无人值守泵站的工艺逻辑设计及应用

2022-06-28陆栩

大科技 2022年24期

陆栩

（上宸工程设计集团有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

近年来，人们对于环境保护话题愈发关注，城市污水是人们日常接触最多的污染物质之一，城市污水的有效处理是保护城市绿色生态环境的关键点。相对于大型污水处理厂，污水泵站具有建设周期短、占地面积小、价格较低、建设环境要求低的优势，但其在城市中的分布大多较为分散，难以统一管理，进而使得在后期运营中耗费的人力、物力资源大幅度上升[1]。因此，本研究基于无人值守的概念对传统污水泵站进行了改良设计，在不影响其工作效率的情况下，降低管理成本，为研究人员开发更加具有推广使用价值的污水无人值守泵站提供参考。

1 无人值守泵站的设计思路与原则

1.1 设计思路

创建一个完善先进的城市污水处理流程，其基础是必须具有先进的污水处理设备、检测设备、监视设备、控制设备及简单易操作的稳定的应用控制渠道，多方面共同进步才能保证污水处理工作的质量与效率，实现污水无人值守泵站的科学化经营管理[2]。在使得污水处理流程自动化后，通过调整无人值守泵站的控制模式，优化城市污水的处理方案，减少泵污水处理站工作所消耗的能源、物力资源和人力资源，使无人值守泵站逐步走向安全保障、高效处理、经济实惠的发展道路[3]。因此，本研究所提出的无人值守泵站设计思路如下：无人值守泵站主要由两部分组成，第一部分是完成污水处理的工作设备的自动化及远程可控制化，第二部分实现泵站工作无人值守的控制系统。首先，无人值守泵站的污水处理设备与传统污水泵站在污水处理原理上是相同的，都是将城市污水集中到泵站的污水池中，再根据污水种类等使用相关污水处理材料及设备进行处理，之后由污水池排出到城市地下水系统[4]。无人值守泵站的污水处理系统由三个污水泵池配合两台水泵进行工作，城市污水通过水泵集中进入无人值守泵站后，首先进入中间泵池进行沉降，沉降结束后污水进入降解泵池，进行降解处理后再次流入污水泵池，通过污水泵完成污水排放。这项工作在传统污水泵站中需要16～20 人同时进行工作，且工作量较大，工作环境恶劣[5]，因此在无人值守泵站的设计中应设置污水泵的自动化管理系统。其次，在污水处理自动化的基础上，其设计思路如下：①污水处理设备的自动化控制。②污水处理设备故障信息自动传输。③无人值守泵站工作情况实时检测。④无人值守泵站管理远程控制。结合无人值守泵站的所需功能，本研究进行了污水泵站的改良设计。

1.2 设计原则

无人值守泵站的设计原则如下。

（1）污水排放安全。无人值守泵站应保证排出污水的安全性，在污水未达到国家标准前绝不将污水排出[6]，因此，在设计无人值守泵站时要充分考虑城市污水的多样性，让无人值守泵站在脱离大量人工监管的情况下仍然能够安全高效完成污水处理工作。

（2）故障及时应对。在设计无人值守泵站的信息传输系统时，要考虑到设备故障信息的传递及时性[7]，采用多类型信息传输模式，在无人值守泵站发生故障时，结合网页、APP、短信等方式，及时提醒管理人员组织工程师进行检修[8]。

（3）设备安防管理。在设计无人值守泵站的监控系统时，不仅要保证无人值守泵站内设备的监控，还需考虑无人值守泵站设备的相关安防管理监控，将二者结合形成无人值守泵站特有的独立监控系统，以便管理者对无人值守泵站进行管理[9]。

（4）保持一定空白空间。无人值守泵站作为小型污水泵站，其大多分散分布在城市各个地点，在设计无人值守泵站时要考虑到城市环境的变化性，在设计无人值守泵站建设方案时预留一定的空白空间[10]，以便在后期无人值守泵站因周围环境变化而加大工作量时，管理者能够快速建设新的电路设备硬件，及时扩展无人值守泵站系统管理范围。

2 无人值守泵站的设计方案

2.1 污水处理设备自动化

污水处理设备自动化改造的重点主要在污水池水泵的自动控制，最终达到污水池的污水含量在无人值守泵站的处理能力范围内，避免出现污水含量过多而处理不足，出现无人值守泵站排出的处理后污水不符合国家标准要求的情况，其结构设计如图1 所示。在设置污水池时提前根据无人值守泵站工作量计算好污水池的预设水位及水位，并在水位界线出设置a、b、c、d4个感应器，感应器与污水泵A、B 相连接控制。当污水池中的水位达到期望水位时，感应器b 向污水泵A 传输幸好，污水泵A 自动关闭，停止污水流入；若当水位超过期望水位达到水位上限时，感应器a 向管理人员发送故障警报，管理人员立即人工停止污水泵A 工作并检查解决污水泵A 的故障。在进行一段时间的污水处理后，污水通过污水泵B 排出无人值守泵站，当水位降低到期望水位时，感应器c 向污水泵B 发出关闭指令，停止污水的流出并向污水泵A 发出开启指令，增加污水池中的污水量；当污水水位过低达到感应器d 的位置时，感应器d 向管理人员发出警报，提醒管理人员检查污水池时候发生泄漏或其他故障。

