浅谈自动化系统在城市污水提升泵站中的设计与应用

2021-12-21杨军

中国设备工程 2021年23期

杨军

（银川市市政工程管理处，宁夏银川 750011）

现在随着物联网的运营成本低价推广、网络硬件及物联网控制技术成熟等，为自动化提升提供了基本的物质条件，再加上工作人员对工作环境提出了更高要求，尤其是在城市污水提升泵站中显现的日益突出。为了减少恶劣环境下的工作时间，现在采用PLC自动控制系统，可以通过上位机对泵站进行远程控制、数据报表自动生成等，实现集中统一监控、运行和管理。PLC控制系统有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、功能完善等特点，在众多领域中得到广泛应用。银川市各泵站建设采用高标准自动化监控系统，泵站设有值守操作人员可以实现站内计算机操作，用鼠标操作即可实现泵站内各电气设备的动作执行和状态反馈。如果无现场值守操作人员，那么集控中心人员可以在集控中心进行泵站所有操作，定期从视频中可以核准液位等重要工艺数据。

1 传统污水提升泵站控制方式

现在有很多污水提升泵站控制方式采用传统的继电器式。由运行人员手动填写泵站的运行记录，经过相关运行参数手动操作控制格栅和启、停排污泵以及进、出水阀门。导致运行管理水平落后，运行管理人员工作强度繁重。现在传统泵站也相继使用了PLC、仪表等自动化设备控制，但这些控制仅限于泵站水泵启动、联锁保护功能等，一直忽视了自动化程度的进一步提高，现阶段随着人力成本增加、环境整治及工业自动化技术突飞猛进，促使运营管理单位开始认真研究和思考，怎么才能改进成为一套运营、维护成本低的自动化系统。

2 自动化系统控制的优势

2.1 自动化程度高

系统按“无人值守、定期巡检”或“少人值班，定期巡检”的控制要求，实现泵站及调度中心的计算机远程控制，泵站上位系统与集控上位系统采用统一程序化设计，全系统不管泵站数量多少，只有一套平台系统程序，一套上位生产控制程序维护和升级系统，不同的操作站通过驱动连接和操作员权限来限制操作员的操作范围。

2.2 性能完备，技术成熟

系统采用高可靠性、高性能、技术成熟的工业级产品及部件，满足泵站工业环境的设备长期运行条件。

2.3 集成度高

集成无线传输、有线传输、光纤传输、网络网关、图像处理、数据处理、软启动系统、水位检测系统、低压系统、能量检测系统等，适应泵站多种工艺可靠运行。

2.4 满足开放性，结构设计合理性

系统为全开放系统，软件标准化，兼容性强，可以与不同产品实现通讯，满足各项功能扩展。硬件超前设计，能够完全快速满足后期建设发展及扩容需要。

3 自动化系统控制网络拓扑设计

本设计主要分为三个等级，分别为：一级调度监管指挥中心、二级生产集控中心、三级生产控制站。一级调度监管指挥中心：设立在市政总局，对所有泵站的生产控制设备和工艺进行远程控制、视频图像监控，并设置工业防火墙、路由器、监控大屏、视屏工作站、工程师站、操作员站、数据库服务器等。要求大屏可以实现各个泵站、分泵房视频轮巡展示。二级生产集控中心：设立在泵站管理所监控中心，对各个泵站生产控制设备和工艺进行监控，实现远程集中控制，实现真正无人值守控制，并且可以通过视频了解设备运行、现场情况等。泵站自动化系统建设方案的第一设计就是整体网络设计，优秀的设计是采用现阶段通用的、稳定的、易维护的网络形式，那就是工业以太网，以太网的介质形式可以是多种多样，比如说，RJ45、光纤、无线Wi-Fi传输、基站传输、卫星通信等，本方案采用光纤专线、无线AP传输、RJ45等。各泵站尽量采用光纤专线的形式，该形式具有传输稳定，抗干扰性强；可以考虑自行敷设光纤或租借电信、移动、联通等运营公司的专线，对于一些实在不具备条件、或敷设困难的泵站采用无线基站建设的形式。

4 污水提升泵站自动控制系统设计

4.1 泵站控制工艺流程

泵站控制工艺流程为：污水在进入污水池前，首先要在污水管网进行过滤，主要是用固体废物格栅机将废物过滤，并将过滤废物收集到格栅过滤器，再由皮带机传送至垃圾站。污水池装设水位计，当水位达到泵的预定启动水位时，启动泵组，其泵组的启动数量根据水位高低及下级泵站用水量等情况进行综合考虑。泵组的启停应有手动/自动两种方式，即现地控制与远程控制，手动工作方式下通过现地启停按钮进行控制泵组的启停，远方自动工作方式下，泵组启停由操作人员在上位机上发送指令进而达到泵组控制或由PLC根据采集的各类信号值进行判断达到其自动控制。

4.2 泵站PLC硬件选型

首先，框架型号与个数应根据控制对象输入输出类型来确定，其模块的选用应考虑相应的余量和系统未来的扩展；然后，选择存储空间与通信方式相应的CPU模块；最后，选择具有所需类型和电压等级的电源模块。

（1）泵站相关设备统计。各个泵站主要设备应有格栅、皮带机、潜水泵、启闭机/出水阀门、液位计、出水流量计和管道压力变送器及溢流闸门等。

（2）模块选择。①模拟量模块选择通道隔离、防腐性能较好的模块，确保信号采集精准，为系统控制提供稳定的控制量。②开关量模块选择应根据受控设备状态，受控设备数进行统计IO点位，并考虑20%的冗余量。③CPU模块选择，根据现代工业控制技术发展趋势，选择集成串口及以太网CPU模块，适应仪表类串口设备数据交换、PC简易快速组网、无线、光纤专线等集中控制需要。④选择系统品牌要考虑长达10～15年的产品生命周期，防止因产品提前进入淘汰期而造成系统备件难以采购及高运维成本的情况发生。

（3）泵站控制要求。根据泵站多年的运行经验，将泵站的运行方式分为暴雨运行方式、雨天运行方式以及日常运行方式(包括昼夜两种运行方式)，泵站的电气设备可按照三种运行方式分别自动联动运行。

①格栅池设备控制要求。在格栅无故障的情况下，只要格栅的进出口启闭装置不完全关闭，格栅就可以周期性运行，根据日常、雨天、暴雨三种运行方式确定周期运行的停、运时间。上位机可对运行工艺参数进行设置，格栅应与皮带输送机联动，即格栅运行时皮带输送机应同时启动运行。格栅故障应实时预警，然后根据对水位差的检测判断进水启闭机是否关闭，与此同时进行紧急报警并通知相关人员及时处理。

②污水集水池设备控制要求。泵的启停由水位来控制，且上位监控机可对三种运行模式下启停泵的水位进行设置，自动切换日常模式中白天模式和夜间模式(可在上位监控机设置其切换时间)，暴雨模式与雨天模式可在上位监控机上由工作人员进行遥控设置。泵站需要增泵或减泵时应考虑泵累计运行时间，增泵时应启动无故障、累计运行时间最短的泵，减泵时应停止运行中累计时间最长的泵。泵的启动、停止应考虑其与阀门的联动，即泵启动时关阀启动、停泵时先关阀后停泵，其联动时间应根据设计要求进行设定。

③泵站PLC控制程序。污水集水池部分子程序、格栅池部分子程序和主程序组成了PLC自动控制程序。

泵站自动化功能分析，见图1。