市政排水泵站调度的多层控制模型与仿真研究

市政排水泵站调度的多层控制模型与仿真研究

汪丽

天津市排水管理事务中心第一排水管理所

摘要：泵站是城市排水系统的重要组成部分，泵站调度是城市排水系统功能正常发挥的关键。为实现面向城市排水泵站的无人值守、自动调度以及调度决策智慧化等目的，全面提升泵站乃至城市排水系统的智能化水平，设计了城市排水泵站调度的三层控制模型。在三层控制模型中，底层用于实现单个泵站中多台水泵的运行调度，中层用于实现系统中全部泵站的调度，顶层用于实现基于大数据的排水系统调度决策。为证明所设计的城市排水泵站调度三层控制模型的可行性，对该模型进行半实物仿真。仿真结果表明，面向城市排水系统调度的三层控制模型比传统控制模型运行更加稳定、高效。

关键词：城市排水；自动化系统；水泵调度；智能化控制；SCADA系统

引言

城市排水系统是市政工程建设中的重要基础设施。内涝灾害是城市化带来的城市型洪水灾害，对经济社会发展造成极大的危害。但城市排水系统雨水排水调度的自动化水平不高，一般排水泵站调度基本还是依赖于人工，通过调度人员分析运行参数，依靠电话下达调度命令。

在城市排水调度中需要能及时、准确地掌握城市排水系统运行状态等相关信息，从而科学、有效地对排水系统中的现场设备进行调度。现有的面向排水泵站系统的数据采集与监控主要基于SCADA系统，而SCADA系统搭建通常基于组态软件。目前SCADA系统可监控设备的现场状态并进行控制，实现简单的泵调度策略。但其对大数据的决策能力有限，通常需要设计第三方智慧决策程序对设备进行智能化控制，第三方应用程序通常需要通过组态软件与数据库实现对下位机末端设备的控制。针对自动化控制系统中存在的问题，通过修改排水泵站PLC程序，实现设备的自动化运行，并在上位机控制系统中应用ODBC和ADO方法实现组态软件与数据库的交互。最后由第三方应用程序作出决策，通过数据库下达控制指令。本文对底层PLC对水泵的控制、SCADA系统对水泵的控制、基于第三方决策的控制共三层控制机制进行设计与实现，以进一步提升排水系统自动化控制的信息化与智能化水平。

1.相关研究

在工业领域，控制系统主要通过工业过程控制部件对实时数据进行采集、监测，在计算机的调配下实现自动化系统的管理与监控。现阶段工业控制系统的控制对象包括机械装置、交通工具、实验装置、仪器仪表，以及家庭生活设施、家用电器等。国家核设施、钢铁、有色金属、化工、电力、天然气、水利枢纽、铁路、民航、城市供水供气供热等都是工业控制系统信息安全管理的重点领域。典型的基于PLC的工控系统分为站控层、现场控制层和过程层。其中，站控层部署在上位机，现场控制层主要以下位机PLC为控制单元，过程层主要包括现场设备如传感器、开关阀门等。上位机与PLC下位机之间通过工业以太网进行通信，PLC下位机与现场设备通过现场总线进行通信。目前，大多数组态软件提供用户可配置的数据采集程序。基于COM技术的OPC标准自动化接口实现了OPC服务器与OPC应用程序之间的数据交换，一般通过VB.NET中的ADO.NET组件连接数据库进行数据访问。但OPC服务器配置成本过高，无法得到普遍应用。本文在半实物仿真系统中将利用组态软件中的相关ADO组件进行数据库连接。

2.系统架构

为实现排水泵站控制系统中的无人值守功能以及泵站的自动化控制，进一步实现灵活且可变通的控制方式，本文设计系统架构如图1所示。主要控制模型体系分为3层：Ⅰ层为现场控制层，主要包括仪表和水泵等底层设备，基于PLC对现场仪表和泵组进行控制；Ⅱ层为SCADA层，在中控室内搭建SCADA监控系统，完成所有泵站的信息采集与联动，实现多泵站的联合调度；Ⅲ层为应用层，在后期决策时，应用层将根据更多信息对各泵站的调度进行更高级的决策。

