的控制和分析泵站的運行狀況。

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程自控系統，急需對現有平臺進行整體改造，將所有的泵站和一體化泵井設施接入遠程自控。

（一）自控和管理問題

一體化泵站的自控系統雖然具備本地運行和遠端短信告警的功能，但無法實現集中化的運行管理，也無法通過遠端修改泵站現場的運行參數，需要根據泵站狀況進行相應業務調整，需要到現場進行操作[1]。

（二）數據分析和調度問題

泵站現場的各項運行數據，如水泵及格柵的實時電壓、電流、功耗、液位、開機臺時等，各個泵站都是各自孤立的，未統一接入控制中心，無法做到對各個泵站進行實時的數據監控及分析，對需要根據泵站實時狀態進行判斷的故障診斷、運營調度、設備巡檢等工作造成了不便。

（三）現場設施的安全問題

部分一體化泵站處于未城鎮化覆蓋的區域，由于設施位處偏遠，周邊治安設施覆蓋不完善，出現非法入侵、偷盜等現象時無法及時發現，在泵站運行故障后，無法在第一時間判別是設備故障還是偷盜遺失損壞，也需要增設安防攝像頭并接入統一控制中心進行監控。

二、遠程自控監控系統對于一體化泵站的重要性

（一）提高運行效率

由于現有的一體化泵站都是預制泵站，泵站的運行控制及配套系統也都是相應廠商配套開發的，所提供的監控數據、運行控制和數據分析功能無法滿足遠程化集中化的管理需要，自控系統還存在一定的局限性，需要通過遠程自控改造后，才可以更加全面的掌握泵站現場設施運行的狀況，才能夠及時根據泵站運行的情況來實時優化調整運行參數，提高運行效率，為泵站的穩定運行打下基礎。

（二）提高運行安全

自控技術是根據預設的參數，指導設備按照相應指令來嚴格運行的，避免了手工操作而造成的設備運行風險，是保證泵站安全運行的基礎。此外泵站使用自控技術后，即使發生斷電故障，也能夠在市電恢復后及時自動恢復運行，通過遠程自控監控對泵站現場設備運行的各項參數進行實時監控、診斷和分析，使得管理人員能夠更好地掌控泵站的各項指標，對現場進行視頻布防和實時監聽，也是保障泵站設施安全的關鍵因素。

（三）提高維護檢修效率

泵站泵井在運行過程中出現設備問題時，不能及時的診斷現場情況，而依靠故障后進行現場人工故障檢測，影響故障恢復的時間；將檢測和傳感器技術進行合理應用，通過實時檢測和傳感器技術就能及時地監控設備的運行狀況，在出現問題的時候能更準確地判斷故障設備，及時采取相應解決措施，確保泵站能夠盡快地恢復工作。在泵站泵井的運行過程中，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，聯動相關監控攝像頭進行人工判斷，并安排清渣和維護工作，通過各種傳感器對泵站泵井運行時可能發生的故障情況進行預測，以提高維護和維修的工作效率。

三、污水泵站自動化系統改造

（一）網絡結構

泵站遠程自動化控制由現場控制層和中心集控系統組成。

現場控制設備需采集液位計、流量計、水泵格柵運行狀態、電器儀表信號等數據，經PLC控制器處理后發送到設備端，完成潛水泵、電動閥門等設備的運行控制。現場變頻器、軟啟動器、低壓柜智能開關、電力網絡儀表、變壓器、溫控器、UPS等設備，都通過PLC束連接。現場監控攝像頭內置存儲卡，存儲本地視頻，同時根據網絡連接和帶寬設置好視頻數據傳輸的制式和分辨率，將視頻數據通過網絡傳輸至控制中心的視頻服務器。

泵站控制中，控室與泵站之間的連接采用運營商的二層數據（SDH或MSTP）點對點專線進行連接，通過將各個泵站泵井匯總至泵站控制中心，組成泵站自控監控專用網絡。泵站控制中心集控端通過以太網通訊，與泵站現場自控設備連接。PLC控制器在把信號發送到本地服務器保存的同時，通過以太網將數據發送到遠程自控監控平臺，本地服務器和遠程自控監控平臺的各項數據都必須保持同步，操作人員通過監控中心的遠程自控監控平臺即可監控泵站的運行。

（二）系統集成方式

桂林排水遠程泵站自控和監控系統主要分為生產自控系統和視頻監控系統兩個部分，前者主要服務于泵站泵井的實時運行狀態監控、泵站設備運行操作、數據展示、數據分析；后者用于泵站泵井現場的安防及主要設備的視頻運行狀態監控。

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、分時段，由不同項目建設的，各個泵站的現場設備、數據監測設備、PLC等存在不同品牌、不同架構、不同的控制方式，所以自控系統的集成和數據采集也必須根據實際情況分為不同方式。

后端集成：對于現場已具備一整套成熟PLC自控系統的泵站和泵井來說，一般廠商都提供相應的開發說明文檔，可以直接根據現有的接口進行對接，實現現場數據采集和現場設備控制操作。同時主流的視頻攝像頭廠商也都提供了相應的標準和規范，在視頻監控方面也可以通過該方式進行整合。

多端異構集成：對于部分近期進行改造，現場已具備組態軟件可以實現本地控制，但還沒有標準化的開發文檔和源碼的泵站，需要采用多端異構集成，使用中間件或是相應的工具對現場組態軟件及數據庫的數據進行提取集成，并通過現場端組態軟件的開發和對接，實現遠程自控和監控。

