桂林排水基于以太网的远程自动化研究

桂林市排水工程管理处 蔡万清

污水提升泵站是城市污水管网的重要设施，也是城市排水系统中的一个重要组成部分，目前污水提升泵站主要分为传统的钢筋混凝土结构泵站和新兴的一体化预制泵站。桂林市原有大多数雨污水泵站都为传统泵站，而在桂林市漓江城市段排污综合治理项目建设中，引进使用了由特种材料制成的污水处理一体化泵站，代替了传统的混凝土泵站，作为片区污水提升泵站使用。

一、项目概况及存在问题

桂林市排水工程管理处于2008年建立了泵站远程自控与监控系统，将当时排水管理的16个泵站通过自控改造并接入泵站管理所中控中心，实现了远程自动自动化控制和管理，至今已连续运行了13年。

为完善城市基础设施，进一步提高污水收集率，加快实施雨污分流，改善城区水体的水质，我市在漓江城市段排污综合治理中投建了33个一体化泵站。在一体化泵站安装并投入使用后发现，一体化泵站虽然集成度较高，使用维护也相对方便，现有的自动化控制虽然已满足了一体化泵井日常运行的需求，但由于一体化泵站所处位置分散，部分位置较为偏远，对于泵站现场的设备运行情况、详细的运行参数、现场周边的安全状况等都还不能够完整的掌握，出现故障后无法诊断是设备故障还是现场设施被盗，也无法直观的控制和分析泵站的运行状况。

同时，近些年新增的泵站和改造升级的泵站由于软硬件兼容性问题，无法接入原有的泵站远程自控系统，急需对现有平台进行整体改造，将所有的泵站和一体化泵井设施接入远程自控。

（一）自控和管理问题

一体化泵站的自控系统虽然具备本地运行和远端短信告警的功能，但无法实现集中化的运行管理，也无法通过远端修改泵站现场的运行参数，需要根据泵站状况进行相应业务调整，需要到现场进行操作[1]。

（二）数据分析和调度问题

泵站现场的各项运行数据，如水泵及格栅的实时电压、电流、功耗、液位、开机台时等，各个泵站都是各自孤立的，未统一接入控制中心，无法做到对各个泵站进行实时的数据监控及分析，对需要根据泵站实时状态进行判断的故障诊断、运营调度、设备巡检等工作造成了不便。

（三）现场设施的安全问题

部分一体化泵站处于未城镇化覆盖的区域，由于设施位处偏远，周边治安设施覆盖不完善，出现非法入侵、偷盗等现象时无法及时发现，在泵站运行故障后，无法在第一时间判别是设备故障还是偷盗遗失损坏，也需要增设安防摄像头并接入统一控制中心进行监控。

二、远程自控监控系统对于一体化泵站的重要性

（一）提高运行效率

由于现有的一体化泵站都是预制泵站，泵站的运行控制及配套系统也都是相应厂商配套开发的，所提供的监控数据、运行控制和数据分析功能无法满足远程化集中化的管理需要，自控系统还存在一定的局限性，需要通过远程自控改造后，才可以更加全面的掌握泵站现场设施运行的状况，才能够及时根据泵站运行的情况来实时优化调整运行参数，提高运行效率，为泵站的稳定运行打下基础。

（二）提高运行安全

自控技术是根据预设的参数，指导设备按照相应指令来严格运行的，避免了手工操作而造成的设备运行风险，是保证泵站安全运行的基础。此外泵站使用自控技术后，即使发生断电故障，也能够在市电恢复后及时自动恢复运行，通过远程自控监控对泵站现场设备运行的各项参数进行实时监控、诊断和分析，使得管理人员能够更好地掌控泵站的各项指标，对现场进行视频布防和实时监听，也是保障泵站设施安全的关键因素。

（三）提高维护检修效率

泵站泵井在运行过程中出现设备问题时，不能及时的诊断现场情况，而依靠故障后进行现场人工故障检测，影响故障恢复的时间；将检测和传感器技术进行合理应用，通过实时检测和传感器技术就能及时地监控设备的运行状况，在出现问题的时候能更准确地判断故障设备，及时采取相应解决措施，确保泵站能够尽快地恢复工作。在泵站泵井的运行过程中，通过计算格栅前后的液位差，可以判断格栅是否拥堵，并通过程序自动报警，联动相关监控摄像头进行人工判断，并安排清渣和维护工作，通过各种传感器对泵站泵井运行时可能发生的故障情况进行预测，以提高维护和维修的工作效率。

