城市排水管网调度系统设计

Design of the Urban Drainage Network Dispatching System

童　飞1　吴　佳2　高玮寅2

(上海城投污水处理有限公司石洞口污水处理厂，上海　200942；上海工业自动化仪表研究院，上海　200233)

城市排水管网调度系统设计

Design of the Urban Drainage Network Dispatching System

童飞1吴佳2高玮寅2

(上海城投污水处理有限公司石洞口污水处理厂，上海200942；上海工业自动化仪表研究院，上海200233)

摘要：为了保持排水管网中水流稳定，保证各级泵站及污水处理厂平稳运行，利用SCADA技术设计了排水管网调度系统。通过各泵站PLC控制系统实时上传的泵站数据,实现了对整个排水管网的全面监控；通过科学的数学建模过程对采集到的数据进行分析，将计算获得泵站控制参数下发到各级泵站,实现了对整个管网的全面调度。该系统提升了排水管网全面监控的自动化、智能化程度。

第一作者童飞(1969-)，男，1991年毕业于上海师范大学环境工程专业，获学士学位，工程师；主要从事工业控制SCADA系统领域的研究。

关键词：SCADA管网调度模糊算法遗传算法最优液位

Abstract：In order to keep the stability of water flow in drainage pipe network, and to ensure the smooth operation of the pumping stations and sewage processing plant, the drainage pipe network dispatching system has been designed by adopting SCADA technology. The whole drainage pipe network is monitored through the uploaded data from PLC system of each pump station; the data collected are analyzed by scientific mathematical modeling procedures, then the calculated pump station control parameters are downloaded to pump stations in various level to implement comprehensive dispatching of entire pipe network. The urban drainage network dispatching system enhances the level of automation and intellectualization of the drainage pipe network.

Keywords：SCADANetwork dispatchingFuzzy algorithmGenetic algorithmOptimal level

0引言

城市排水[1]是现代化城市不可缺少的重要基础设施，是对城市经济发展具有全局性、先导性影响的基础产业，是城市水污染防治和城市排渍、排涝、防洪的骨干工程。人们生产和生活中产生的大量排水，如从城镇住宅、工厂和各种公共建筑中不断排出的各种各样的排水和废弃物，需要及时妥善地排除、处理或利用。

目前,排水泵站控制方式主要采用的是根据经验液位启停泵组方式。这种控制方式没有考虑到水泵机组的最优状态组合，耗能较高；同时在暴雨等突发情况发生时，无法及时反应，容易造成溢流事故。随着信息化技术的快速发展，排水管网中各级泵站已经具备了自动化控制条件。在此基础上,本文采用SCADA技术[2-4]设计排水管网调度系统实现泵站的统一运行调度管理。

1排水管网调度系统

基于SCADA技术的排水管网调度系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对泵站现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。其中排水泵站控制为整个排水管网调度系统的基础。排水泵站一般由集水井、泵组、阀门、格栅、格栅除污机等构成。控制系统根据积水井液位控制泵组启停,将积水井中收集的城市污水提升后送入污水管网;管网内污水流入下级泵站继续提升输送或最终流入污水处理厂进行处理。

1.1　系统架构

排水管网调度系统由底层数据采集层及上层调度中心构成，底层与上层通过专用光纤实现数据交互。调度系统网络拓扑如图1所示。

图1　排水管网调度系统网络拓扑图

调度系统数据流向如图2所示。

图2　排水管网调度系统数据流向图

底层数据采集层由各级泵站及污水处理厂构成，负责采集各类运行参数、水质参数、视频及安防数据等。上层调度中心由工作站、服务器以及办公系统构成，负责全市域管网泵站自动化控制和调度管理。调度中心与各泵站通过租用专用光纤线路网络保证视频等数据的实时上传，组网方式采用点对点通信方式进行数据传输。管网调度系统预留接口实现排水公司各信息系统之间的通信联系，实现数据共享。

1.2　系统控制

排水管网调度系统采用调度中心控制级、泵站PLC控制级和就地控制级的三级控制模式。各排水输送线泵站在管网调度控制中心的统一调度下，协调各输送线泵站优化运行。

第一级为就地控制级：就地控制系统对泵机单体或设备进行手/自动就地控制。当进行设备检修或紧急故障时，可采用就地控制方式。

第二级为泵站PLC控制级：在各个泵站，通过已建的PLC控制系统对站内所有过程变量及设备运行状态进行数据采集、监视控制及联锁保护。泵站控制级控制权限由现场设备本体手、自动转换开关判断，切换至遥控位置时，才允许操作人员通过泵站PLC控制系统对各泵机、格栅等设备进行授权范围内的操作。当组网通信系统发生故障或系统检修时，由泵站控制系统实现对各设备的监视与控制。