图1 无人值守泵站污水自动化处理系统

2.2 无人值守泵站远程控制系统

建立无人值守泵站远程控制系统需要在泵站原有的通信电路基础上，以可编程逻辑控制器（PLC）对无人值守泵站现场的各个设备数据进行分析采集并对设备发出相关控制指令，可编程逻辑控制器连接通用分组无线业务设备（GPRS），并利用网络向管理人员输送无人值守泵站故障等信息于云服务器中，管理人员即可通过手机或电脑及时接收无人值守泵站故障灯信息，并通过远程控制无人值守泵站中的相关设备，做到设备及时停启及故障及时检修。无人值守泵站的设计要点如下：①可编程逻辑控制器（PLC）。PLC 是无人值守泵站远程管控的关键部分，其直接连接着无人值守泵站的各设备自动管理系统，对无人值守泵站设备的工作状态进行实时监控，并在设备出现故障时输出信号，从而减少无人值守泵站设备工作的监察工作人员数量，让无人值守泵站管理人员一人即可实时掌控无人值守泵站的所有设备情况。②通用分组无线业务设备（GPRS）。在PLC 对无人值守泵站进行整体管理后，GPRS 设备实现了无人值守泵站的远程化管理。GPRS设备与PLC 连接后，PLC 所检测到的数据信息可以随时上传至网络，直接连接管理人员的手机或电脑云平台，使得管理人员即使在无人值守泵站的千里之外，依然能够随时管控无人值守泵站，实现泵站无人值守运营。③无人值守泵站远程控制系统。在PLC 与GPRS 连接完毕后，控制系统的基本构架已经完成，但管控无人值守泵站不仅仅只有这两项工作，在远程控制系统的实际应用中，还应将无人值守泵站的设备监控系统、污水处理辅料投入系统、无人值守泵站安防管理系统等同时纳入远程管理系统，做到真正的无人值守泵站一体化管理。

2.3 无人值守泵站总结构设计

在建设无人值守泵站时，要将自动化污水处理设备与远程控制系统相结合起来，共同运作完成无人值守泵站的污水处理工作，其总体结构如图2 所示。无人值守泵站控制系统功能包含以下4 个部分：①无人值守泵站远程控制。污水泵的开启与关闭，自动污水处理工作，污水进出阀门的自动控制与远程人工控制。②视频监控。无人值守泵站配置有摄像头等视频监控装置，起到辅助无人值守泵站整体环境的现场监控，包括污水处理设备监控及无人值守泵站安防环境监控等，使得无人值守泵站处理污水工作能够得到有效控制，管理人员以手机或电脑即可通过视频监控无人值守泵站现场，直接观察到无人值守泵站的运作情况及现场是否有无关人员进入。③故障警报。在无人值守泵站设备出现问题时，向管理人员发送故障警报信息，包括故障发生内容、发生时间、故障维修恢复时间，无人值守泵站设备恢复工作后自动生成警报时间并整合成文件并提供多种查询方法，以年为单位统计无人值守泵站故障发生情况，以供管理人员查看，调整设备日常保养安排，对常发生故障的设备进行检修更换。④统计计量。系统自动记录无人值守泵站内污水泵、阀门设备的启、停次数及运行总时间，对处理后排出污水的检测结果进行记录、分析，以年为单位生成无人值守泵站工作报告。

图2 无人值守泵站结构

3 无人值守泵站的应用

3.1 应用效果

实验选取了位于北京的一处污水处理泵站进行改造，在完成对传统污水泵站的无人值守改造后，即使在污水处理的高峰期，污水池中的污水都保证在预设范围内，且经过处理排出的污水皆达到了国家标准的要求。管理者通过无人值守泵站管理终端远程管理污水泵，且成果接收到了无人值守泵站控制系统传输的无人值守泵站设备故障信息，及时进行了相关处理。在工作两年后，经统计发现，该地区污水处理效率明显上升，无人值守泵站自动化运行良好，在两年内仅发生了1 次设备故障，并及时得到了解决，无人值守泵站的工作人员由原本的19 人转变为2 人，无人值守泵站运营成本大大降低，设备使用年限增长，无人值守泵站经济效益增长显著。

3.2 产生的问题及解决建议

虽然无人值守泵站的使用优势众多，但在其运行期间依然出现了部分问题。下文对这些问题进行阐述并提出解决建议，以期相关人员在后续研究中能够进一步优化无人值守泵站的工艺逻辑设计。

（1）设备老化。在无人值守泵站的改造过程中，发现原有污水处理设备老化严重，部分设备出现了磨损或毁坏，这加大了污水处理设备自动化改造难度，对于后续无人值守泵站设备的故障维修、日常保养等也造成了极大的麻烦。对于这个问题，相关人员在对传统泵站进行无人值守改造是要提前对泵站设备进行检查更换，并定时安排人员对所有设备进行保养，以保证无人值守泵站的运行流畅。

（2）管理人员专业能力不足。无人值守泵站减少了人力资源的耗费，但同时也提高了对管理人员专业能力的要求。与传统泵站不同，无人值守泵站的管理人员需要掌控无人值守泵站全部工作流程，在无人值守泵站设备出现问题时要能够立即给出解决方案并及时对故障设备进行处理，尽可能减短无人值守泵站设备故障延续时间，快速恢复无人值守泵站工作系统以减少无人值守泵站经济损失。要解决该问题，需要城市环境管理部门与管理人员共同努力，一方面城市环境管理部门应提供足够的专业技术培训，以提高管理人员专业能力，另一方面，管理人员本身也应积极学习无人值守泵站及污水处理的相关知识，掌握无人值守泵站设备各种类故障的处理方法，维持无人值守泵站运行的稳定性。