三、污水泵站自动化系统改造

（一）网络结构

泵站远程自动化控制由现场控制层和中心集控系统组成。

现场控制设备需采集液位计、流量计、水泵格栅运行状态、电器仪表信号等数据，经PLC控制器处理后发送到设备端，完成潜水泵、电动阀门等设备的运行控制。现场变频器、软启动器、低压柜智能开关、电力网络仪表、变压器、温控器、UPS等设备，都通过PLC束连接。现场监控摄像头内置存储卡，存储本地视频，同时根据网络连接和带宽设置好视频数据传输的制式和分辨率，将视频数据通过网络传输至控制中心的视频服务器。

泵站控制中，控室与泵站之间的连接采用运营商的二层数据（SDH或MSTP）点对点专线进行连接，通过将各个泵站泵井汇总至泵站控制中心，组成泵站自控监控专用网络。泵站控制中心集控端通过以太网通讯，与泵站现场自控设备连接。PLC控制器在把信号发送到本地服务器保存的同时，通过以太网将数据发送到远程自控监控平台，本地服务器和远程自控监控平台的各项数据都必须保持同步，操作人员通过监控中心的远程自控监控平台即可监控泵站的运行。

（二）系统集成方式

桂林排水远程泵站自控和监控系统主要分为生产自控系统和视频监控系统两个部分，前者主要服务于泵站泵井的实时运行状态监控、泵站设备运行操作、数据展示、数据分析；后者用于泵站泵井现场的安防及主要设备的视频运行状态监控。

由于历史原因，桂林排水的各个泵站及泵井是分阶段、分片区、分时段，由不同项目建设的，各个泵站的现场设备、数据监测设备、PLC等存在不同品牌、不同架构、不同的控制方式，所以自控系统的集成和数据采集也必须根据实际情况分为不同方式。

后端集成：对于现场已具备一整套成熟PLC自控系统的泵站和泵井来说，一般厂商都提供相应的开发说明文档，可以直接根据现有的接口进行对接，实现现场数据采集和现场设备控制操作。同时主流的视频摄像头厂商也都提供了相应的标准和规范，在视频监控方面也可以通过该方式进行整合。

多端异构集成：对于部分近期进行改造，现场已具备组态软件可以实现本地控制，但还没有标准化的开发文档和源码的泵站，需要采用多端异构集成，使用中间件或是相应的工具对现场组态软件及数据库的数据进行提取集成，并通过现场端组态软件的开发和对接，实现远程自控和监控。

系统业务重构开发：对于部分自控设备较老旧且不具备现场软件控制的泵站，则需要根据桂林排水对泵站具体运行管理的要求，提取业务逻辑，建立新的业务模型，并重构开发整套前端现场软件控制系统，对于部分采用不可写PLC的泵站，甚至需要更换和重构开发PLC程序，该部分泵站相当于是重新开发一整套远程自控和监控系统[2]。

（三）系统整体框架

系统整体设计分为数据来源、数据采集、数据处理、应用支撑和业务功能五个层次，桂林排水泵站控制中心和各个泵站泵井之间，通过运营商二层数据专线连接组成泵站自控网络。

数据来源层:远程自控监控系统的主要数据来源为泵站和泵井的实时监测数据，包括液位、水泵和格栅的开关和运行状态、电压电流等主要运行数据，同时需要新增安防摄像头对现场的状况进行监控。

数据采集层:现阶段各泵站和泵井已经具备现场PLC自控系统，泵站和泵井的各项运行可直接通过PLC进行现场各项数据参数的采集，只需要开发PLC的上位机系统进行对接。

数据处理层:将泵站和泵井现场采集到的实时数据进行处理，同时将该数据通过标准化，使之成为符合桂林排水数据规范的数据格式，存放到工业控制数据库当中，供数据分析使用[3]。

