姚 波

（威海市水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 威海 264200）

1 引言

排污提升泵站是城市排污系統(tǒng)最主要的節(jié)點(diǎn)，也是城市水污染防治和城市排污防澇的骨干工程，擔(dān)負(fù)著收集城市生活和生產(chǎn)污水，并及時排放的任務(wù)，是保證城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生命線。伴隨著我國城市化的進(jìn)程，城市中所產(chǎn)生的生活污水越來越多，水量變化越來越大，控制難度也越來越高；威海市作為一個半山區(qū)的城市，排污泵站特別多、且分散，原來長期需要人工手動操作，存在著占用大量人力資源、人為主觀操作、水泵運(yùn)行負(fù)荷不均衡、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)缺陷、缺少生產(chǎn)調(diào)度管理平臺、無法平衡管網(wǎng)負(fù)荷分配，缺欠對管網(wǎng)過壓保護(hù)和泵站監(jiān)控的管理手段。

為了提高城市污水排放自動化控制能力，同時提升生產(chǎn)控制、管理水平，威海市水務(wù)集團(tuán)公司決定對現(xiàn)有污水泵站進(jìn)行全方位的技術(shù)改造，要求技術(shù)起點(diǎn)高，經(jīng)濟(jì)效益要明顯，爭取在2～3年內(nèi)收回全部投資成本。項(xiàng)目于2007年初獲得世界銀行貸款批準(zhǔn)起動建設(shè)，2007年10月完成，完成后的系統(tǒng)采用了先進(jìn)的控制技術(shù)、結(jié)合模糊控制理論，并綜合GIS和專業(yè)模型的優(yōu)勢，提供全面的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理和控制分析手段，實(shí)現(xiàn)了排污泵站運(yùn)營監(jiān)控的科學(xué)管理；該模式以無人值守的自控方式及時處理泵站可能出現(xiàn)的任何問題，同時采集泵站在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用VPN通信上傳到生產(chǎn)管理調(diào)度控制中心，進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制、管理和分析、模擬，為排水泵站的控制、運(yùn)行、維護(hù)提供動態(tài)可靠的專業(yè)數(shù)據(jù)依據(jù)，解決了原有排污泵站落后的人工運(yùn)行方式，避免所出現(xiàn)的生產(chǎn)成本高、管理手段難、設(shè)備能耗大、生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)數(shù)據(jù)缺等問題。

2 設(shè)計原則

排污泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控中對每個泵站控制策略的編程設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)，同時也要兼顧泵站本身作為城市排污管網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中對管道網(wǎng)絡(luò)和下游泵站的負(fù)荷沖擊，因此我們開發(fā)了一套針對城市排污泵站的信息管理平臺（Infowater），把“城市排污泵站遠(yuǎn)程控制功能”與“數(shù)據(jù)管理分析功能”融合在一體形成城市排污泵站控制的綜合化信息管理平臺。完備的信息管理平臺包含泵站在線監(jiān)控系統(tǒng)、硬件支撐平臺和數(shù)據(jù)處理及分析體系，其核心是先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)，它的先進(jìn)程度是由每個泵站控制的實(shí)時性、穩(wěn)定性和先進(jìn)性決定的，我們在設(shè)計和開發(fā)過程中充分利用模糊控制和虛擬編程技術(shù)，既考慮泵站控制的多樣性和復(fù)雜性，又兼顧控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；建立了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成和管理、綜合數(shù)據(jù)的分析和查詢等專業(yè)的排水系統(tǒng)控制模型。在操作方面，具備便捷的數(shù)據(jù)編輯和維護(hù)能力、流程化應(yīng)用與系統(tǒng)分析功能；信息管理平臺（Infowater）具備普適性，能夠?yàn)榕潘谜颈O(jiān)控、管理、模擬、和分析提供可擴(kuò)展伸縮的、可嵌入流程的、可靈活建設(shè)的高效解決方案；做到運(yùn)用先進(jìn)的控制理論、科學(xué)的通信管理、全面的數(shù)據(jù)分析，對城市污水泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程無人值守化控制，為遠(yuǎn)程監(jiān)控管理提供各種生產(chǎn)管理手段，為各相關(guān)生產(chǎn)部門提供多專業(yè)、多層次、多目標(biāo)的綜合生產(chǎn)信息管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)城市排污泵站基于數(shù)據(jù)綜合管理平臺的監(jiān)控管理。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