系統業務重構開發：對于部分自控設備較老舊且不具備現場軟件控制的泵站，則需要根據桂林排水對泵站具體運行管理的要求，提取業務邏輯，建立新的業務模型，并重構開發整套前端現場軟件控制系統，對于部分采用不可寫PLC的泵站，甚至需要更換和重構開發PLC程序，該部分泵站相當于是重新開發一整套遠程自控和監控系統[2]。

（三）系統整體框架

系統整體設計分為數據來源、數據采集、數據處理、應用支撐和業務功能五個層次，桂林排水泵站控制中心和各個泵站泵井之間，通過運營商二層數據專線連接組成泵站自控網絡。

數據來源層:遠程自控監控系統的主要數據來源為泵站和泵井的實時監測數據，包括液位、水泵和格柵的開關和運行狀態、電壓電流等主要運行數據，同時需要新增安防攝像頭對現場的狀況進行監控。

數據采集層:現階段各泵站和泵井已經具備現場PLC自控系統，泵站和泵井的各項運行可直接通過PLC進行現場各項數據參數的采集，只需要開發PLC的上位機系統進行對接。

數據處理層:將泵站和泵井現場采集到的實時數據進行處理，同時將該數據通過標準化，使之成為符合桂林排水數據規范的數據格式，存放到工業控制數據庫當中，供數據分析使用[3]。

應用支撐層:將現場采集處理后的數據進行處理和分析、實現頁面制作、指標管理、GIS服務、報表服務等應用支撐功能，為業務功能層的各項業務提供支撐。

業務功能層:提供包括實時監測、預警報警、視頻集成、設備管理、遠程控制、運行管理、數據檢索、統計報表、性能分析、集中配置等功能。

（四）生產自控系統

通過泵站自控網絡將控制中心服務器與前端設備連接，實現對各泵站、泵井的運營數據進行采集、標準化處理，并對運行過程進行監控，為桂林排水泵站和泵井生產運營管理的決策分析提供數據支撐，從不同維度提供數據分析結果和視圖，同時數據封裝成相應的數據服務接口，實現數據的共享和開放。主要包含以下幾個部分：

（1）運行監視：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的運行狀態，在城市地圖界面，實時顯示全市各個排水泵站泵井的位置、管網結構、各項生產數據和生產過程，動態地顯示各主要設備的狀態和現場主要設備的運行數據[4]，如各泵站每臺泵組運行狀況、出水流量、格柵前后液位、泵站結構、運行參數、電力參數、電量數據和事故報警等，用于全盤掌握泵站的生產運行過程。

（2）操作界面：作為生產控制的主要手段，操作員界面僅允許進行系統設備的監視，控制調整參數設置之類操作，不允許修改或測試各種應用程序軟件。操作員通過鍵盤或鼠標選擇菜單，完成操作控制任務。操作之前，首先需要輸入賬戶密碼進行用戶登入，登入后根據不同用戶的不同權限，調用相關的控制對象屏幕，然后選擇對象完成相應操作。屏幕上的被控制對象應有“顯示反應和選擇無誤”的提示，操作者確定目標后才可進行相關操作。

（3）權限分級管理：在對系統進行各種敏感操作，如設置參數調整、修改操作模式、設置操作參數、巡查時間、優先級修改時，需要額外進行相關權限操作的用戶驗證，或是登入高權限用戶（如管理員）進行修改。

（4）開發維護界面：基于整套系統面向泵站自控監控平臺的管理員及開發人員的界面，包含整套系統的部署、啟動、系統備份恢復、日常管理維護等功能，可以通過該界面實時的監控服務器等相關設備的軟硬件運行情況、網絡通信情況進行故障診斷操作。同時提供系統的GIS地圖，展示頁面的修改、圖形界面的開發修改，以及工業數據庫的修改、各種報表的生成編輯等功能，滿足后期用戶自定義調整的需要。

（5）數據采集設備及服務器：主要完成各類實時數據的采集、生成與存儲。系統中的服務器必須支持雙機冗余，并且須保證冗余切換時間低于1s。冗余切換過程中應保證實時數據、歷史數據、報警數據的完整。故障恢復后，故障期間的歷史數據、報警數據應能夠自動同步切換，不會丟失。系統應能夠提供與分布于現場的設備（如RTU、PLC和DCS）通信服務的能力，與主流PLC、DCS通信，支持串口或者現場控制網絡[5]。

（五）視頻監控系統

在實現遠程自控后，除汛期及突發情況需要人員駐守外，在日常運行時均設計為無人值守泵站，為實時監控泵站運行狀態，及時發現安防風險及泵站設備故障等問題，本次設計的配套視頻監控系統，實現了對泵站各項運行數據的實時監視并對泵站出現故障時，實施向管理人員發出報警，包含以下幾個部分：

（1）視頻監控點：安裝于各泵站及泵井現場，針對關鍵點進行安防預警監控和設備現狀監控，采用日夜型星光級攝像頭不間斷的監視現場狀況，每個攝像頭均使用TF卡進行本地視頻存儲，同時通過交換機接入泵站自控網絡，將視頻數據傳輸至中控室的視頻服務器，進行集中的存儲、分發。

（2）視頻存儲服務器：安裝于泵站自控中控室機房，將各個節點攝像頭的視頻集中匯總至視頻存儲服務器集中存儲，并通過網絡進行分發。

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

四、結語

綜上所述，基于工業物聯網的泵站自動化系統改造項目，采用工業傳感器、以太網、云服務器等技術，實現了對泵站和泵井的遠程自控及視頻監控，為在污水處理收集中一體化泵站的應用及施工要點有了更深的了解，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。