应用支撑层:将现场采集处理后的数据进行处理和分析、实现页面制作、指标管理、GIS服务、报表服务等应用支撑功能，为业务功能层的各项业务提供支撑。

业务功能层:提供包括实时监测、预警报警、视频集成、设备管理、远程控制、运行管理、数据检索、统计报表、性能分析、集中配置等功能。

（四）生产自控系统

通过泵站自控网络将控制中心服务器与前端设备连接，实现对各泵站、泵井的运营数据进行采集、标准化处理，并对运行过程进行监控，为桂林排水泵站和泵井生产运营管理的决策分析提供数据支撑，从不同维度提供数据分析结果和视图，同时数据封装成相应的数据服务接口，实现数据的共享和开放。主要包含以下几个部分：

（1）运行监视：通过操作终端、液晶显示屏或大屏幕，能够集中展示整套系统的运行状态，在城市地图界面，实时显示全市各个排水泵站泵井的位置、管网结构、各项生产数据和生产过程，动态地显示各主要设备的状态和现场主要设备的运行数据[4]，如各泵站每台泵组运行状况、出水流量、格栅前后液位、泵站结构、运行参数、电力参数、电量数据和事故报警等，用于全盘掌握泵站的生产运行过程。

（2）操作界面：作为生产控制的主要手段，操作员界面仅允许进行系统设备的监视，控制调整参数设置之类操作，不允许修改或测试各种应用程序软件。操作员通过键盘或鼠标选择菜单，完成操作控制任务。操作之前，首先需要输入账户密码进行用户登入，登入后根据不同用户的不同权限，调用相关的控制对象屏幕，然后选择对象完成相应操作。屏幕上的被控制对象应有“显示反应和选择无误”的提示，操作者确定目标后才可进行相关操作。

（3）权限分级管理：在对系统进行各种敏感操作，如设置参数调整、修改操作模式、设置操作参数、巡查时间、优先级修改时，需要额外进行相关权限操作的用户验证，或是登入高权限用户（如管理员）进行修改。

（4）开发维护界面：基于整套系统面向泵站自控监控平台的管理员及开发人员的界面，包含整套系统的部署、启动、系统备份恢复、日常管理维护等功能，可以通过该界面实时的监控服务器等相关设备的软硬件运行情况、网络通信情况进行故障诊断操作。同时提供系统的GIS地图，展示页面的修改、图形界面的开发修改，以及工业数据库的修改、各种报表的生成编辑等功能，满足后期用户自定义调整的需要。

（5）数据采集设备及服务器：主要完成各类实时数据的采集、生成与存储。系统中的服务器必须支持双机冗余，并且须保证冗余切换时间低于1s。冗余切换过程中应保证实时数据、历史数据、报警数据的完整。故障恢复后，故障期间的历史数据、报警数据应能够自动同步切换，不会丢失。系统应能够提供与分布于现场的设备（如RTU、PLC和DCS）通信服务的能力，与主流PLC、DCS通信，支持串口或者现场控制网络[5]。

（五）视频监控系统

在实现远程自控后，除汛期及突发情况需要人员驻守外，在日常运行时均设计为无人值守泵站，为实时监控泵站运行状态，及时发现安防风险及泵站设备故障等问题，本次设计的配套视频监控系统，实现了对泵站各项运行数据的实时监视并对泵站出现故障时，实施向管理人员发出报警，包含以下几个部分：

（1）视频监控点：安装于各泵站及泵井现场，针对关键点进行安防预警监控和设备现状监控，采用日夜型星光级摄像头不间断的监视现场状况，每个摄像头均使用TF卡进行本地视频存储，同时通过交换机接入泵站自控网络，将视频数据传输至中控室的视频服务器，进行集中的存储、分发。

（2）视频存储服务器：安装于泵站自控中控室机房，将各个节点摄像头的视频集中汇总至视频存储服务器集中存储，并通过网络进行分发。

（3）视频监控客户端：包含桌面集中视频展示、视频管理、视频分析和移动端的实时视频浏览，实现控制中心及远端行政管理人员对于泵站泵井现场状况的监控和管理。

四、结语

综上所述，基于工业物联网的泵站自动化系统改造项目，采用工业传感器、以太网、云服务器等技术，实现了对泵站和泵井的远程自控及视频监控，为在污水处理收集中一体化泵站的应用及施工要点有了更深的了解，对今后污水处理工程中泵站及一体化泵站的控制提供了参考作用。