第三级为管网调度中心控制级：对排水管网各输送泵站运行进行远程监控，实行统一调度管理。在正常情况下，由管网调度控制中心对全市所有泵站进行监视和控制。在调度控制中心的统一指令下完成各线泵站设备运行监控。

1.3　系统功能

根据上述系统架构构建的排水管网调度系统可实现以下功能。

(1) 数据采集

远程数据采集，采集内容有：集水井液位、泵出流量、排水处理厂水量水质数据，排水泵、格栅、闸门等的设备状态、运行工况，远程控制设备和通信设备的运行工况、配电状况等。

(2) 数据管理

①数据的分类、检索和显示；②历史数据的管理和显示；③报警处理；④事件处理。

(3) 运行模拟、执行控制策略和决策

①支持远程控制和执行调度；②紧急状态下的对策及处理方案；③离线或在线显示运行结果和运行趋势；④技术交流、演示、教学和培训。

(4) 远程控制和调度

①进行远程控制(遥控)和远程设置(遥调)；②下达控制和调度指令；③优先插入传送的能力，根据调度人员的指令优先插入传送紧急控制等信号。

(5) 报表管理

报表管理提供实时的、历史的和统计数据报表(日、月、年报表)。报表可自动打印或按需打印。报表应以用户编写的程序、系统软件或第三者成套形式打印。

(6) 数据及图像显示

①SCADA系统HMI界面显示；②视频及红外周界安防系统画面显示。

2管网调度

管网调度功能[5-8]是在分析排水管网调度系统采集的排水管网的流量、液位高度等数据后，根据排水的流量变化及集水井水位的变化，运用智能控制方法对排水管网进行统一调度控制。该控制的主要思想是以管道设施输送能力作为排水负荷的约束条件，以管网中泵站综合调度运行能耗最小为目标，在保证排水管网安全运行及集水井安全液位有效控制(集水井不会发生排水溢出，造成局部区域排水溢出污染)的情况下，运用控制系统相关算法控制管路流量自动有序调节，优化分配，实现管网水位、流量最优调节控制，从而实现城市排水管网系统的安全运行、优化调度、高效节能。

管网调度控制排水过程中主要的控制对象为水泵的开停、 闸阀的启闭、 贮水池水位的升降等。管网调度以全局化的思想，以泵站控制为基础对管网内水量的流量进行控制，使集水井的排水液位保证在一定范围内，控制排水泵站排放系统使流入排水泵站的排水及时排出，Q流入=Q流出。保持泵机在高液位下运行可以有效地降低水泵的实际扬程，保证水泵运行在高效区，降低管网运行能耗，实现经济运行。同时，由于流入的流量能够被等量泵出，消除了链级效应，使整个排水系统处于最佳运行状态，实现动态平衡，避免排水溢流事故的发生。在复杂的排水管网中，调用SCADA系统进行联动控制，改变了传统方式下依靠人的经验及电话沟通的方式，在保证管网安全运行的前提下，有效提高了管网的运行能力及泵站的运行效率。

管网调度数学模型主要由三个子模型构成：①泵站最优工作液位(泵站高效液位)选取；②泵站泵出流量控制值计算；③泵机启停控制。数学建模流程如图3所示。

图3　数学建模流程图

2.1　泵站最优工作液位选取

对于各泵站而言，抽水能耗大小主要由扬程决定，扬程越高，泵机提升等量排水做功越多，耗能也越大[9]。因此，在运行条件许可的情况下应尽可能地减小运行扬程，而扬程大小取决于泵机的运行液位。在确定可以有效防止管网排水溢出、使其安全运行的液位后，根据各泵站周边排水的实际情况，通过一段时间的自动测试，利用数据分析得出泵机运行的最优工作液位，使泵机在此液位上运行，在安全的基础上实现节能。

2.2　泵站泵出流量控制值计算

在已知最优工作液位条件下，以集水井控制液位差及液位差变化率作为模糊控制器输入变量，输出控制流量值，以保证泵机运行在高效扬程区内。

模糊控制器参数设计

① 模糊控制器论域范围设定

输入：液位差e=[-6 6]。

液位差变化率：ec=[-4 4]。

输出：控制流量u=[-6 6] (按泵站泵出能力换算)。

② 模糊控制器各变量模糊分割及隶属函数选取

液位误差e=H-H*(H*为最优液位，H为液位测量值)经过尺度变换，转换为对应语言变量e，其论域为[-6 6]。定义论域上的模糊子集为Ai(i=1,2,3)，其对应的语言值为{液位低,最优液位,液位高}，分别表示当前液位相对于最优液位：“低”、“正好”、“高”。