威海城市排污泵站采用分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)，泵站控制以分散控制、集中管理的方式進(jìn)行設(shè)計。軟件設(shè)計采用分層結(jié)構(gòu)，分別是：基礎(chǔ)控制平臺層、通信應(yīng)用調(diào)度層、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理層和生產(chǎn)質(zhì)量分析層，其中基礎(chǔ)控制層軟件是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，如圖1所示。

3.1 控制功能軟件

控制功能軟件是現(xiàn)場控制器的主程序，實(shí)現(xiàn)泵站無人職守下的全部控制功能，包含程序初始化、遠(yuǎn)程遙控、參數(shù)修改、水位自控、設(shè)備運(yùn)行及事故應(yīng)急等多種功能，其特點(diǎn)是集數(shù)據(jù)采集、通信、遙控、自控于一體，完成各種參數(shù)的自動巡回檢測，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、運(yùn)算、存儲、輸出、報警，與遠(yuǎn)程控制中心通過VPN通信方式構(gòu)成廣域通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和控制。

圖1 軟件數(shù)據(jù)框架圖

（1）采集泵站數(shù)據(jù)：壓力、水位、水位差、流量等。

（2）控制泵站設(shè)備：水泵運(yùn)行、電動閘閥動作、格柵啟停等。

（3）水泵運(yùn)行管理：根據(jù)水位變化和設(shè)備狀態(tài)，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行時間，自動調(diào)整水泵運(yùn)行順序。

（4）實(shí)時通信校正：解釋、執(zhí)行中控室的遙控指令。

（5）故障應(yīng)急處理：對故障源定位、報警和處理。

（6）模糊控制判斷：根據(jù)不同水位區(qū)域，結(jié)合水位變化率，準(zhǔn)確判斷水泵投運(yùn)數(shù)量。

3.2 分布式實(shí)時數(shù)據(jù)庫

采用Realinfo分布式數(shù)據(jù)庫，其具有友好性、易學(xué)性、定制開發(fā)簡單、功能多的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)通信故障時，下層數(shù)據(jù)源能夠?qū)嗑€期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并能自動恢復(fù)到上層服務(wù)器，保證歷史數(shù)據(jù)的完整性和一致性，其主要特性有：

（1）多種數(shù)據(jù)采集手段，實(shí)現(xiàn)企業(yè)級數(shù)據(jù)匯總。

（2）數(shù)據(jù)時間標(biāo)記，保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

（3）統(tǒng)計計算方法，能及時、直觀地了解運(yùn)行情況。

（4）提供了多種數(shù)據(jù)處理手段，滿足大多數(shù)的需要。

（5）分析工具有助于管理者作出正確的決策。

（6）高效數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)控制與管理的數(shù)據(jù)共享。

（7）網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，及時監(jiān)控生產(chǎn)。

3.3 HM I監(jiān)控軟件

采用自由組合繪圖處理技術(shù)，通過腳本可以在畫面中添加新的圖元、替換圖元、替換圖元中引用的變量，因此可以根據(jù)實(shí)際情況因地制宜的生成畫面，特別適合于用戶日后的維護(hù)和修改，如圖2所示標(biāo)準(zhǔn)趨勢框圖可以由用戶自由組合趨勢曲線，方便對比和查詢；報表中的多種數(shù)據(jù)處理手段，滿足大多數(shù)的需要，并且提供大量的分析工具，如事故追憶、質(zhì)量分析等，有助于管理者作出正確的決策。

