泵站自动化监控与河道水环境治理相结合的研究

宋 悦

（天津市排水管理事务中心，天津 300202）

本世纪以来，中国经济发展十分迅速，水资源的战略地位上升到前所未有的高度，公众对水环境也越来越关注。水资源的有效管理和高效利用成为世界关注的焦点。我国是农业大国，也是水利大国，在经济社会发展中水资源起着至关重要的作用。

天津城区内分布着多条河流，是一座依水而生、因水而秀的城市，河道水质影响着整体城市环境，受到社会各界的高度关注。为改善城市水环境状况，天津市加快实施堤岸绿化改造、河道保洁清淤、河道水系连通促进水循环等工程。除此之外，还计划建设生态净水系统，初步实施海绵城市改造工程，提升改造换水泵站规模及能力，提升河道水循环功能，最终实现改善水质的目的。

在城市中，泵站是收集输送雨水、污水和河水的重要基础设施。随着当下城市发展对泵站信息化管理和科学化调度要求的不断提高，为城市排水泵站开发具有远程控制和调度功能的系统平台，可以实现实时监控、科学调度、合理运行等诸多功能，从而提高市政排水泵站管理的科技化程度。

1 当前换水泵站远程监控系统的需求分析

城市河道水环境的治理与景观设计以改善城市生态环境，提高人们的生活质量为根本。更加科学、合理地安排换水泵站的运行，可以提高市区河道水环境改善的工作效率，必将为经济社会发展提供可靠的基础水环境支持和保障，实现传统排水向现代化排水、向人水和谐、向科学发展的转变，有利于提高全社会水资源节约保护意识，推进资源节约型、环境友好型的社会发展。

1.1 河道换水泵站的特点

河道换水泵站的作用是将上游或其他相连河道的优质水源，通过水泵迅速调入需要改善水质的河道中，使河道之间的河水循环起来，增加河水的流动性，使之变成流动的活水，提高河水的含氧量，达到稀释污染物浓度、快速改善河道水质的目的。之后，通过在河道中加装曝气喷泉、铺设生态浮床、投放生物制剂和安装高效磁絮凝水体净化设备等新型辅助措施的综合运用，达到根本改善河道水环境的最终目的。

换水泵站一般建于2条河道交汇处，根据河道之间的水位变化和高程差，通过水泵和闸门的配合使用，使2条河道之间河水可以相互流动循环。

跨河换水泵站布置，如图1所示。

图1 跨河换水泵站布置

1.2 河道换水泵站自动化远程监控系统的功能需求

近年来，随着计算机技术的飞速发展以及互联网通信技术的不断完善，自动化泵站远程监控技术逐渐被广泛应用在实践中。各类分层分布式的新型自动化排水泵站被广泛建设并投入运行使用。分层分布式的结构分为现场测量监控、中级运行管理和高级决策调度3个层次。泵站自动化远程监控系统的配置需要与正常情况下主控中心控制、泵站现场无固定人员值守和工作人员定时现场巡视相结合的运行管理模式相适应，为此该系统需要搭设3级控制平台，分别为主控中心、分控中心和自动化泵站现场。

结合泵站的运行、检修和管理要求，为实现该系统正常使用，需要建立专用网络、统一的系统信息平台和统一标准的基础数据库，使系统具有良好的可靠性、节能性、安全性、人机交互性和扩展性，同时实现自我诊断、自我恢复的功能。

2 自动化泵站远程监控系统总体框架和软硬件设备设计

自动化泵站远程监控系统是为了更好地实现对换水泵站设备（包括泵站水泵机组、电气系统、辅助系统、保护系统及直流系统等）的全方位监测和控制，保证换水泵站能够更加安全可靠的运行。该系统还可以对换水泵站运行的情况做出统计并记录形成报表，方便日常的工作查阅与分析。在满足上述监控功能后，实现换水泵站的优化调度及经济运行并最终实现“少人值守、无人值守”的目标。