液位差变化率ec=e(i+1)-e(3)经过尺度变换，转换为对应语言变量ec，其论域为[-4 4]。定义在论域上的模糊子集为Bi(i=1,2,3)，其对应的语言值是{液位下降快,液位稳定,液位上升快}，分别表示当前液位H的变化为“下降”、“不变”、“上升”。

控制器输出为控制量u，其语言变量u,论域为[-6 6]。定义在论域上的模糊子集Ci(i=1,2,3)，其对应的语言值为{流量减小, 流量不变, 流量增大}，分别表示：“减小泵出流量”、“保持泵出流量”、“增大泵出流量”。

双输入-单输出模糊控制过程如图4所示。隶属函数选取如图5所示。

图4中，e为液位差，ec为液位差变化率，u为控制流量,Ku为比例因子。

图4　双输入-单输出模糊控制系统

基于此分割，共有9条规则，具体如下。

① if(E is 液位低) and (EC is 液位下降快) then (flow is 流量减少)。

② if(E is液位低) and (EC is 液位稳定) then (flow is 流量减少)。

③ if(E is液位低) and (EC is 液位上升快) then (flow is 流量不变)。

④ if(E is最优液位) and (EC is 液位下降快) then (flow is 流量减少)。

⑤ if(E is最优液位) and (EC is液位稳定) then (flow is 流量不变)。

⑥ if(E is最优液位) and (EC is液位上升快) then (flow is 流量增加)。

⑦ if(E is液位高) and (EC is液位下降快) then (flow is 流量不变)。

⑧ if(E is液位高) and (EC is液位稳定) then (flow is 流量增加)。

⑨ if(E is液位高) and (EC is液位上升快) then (flow is 流量增加)。

图5　模糊控制器隶属度函数

2.3　泵机启停控制

在确定最优目标液位后，根据各个泵机的扬程、额定功率、吸入口径、排出口径等参数，在满足泵站流量约束条件下，利用遗传算法的基本原理，以泵组总功率最小为目标函数，建立数学模型;接着设计基于遗传算法的泵站优化调度，选取各个泵机机组启停的最优组合，从而达到系统能耗最小的目的。

2.4　管网联动

① 泵站上下级预警

根据本级泵站的泵出流量计算下一级泵站的输入流量，在动态流量过大时可以对下级泵站发出预警；当本级泵站出现紧急故障时，泵出能力降低到警戒值时，对上级泵站发出预警，减少上一级泵站的泵送流量，防止排水倒灌，变被动响应为主动控制。

② 厂站联动

强降雨等特殊情况下，根据各级泵站监测数据分析后，可预警上报相关管理部门，对污水处理厂的超越闸门开启做出应急处置预案；当污水处理厂生物池处于检修或重要工艺设备故障而使处理能力下降时，对相应污水输送线进行预警，提高该输送线各泵站泵组的开车液位，尽可能利用管网来蓄水，减少输送量来平稳过渡。

③ 线线调配

在排水管网中存在一个污水处理厂为两条排水输送线输送终点的情况，对积累的两线日常输送流量数据进行统计分析，经过输送流量历史曲线对比，找出两线输送量对应均衡关系。当其中一线遇大流量等突发情况时，合理调配另一线的排水输送量，使得进入排水处理厂的总排水流量相对平稳。

3结束语

本文基于SCADA技术，设计了一个排水管网调度系统。该系统与各泵站PLC[10]控制系统和排水处理厂组成一个城市排水运行监控综合调度系统，实现对各输送线泵站和排水处理厂的生产运行监控管理、统一调度、视频监视和安防报警等工作，促使排水管网运行调度工作由原来的人工经验调度上升到科学生产调度层面。通过最优工作液位选取、流量控制、泵组启停控制三个阶段实现了排水管网的优化调度，在保证管网安全运行的前提下，实现了节能降耗、经济运行的目标。

参考文献

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[10]王海，李洪奎，刘晓.基于PLC的多轴控制研究[J].机械工程学报，2008，6(4)：470-472.

中图分类号：TP27

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501006

修改稿收到日期：2014-01-23。