利用先进控制策略实现城市排污泵站远程控制

姚 波

（威海市水务集团有限公司，山东 威海 264200）

1 引言

排污提升泵站是城市排污系统最主要的节点，也是城市水污染防治和城市排污防涝的骨干工程，担负着收集城市生活和生产污水，并及时排放的任务，是保证城市正常运转的生命线。伴随着我国城市化的进程，城市中所产生的生活污水越来越多，水量变化越来越大，控制难度也越来越高；威海市作为一个半山区的城市，排污泵站特别多、且分散，原来长期需要人工手动操作，存在着占用大量人力资源、人为主观操作、水泵运行负荷不均衡、设备运行数据缺陷、缺少生产调度管理平台、无法平衡管网负荷分配，缺欠对管网过压保护和泵站监控的管理手段。

为了提高城市污水排放自动化控制能力，同时提升生产控制、管理水平，威海市水务集团公司决定对现有污水泵站进行全方位的技术改造，要求技术起点高，经济效益要明显，争取在2～3年内收回全部投资成本。项目于2007年初获得世界银行贷款批准起动建设，2007年10月完成，完成后的系统采用了先进的控制技术、结合模糊控制理论，并综合GIS和专业模型的优势，提供全面的生产数据管理和控制分析手段，实现了排污泵站运营监控的科学管理；该模式以无人值守的自控方式及时处理泵站可能出现的任何问题，同时采集泵站在线监测数据，利用VPN通信上传到生产管理调度控制中心，进行远程的控制、管理和分析、模拟，为排水泵站的控制、运行、维护提供动态可靠的专业数据依据，解决了原有排污泵站落后的人工运行方式，避免所出现的生产成本高、管理手段难、设备能耗大、生产效率低，生产数据缺等问题。

2 设计原则

排污泵站远程监控中对每个泵站控制策略的编程设计是整个系统的核心基础，同时也要兼顾泵站本身作为城市排污管网重要节点在运行过程中对管道网络和下游泵站的负荷冲击，因此我们开发了一套针对城市排污泵站的信息管理平台（Infowater），把“城市排污泵站远程控制功能”与“数据管理分析功能”融合在一体形成城市排污泵站控制的综合化信息管理平台。完备的信息管理平台包含泵站在线监控系统、硬件支撑平台和数据处理及分析体系，其核心是先进的自动化控制系统，它的先进程度是由每个泵站控制的实时性、稳定性和先进性决定的，我们在设计和开发过程中充分利用模糊控制和虚拟编程技术，既考虑泵站控制的多样性和复杂性，又兼顾控制系统的稳定性；建立了生产数据的集成和管理、综合数据的分析和查询等专业的排水系统控制模型。在操作方面，具备便捷的数据编辑和维护能力、流程化应用与系统分析功能；信息管理平台（Infowater）具备普适性，能够为排水泵站监控、管理、模拟、和分析提供可扩展伸缩的、可嵌入流程的、可灵活建设的高效解决方案；做到运用先进的控制理论、科学的通信管理、全面的数据分析，对城市污水泵站进行远程无人值守化控制，为远程监控管理提供各种生产管理手段，为各相关生产部门提供多专业、多层次、多目标的综合生产信息管理服务，实现城市排污泵站基于数据综合管理平台的监控管理。

3 系统结构设计

威海城市排污泵站采用分布式计算机控制系统，泵站控制以分散控制、集中管理的方式进行设计。软件设计采用分层结构，分别是：基础控制平台层、通信应用调度层、系统数据管理层和生产质量分析层，其中基础控制层软件是整个系统的基础和关键，如图1所示。

3.1 控制功能软件

控制功能软件是现场控制器的主程序，实现泵站无人职守下的全部控制功能，包含程序初始化、远程遥控、参数修改、水位自控、设备运行及事故应急等多种功能，其特点是集数据采集、通信、遥控、自控于一体，完成各种参数的自动巡回检测，进行数据整理、运算、存储、输出、报警，与远程控制中心通过VPN通信方式构成广域通信网，实现远程通信和控制。

图1 软件数据框架图

（1）采集泵站数据：压力、水位、水位差、流量等。

（2）控制泵站设备：水泵运行、电动闸阀动作、格栅启停等。

（3）水泵运行管理：根据水位变化和设备状态，结合设备运行时间，自动调整水泵运行顺序。

（4）实时通信校正：解释、执行中控室的遥控指令。

（5）故障应急处理：对故障源定位、报警和处理。

（6）模糊控制判断：根据不同水位区域，结合水位变化率，准确判断水泵投运数量。

3.2 分布式实时数据库

采用Realinfo分布式数据库，其具有友好性、易学性、定制开发简单、功能多的特点，数据通信故障时，下层数据源能够对断线期间的数据进行缓存，并能自动恢复到上层服务器，保证历史数据的完整性和一致性，其主要特性有：

（1）多种数据采集手段，实现企业级数据汇总。

（2）数据时间标记，保证数据的安全性和完整性。

（3）统计计算方法，能及时、直观地了解运行情况。

（4）提供了多种数据处理手段，满足大多数的需要。

（5）分析工具有助于管理者作出正确的决策。

（6）高效数据连接，实现控制与管理的数据共享。

（7）网络发布功能，及时监控生产。

3.3 HM I监控软件

采用自由组合绘图处理技术，通过脚本可以在画面中添加新的图元、替换图元、替换图元中引用的变量，因此可以根据实际情况因地制宜的生成画面，特别适合于用户日后的维护和修改，如图2所示标准趋势框图可以由用户自由组合趋势曲线，方便对比和查询；报表中的多种数据处理手段，满足大多数的需要，并且提供大量的分析工具，如事故追忆、质量分析等，有助于管理者作出正确的决策。