圖2 監(jiān)控畫面瀏覽

3.4 安防監(jiān)控軟件

安裝設(shè)置紅外對射報警和視頻監(jiān)控裝置，達(dá)到防盜的要求，通過VPN通信接入監(jiān)控中心數(shù)字化圖像監(jiān)控工作站，進(jìn)行報警顯示、記錄和錄像，監(jiān)視污水泵站設(shè)備安全和水位實(shí)況。

4 模糊控制應(yīng)用

排污泵站水泵優(yōu)化控制方面采用了先進(jìn)的模糊控制方法，如圖3所示。在根據(jù)集水池水位對水泵進(jìn)行常規(guī)控制的同時，這里充分考慮了區(qū)域水位波動可能對水泵起動產(chǎn)生的干擾，以及上游泵站和管網(wǎng)進(jìn)水量變化對水泵運(yùn)行造成的影響，把一些常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)策略判斷融合到控制程序中，使泵站的自動化化控制即考慮到泵站本身運(yùn)行的穩(wěn)定性，又兼顧其在整個城市污水排放系統(tǒng)中的平衡作用。

泵站的傳統(tǒng)控制只考慮了液位的隨機(jī)變化，沒有考慮液位的變化速率，如果泵站集水池體積不是很大，容易造成水泵的頻繁起停和水位波動。采用計算機(jī)控制技術(shù)和先進(jìn)液位檢測儀表，可以非常簡便地得到液位差和液位變化率，并通過引入模糊控制方法，利用液位變化率，實(shí)現(xiàn)PD控制結(jié)構(gòu)，能明顯提高泵站對進(jìn)水量變化的真實(shí)響應(yīng)能力。

本項(xiàng)目在編程過程中結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際，對排污泵站進(jìn)行了模糊控制方法實(shí)施，采用三個模糊變量：液位差（E），液位變化率（EC），起動泵臺數(shù)（U）其中E和EC為輸入模糊變量，U為輸出模糊變量。模糊控制器由PLC編程實(shí)現(xiàn)，是一種非線性的PD控制方式。

圖3 模糊控制框圖

將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊變量的過程稱為模糊化，即在“成員功能單元”幫助下進(jìn)行，將高、低之類的術(shù)語準(zhǔn)確地與某一特定值相對應(yīng)。

例如：泵站水位的液位差和變化率分別取NB、NS、ZR、PS、PB五個值，對應(yīng)著很低、低、優(yōu)、高、很高。

分為5檔7級，即｛3，-2，-1，0，+l，+2，+3｝。

在各變量函數(shù)選擇時，我們參考威海市原有泵站情況和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際控制要求，對液位變化率和控制變量采用三角函數(shù)形式。在選擇變量的隸屬度時，進(jìn)行了大量的現(xiàn)場調(diào)查，首先對系統(tǒng)進(jìn)行計算機(jī)模擬，在保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的情況下，進(jìn)行在線調(diào)試，最后確定了較合理的經(jīng)驗(yàn)策略。

根據(jù)每個泵站現(xiàn)場具體工作情況，確定每個泵站的集水井液位變化范圍在L1（m）到L2（m）之間，液位基準(zhǔn)值L，液位差的變化范圍控制在（-1m，+1m）之間，通過以下公式可以得到液位與液位差E論域元素之間的變換關(guān)系：

注：X為液位值測量值，Y為量化級數(shù)

排污泵站的液位變化率可以通過計算獲得，依據(jù)集水井最大進(jìn)水量為 m萬立方/天，允許最多起動水泵工作臺數(shù)的最大提升流量為 m立方/小時等數(shù)據(jù)，根據(jù)集水井容積V，計算出單位時間的最大液位變化率，可以得到液位變化率的量化關(guān)，如圖4所示。