2.1 系统总体框架设计

针对目前河道换水泵站自动化系统存在的问题，通过对当前泵站监控系统的汇总分析，计划综合利用现代计算机技术、网络通信技术、自动化集成技术和人工智能技术等高科技新型技术，设计搭建泵站自动化运行管理平台。自动化泵站远程监控系统通过创建新型泵站运行管控模式，按照分级分散控制原则，既可以由主控中心对全部自动化排水泵站进行统一的调度和管理，又可以将部分自动化排水泵站的调度和管理权限下放到各分控中心和各个自动化排水泵站现场，主控中心只负责监控全局和下达指令，充分地将计算机、网络通信、远程遥控、视频监测等技术有机地结合起来，满足不同的自动化排水泵站现场控制和保护需要，保证泵站安全、经济和高效运行。

2.2 硬件设备设计

硬件系统包括主机、泵站级光纤以太网、现地控制单元LCU以及其他外部设备。主机是硬件系统的重要组成部分，包括语音报警工作站和液晶显示器。光纤以太网是泵站与现地控制系统进行通信联系的主要通道，在接收到相应信号后，上位机直接将其接入交换机，现地控制单元就会将信号转化为光信号，通过控制室内的交换机建立星型的网络。现地控制单元LCU是构成现地控制单元的主要部分，负责信息数据的收集和预处理，同时具备控制操作和监视的功能，是实现自动化监控的有效构件。其他外部设备也是硬件系统中不可缺少的，如各种传感器、检测仪表、记录打印机、语音报警装置、上位机-电网监控配置等。

2.3 软件设备设计

针对排水泵站的特点，自动化泵站远程监控系统软件分为3级平台，应用数据采集软件、WinCC组态软件、PLC控制软件、泵站远程监控软件和视频监控软件等实现系统的可靠稳定运行。最高级为主控中心，中间级为分控中心，现场级为自动化排水泵站。

泵站远程监控系统整体结构，如图2所示。

图2 泵站远程监控系统整体结构

由图2可知，纳入系统的所有排水泵站为主控中心的监控对象，分控中心直接控制所属泵站设备（主控中心需要直接接管的重要泵站除外）。系统将数据采集、数据处理分析、设备控制、操作日志记录、画面监视、文件报表生成、非正常状态报警、系统组态、设备运行管理、系统通信、自诊断与自恢复等功能进行组合，可以完成系统的生产过程控制和泵站调度等操作。

3 自动化泵站远程监控系统整体设计

自动化泵站远程监控系统的核心组成为上位机和下位机两大部分。针对目前流行的诸多组态软件，鉴于西门子公司的WinCC组态软件技术成熟、运行稳定且与下位机采用的西门子PLC匹配兼容优良，本系统上位机监控界面采用西门子WinCC组态软件进行设计。上位机监控界面是人机交互的主要窗口。因此，为了方便运行管理人员操作，上位机监控界面设计遵循贴近实际、风格简单、操作方便的原则。针对系统需要实现的主要功能，设计了主界面、工艺流程图界面、设备操作界面、数据查询界面及资料查询界面，以达到对泵站进行远程监控管理的目的。

3.1 上位机组态设计

上位机主要功能是发出各种命令对下位机和工业现场实现控制，同时又接收下位机和工业现场反馈的各种信号、数据实现监测。现场控制单元与上位机相连，通过上位机实现控制、测量及信号显示。系统采用西门子WinCC组态软件设计，实现上位机人机界面监控功能。

3.2 下位机控制系统设计

下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般采用PLC或单片机之类的设备。它利用PLC对泵站运行所需各个开关量进行定义，结合PLC梯形图进行编译，使泵站可根据进水液位调整水泵运行工况，最终实现泵站自动化控制和运行功能。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此指令生成相应的数字时序信号直接控制相应设备。下位机时时读取设备状态数据（一般为模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。PLC程序编写方便、直观，具有较强的可操作性和扩展性，易于实现工业现场自动控制。

4 结语

水环境治理是当今社会的焦点问题，利用河道换水泵站加大水环境改善力度是行之有效的方法之一。实现换水泵站的自动化是当下城市水环境治理的强有力手段，是实现换水泵站优化调度、提高运行和管理自动化水平的基础。通过建立一整套自动化泵站远程监控系统，可以实现泵站现场的少人值守甚至无人值守的目标，提高换水泵站运行管理效率。