图2 监控画面浏览

3.4 安防监控软件

安装设置红外对射报警和视频监控装置，达到防盗的要求，通过VPN通信接入监控中心数字化图像监控工作站，进行报警显示、记录和录像，监视污水泵站设备安全和水位实况。

4 模糊控制应用

排污泵站水泵优化控制方面采用了先进的模糊控制方法，如图3所示。在根据集水池水位对水泵进行常规控制的同时，这里充分考虑了区域水位波动可能对水泵起动产生的干扰，以及上游泵站和管网进水量变化对水泵运行造成的影响，把一些常规的经验策略判断融合到控制程序中，使泵站的自动化化控制即考虑到泵站本身运行的稳定性，又兼顾其在整个城市污水排放系统中的平衡作用。

泵站的传统控制只考虑了液位的随机变化，没有考虑液位的变化速率，如果泵站集水池体积不是很大，容易造成水泵的频繁起停和水位波动。采用计算机控制技术和先进液位检测仪表，可以非常简便地得到液位差和液位变化率，并通过引入模糊控制方法，利用液位变化率，实现PD控制结构，能明显提高泵站对进水量变化的真实响应能力。

本项目在编程过程中结合有关经验和现场实际，对排污泵站进行了模糊控制方法实施，采用三个模糊变量：液位差（E），液位变化率（EC），起动泵台数（U）其中E和EC为输入模糊变量，U为输出模糊变量。模糊控制器由PLC编程实现，是一种非线性的PD控制方式。

图3 模糊控制框图

将物理参数转换成模糊变量的过程称为模糊化，即在“成员功能单元”帮助下进行，将高、低之类的术语准确地与某一特定值相对应。

例如：泵站水位的液位差和变化率分别取NB、NS、ZR、PS、PB五个值，对应着很低、低、优、高、很高。

分为5档7级，即｛3，-2，-1，0，+l，+2，+3｝。

在各变量函数选择时，我们参考威海市原有泵站情况和经验，结合实际控制要求，对液位变化率和控制变量采用三角函数形式。在选择变量的隶属度时，进行了大量的现场调查，首先对系统进行计算机模拟，在保证生产正常进行的情况下，进行在线调试，最后确定了较合理的经验策略。

根据每个泵站现场具体工作情况，确定每个泵站的集水井液位变化范围在L1（m）到L2（m）之间，液位基准值L，液位差的变化范围控制在（-1m，+1m）之间，通过以下公式可以得到液位与液位差E论域元素之间的变换关系：

注：X为液位值测量值，Y为量化级数

排污泵站的液位变化率可以通过计算获得，依据集水井最大进水量为 m万立方/天，允许最多起动水泵工作台数的最大提升流量为 m立方/小时等数据，根据集水井容积V，计算出单位时间的最大液位变化率，可以得到液位变化率的量化关，如图4所示。

图4 模糊控制框图

通过模糊计算，控制单元将输入的变量同受控变量联系起来，形成“推理”，在受控变量众多的结果中总结各自的适用范围，称为“合成”；将得到规则的各自模糊关系进行合并运算，得到总的控制表。最后，将模糊形式确定的受控变量变回数量值进行去模糊，得到最终控制结果。

因此在模糊控制中，不存在语句必须是真或假的基本规则，克服了二进制逻辑固定限量的弊端。把水位测量值和水位实际上、下变化率计算结合起来，避免水泵频繁启停，提高了设备的寿命和系统的稳定；所以把“经验策略”通过软件设计应用到泵站控制的实际工程上，能使控制系统变得更“聪明”。

5 虚拟编程技术

在泵站水泵运行顺序控制方面我们设计的思想是当一台泵起动时，真对本次运行时间进行计时，同时将其加到累计运行时间上，并按每个泵的累计运行时间进行排序，按排序结果置相应的起动序号。当系统根据模糊控制器的输出判定需要起动泵时，程序检测相应的起动序号，按起动序号起动相应的水泵，停止序号的设定在起动时也同时完成的，即起动每一台泵时，按顺序也同时设定其停止序号，以保证先启的泵先停，后启的泵后停，避免一台或数台水泵长期工作，其他水泵闲置的情况；因此，当出现某一台泵故障时，自动控制程序会跳过该泵而正常运行控制，增强了自动程序的故障处理能力。

由于控制器CPU的局限性，在进行复杂控制时对控制器资源要求很大，会造成CPU不必要的负担，为此我们在编程过程中把程序虚拟化，只考虑出现的情况，不进行全部设备优化；例如：在排序过程中如果某个水泵出现故障或现场手动而不参加自动控制排序，控制程序编程中不进行重新排列而出现多种组合，而是用A、B、C、…、虚拟水泵号代替1#、2#、3#、…、实际水泵，如图5所示。水泵序列号和程序控制号自动调用对应，有几个泵运行就直接调用其所对应的虚拟程序，这样就大大降低了程序编程量和CPU占有量。

图5 虚拟编程技术

所以通过上述的编程方式即利用PLC完成了复杂控制，又能大大减少对系统资源的占用，从而保证控制系统的稳定性，图6给出了整个泵站的逻辑控制图。

图6 程序控制框图

6 结论

威海市利用世界银行贷款建设的排污泵站远程监控系统运行以来，泵站管理人员在中央控制中心远程监控各个泵站的运行，记录/汇总泵站中各种设备/工艺的数据，并进行有效的管理；泵站实现了“无人值守”，改善了生产条件，减轻了劳动强度，实现了泵站管理的先进性、安全性和高效性；通过数学建模，建立排污泵站群生产运行的最优化模型，进一步降低泵站生产能耗，完全符合威海水务集团预期的要求。

[1] 庞文尧.计算机控制技术[M].杭州:浙江大学出版社,2008, 12.

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