图1系统架构

图1中，Ⅰ层控制层通过PLC内预先编译的梯形图程序控制设备启停，并采集流量信号和水位信号、水泵状态等设备数据。控制层可通过工业以太网、RS485总线等方式与SCADA层连接。Ⅱ层SCADA层一般设有中央控制室，实现对各泵站现场运行设备状态的显示与控制，并采集状态数据，通过操作界面实现对现场的远程监控，完成简单的人工调度，最后将各泵站数据上传至应用层。Ⅲ层第三方应用层通过外部数据库接收SCADA层上传的设备数据，结合外部数据库中存储的其它数据如天气数据、历史决策数据等，对数据进行分析处理，最后作出智能决策，之后再通过SCADA层将决策下达至下位机PLC，实现对设备的控制。

3.半仿真实例设计

本文实现了一个面向排水系统水泵调度的控制系统，以泵的工作时间和负载平衡为约束，模拟对排水系统中泵的调度。半实物仿真排水部分由1个蓄水池、2个12V水泵和1个24V水泵以及1个液位传感器组成。此外，为实现系统水循环利用，设置了由辅助排水系统运行的回水系统，分别由1个蓄水池、1个12V和1个24V水泵以及1个液位传感器组成，未来还可模拟城市地表降雨情况。

系统分为现场控制层、SCADA层、应用层三层。其中现场控制层的PLC采用西门子S7-200，CPU224XP。其中，数字量输入寄存器I用于PLC的输入，该寄存器内容系统只能读取，不能修改。

本仿真系统不使用输入寄存器，利用PLC内部的位存储器M寄存器进行命令修改，输出寄存器Q输出高电平用于控制设备。

与继电器相连，输出高电平对水泵进行控制。设定Q0.0-0.4作为5个水泵的输出，M0.0-M4.0作为中间继电器控制5个水泵的输出，通过连接PLC内部的寄存器与继电器，编译相关梯形图实现对设备的并行控制。当接通PLC电源时，自动实现对液位传感器的控制，并采集相关液位数据。SBR0模块与SBR1模块分别为排水系统和辅助回水系统的液位采集模块，可实现对各个系统的液位采集。利用梯形图中与液位采集模块并行的程序实现对各水泵的控制，当位寄存器M置1时启动水泵，置0时关闭水泵。

SCADA层基于在Windows操作系统下应用的组态软件进行系统搭建，实现对现场的部署，由于本实例系统设置在本地，组态软件将通过PPI-USB电缆连接PLC，并设置相关组态变量连接其寄存器M0.0~M4.0实现对现场的直接控制，通过组态软件在界面上设置开关，并绑定对应水泵的变量，从而实现用户通过组态界面对水泵的直接控制。

SCADA层与应用层可基于以太网连接外部数据库进行数据交互。外部数据库变量绑定组态变量，使应用层通过写入数据库变量实现对组态变量的控制。在组态软件中以ADO方式连接外部数据库，首先在Windows上配置ODBC关系数据源，根据所适用的外部数据库属性进行配置，完成ODBC数据源与外部数据库的通讯；然后在组态软件（以力控组态软件为例）中选择ADO组件，连接同一ODBC数据源，通过数据表绑定功能将数据表变量与组态变量绑定起来。

结语

在排水泵站中将基于SCADA系统的数据采集、基于数据库的上位机控制以及第三方程序结合大数据整合分析3种关键技术相结合，实现了对水泵自动化控制系统的智能化改进。设计半仿真实例进行实验，并基于数据库完成三层控制层的信息交互。随着自动化控制、网络和信息技术的不断发展，未来的智能化泵站将基于大数据与物联网技术，并向“使用更方便、响应更快捷、系统稳定性更强”的方向发展。通过智能化泵站信息系统建设、运行、管理及优化经验的不断积累，同时继续在实践中整合优势资源、顺应时代潮流、吸纳先进理念、尝试新设备与新技术，从而将“无人运行的智能化泵站”向“智慧泵站”的方向逐步推进，使城市的排水泵站运行更加安全、高效和稳定。

参考文献

[1]张玉鹏.基于雨水管理理念的城市排水规划研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[2]陈刚，王琳，王晋.城市排水系统发展研究综述[C].环境工程2019年全国学术年会，2019：96-99，148.