圖4 模糊控制框圖

通過模糊計算，控制單元將輸入的變量同受控變量聯(lián)系起來，形成“推理”，在受控變量眾多的結(jié)果中總結(jié)各自的適用范圍，稱為“合成”；將得到規(guī)則的各自模糊關(guān)系進(jìn)行合并運(yùn)算，得到總的控制表。最后，將模糊形式確定的受控變量變回數(shù)量值進(jìn)行去模糊，得到最終控制結(jié)果。

因此在模糊控制中，不存在語句必須是真或假的基本規(guī)則，克服了二進(jìn)制邏輯固定限量的弊端。把水位測量值和水位實(shí)際上、下變化率計算結(jié)合起來，避免水泵頻繁啟停，提高了設(shè)備的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定；所以把“經(jīng)驗(yàn)策略”通過軟件設(shè)計應(yīng)用到泵站控制的實(shí)際工程上，能使控制系統(tǒng)變得更“聰明”。

5 虛擬編程技術(shù)

在泵站水泵運(yùn)行順序控制方面我們設(shè)計的思想是當(dāng)一臺泵起動時，真對本次運(yùn)行時間進(jìn)行計時，同時將其加到累計運(yùn)行時間上，并按每個泵的累計運(yùn)行時間進(jìn)行排序，按排序結(jié)果置相應(yīng)的起動序號。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)模糊控制器的輸出判定需要起動泵時，程序檢測相應(yīng)的起動序號，按起動序號起動相應(yīng)的水泵，停止序號的設(shè)定在起動時也同時完成的，即起動每一臺泵時，按順序也同時設(shè)定其停止序號，以保證先啟的泵先停，后啟的泵后停，避免一臺或數(shù)臺水泵長期工作，其他水泵閑置的情況；因此，當(dāng)出現(xiàn)某一臺泵故障時，自動控制程序會跳過該泵而正常運(yùn)行控制，增強(qiáng)了自動程序的故障處理能力。

由于控制器CPU的局限性，在進(jìn)行復(fù)雜控制時對控制器資源要求很大，會造成CPU不必要的負(fù)擔(dān)，為此我們在編程過程中把程序虛擬化，只考慮出現(xiàn)的情況，不進(jìn)行全部設(shè)備優(yōu)化；例如：在排序過程中如果某個水泵出現(xiàn)故障或現(xiàn)場手動而不參加自動控制排序，控制程序編程中不進(jìn)行重新排列而出現(xiàn)多種組合，而是用A、B、C、…、虛擬水泵號代替1#、2#、3#、…、實(shí)際水泵，如圖5所示。水泵序列號和程序控制號自動調(diào)用對應(yīng)，有幾個泵運(yùn)行就直接調(diào)用其所對應(yīng)的虛擬程序，這樣就大大降低了程序編程量和CPU占有量。

圖5 虛擬編程技術(shù)

所以通過上述的編程方式即利用PLC完成了復(fù)雜控制，又能大大減少對系統(tǒng)資源的占用，從而保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，圖6給出了整個泵站的邏輯控制圖。

圖6 程序控制框圖

6 結(jié)論

威海市利用世界銀行貸款建設(shè)的排污泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行以來，泵站管理人員在中央控制中心遠(yuǎn)程監(jiān)控各個泵站的運(yùn)行，記錄/匯總泵站中各種設(shè)備/工藝的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有效的管理；泵站實(shí)現(xiàn)了“無人值守”，改善了生產(chǎn)條件，減輕了勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了泵站管理的先進(jìn)性、安全性和高效性；通過數(shù)學(xué)建模，建立排污泵站群生產(chǎn)運(yùn)行的最優(yōu)化模型，進(jìn)一步降低泵站生產(chǎn)能耗，完全符合威海水務(wù)集團(tuán)預(yù)期的要求。

[1] 龐文堯.計算機(jī)控制技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2008, 12.

[2] Fuzzy control.Robert Babuska and Ebrahim Mamdani(2008), Scholarpedia, 3(2):2103.