張振亞，施 璇，駱麗春，王 萍

（1.安徽建筑大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，安徽合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230022）

0 引言

城市排水系統(tǒng)是市政工程建設(shè)中的重要基礎(chǔ)設(shè)施。內(nèi)澇災(zāi)害是城市化帶來(lái)的城市型洪水災(zāi)害，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成極大的危害［1］。但城市排水系統(tǒng)雨水排水調(diào)度的自動(dòng)化水平不高，一般排水泵站調(diào)度基本還是依賴(lài)于人工，通過(guò)調(diào)度人員分析運(yùn)行參數(shù)，依靠電話(huà)下達(dá)調(diào)度命令［2-3］。在城市排水調(diào)度中需要能及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握城市排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等相關(guān)信息，從而科學(xué)、有效地對(duì)排水系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度。

現(xiàn)有的面向排水泵站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控主要基于SCADA 系統(tǒng)［4］，而SCADA 系統(tǒng)搭建通?；诮M態(tài)軟件。目前SCADA 系統(tǒng)可監(jiān)控設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)并進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的泵調(diào)度策略。但其對(duì)大數(shù)據(jù)的決策能力有限，通常需要設(shè)計(jì)第三方智慧決策程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行智能化控制［5］，第三方應(yīng)用程序通常需要通過(guò)組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)末端設(shè)備的控制。針對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，通過(guò)修改排水泵站PLC 程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，并在上位機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用ODBC 和ADO 方法實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互［6］。最后由第三方應(yīng)用程序作出決策，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)下達(dá)控制指令。本文對(duì)底層PLC對(duì)水泵的控制、SCADA 系統(tǒng)對(duì)水泵的控制、基于第三方?jīng)Q策的控制共三層控制機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步提升排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制的信息化與智能化水平。

1 相關(guān)研究

在工業(yè)領(lǐng)域，控制系統(tǒng)主要通過(guò)工業(yè)過(guò)程控制部件對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)，在計(jì)算機(jī)的調(diào)配下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的管理與監(jiān)控［7］?，F(xiàn)階段工業(yè)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象包括機(jī)械裝置、交通工具、實(shí)驗(yàn)裝置、儀器儀表，以及家庭生活設(shè)施、家用電器等。國(guó)家核設(shè)施、鋼鐵、有色金屬、化工、電力、天然氣、水利樞紐、鐵路、民航、城市供水供氣供熱等都是工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全管理的重點(diǎn)領(lǐng)域［8］。典型的基于PLC 的工控系統(tǒng)分為站控層、現(xiàn)場(chǎng)控制層和過(guò)程層。其中，站控層部署在上位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)控制層主要以下位機(jī)PLC為控制單元，過(guò)程層主要包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如傳感器、開(kāi)關(guān)閥門(mén)等。上位機(jī)與PLC 下位機(jī)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，PLC 下位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信［9］。目前，大多數(shù)組態(tài)軟件提供用戶(hù)可配置的數(shù)據(jù)采集程序。基于COM 技術(shù)的OPC 標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)了OPC 服務(wù)器與OPC 應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換［10］，一般通過(guò)VB.NET 中的ADO.NET 組件連接數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)［11-12］。但OPC服務(wù)器配置成本過(guò)高，無(wú)法得到普遍應(yīng)用。本文在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中將利用組態(tài)軟件中的相關(guān)ADO 組件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)連接。

目前針對(duì)排水系統(tǒng)智能性差、自動(dòng)化水平低等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大多采用分布式控制理論對(duì)排水系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)［13］。一般將PLC 作為系統(tǒng)主控制器，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種多模式運(yùn)行的管理方式。在控制方面，將各功能模塊分成不同單元，最后由控制網(wǎng)絡(luò)將各單元連成整體，負(fù)責(zé)各單元的數(shù)據(jù)交互。如文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)一套以PLC控制單元為核心的煤礦井下排水集中式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停水泵，PLC 控制單元負(fù)責(zé)與地面監(jiān)控中心進(jìn)行通信，同時(shí)也負(fù)責(zé)水泵控制與調(diào)度，系統(tǒng)的可靠性依賴(lài)于PLC 控制單元；文獻(xiàn)［15］結(jié)合分布式控制理論，設(shè)計(jì)一套集中式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由控制主站、控制分站和各種傳感器組成，控制主站負(fù)責(zé)與地面控制單元通信，同時(shí)也負(fù)責(zé)水泵控制與調(diào)度；文獻(xiàn)［16］提出主排水監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)通過(guò)水泵房控制單元實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行；文獻(xiàn)［17］采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，為保德煤礦設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立的自動(dòng)化排水系統(tǒng)，系統(tǒng)由地面控制中心、工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)和水泵控制系統(tǒng)3 部分組成，排水系統(tǒng)的水倉(cāng)分為小水倉(cāng)和中轉(zhuǎn)水倉(cāng)，小水倉(cāng)可自動(dòng)運(yùn)行，每個(gè)中轉(zhuǎn)水倉(cāng)控制系統(tǒng)可以直接接收地面控制中心的指令；文獻(xiàn)［18］設(shè)計(jì)一套獨(dú)立式的煤礦井下排水系統(tǒng)，每臺(tái)水泵都配備了PLC 控制單元，地面監(jiān)控中心可以直接控制每臺(tái)水泵，系統(tǒng)運(yùn)行指令來(lái)自地面，如果通信出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行；文獻(xiàn)［19］在搭建排水系統(tǒng)時(shí)使用一種由3+2 控制結(jié)構(gòu)構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)［20］，即三層設(shè)備兩層網(wǎng)絡(luò)。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，并對(duì)每一層進(jìn)行半仿真實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)排水泵站控制系統(tǒng)中的無(wú)人值守功能以及泵站的自動(dòng)化控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)靈活且可變通的控制方式，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。主要控制模型體系分為3層：Ⅰ層為現(xiàn)場(chǎng)控制層，主要包括儀表和水泵等底層設(shè)備，基于PLC 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表和泵組進(jìn)行控制；Ⅱ?qū)訛镾CADA 層，在中控室內(nèi)搭建SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)，完成所有泵站的信息采集與聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多泵站的聯(lián)合調(diào)度；Ⅲ層為應(yīng)用層，在后期決策時(shí)，應(yīng)用層將根據(jù)更多信息對(duì)各泵站的調(diào)度進(jìn)行更高級(jí)的決策。

Fig.1 System architecture圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 中，Ⅰ層控制層通過(guò)PLC 內(nèi)預(yù)先編譯的梯形圖程序控制設(shè)備啟停，并采集流量信號(hào)和水位信號(hào)、水泵狀態(tài)等設(shè)備數(shù)據(jù)?？刂茖涌赏ㄟ^(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、RS485 總線(xiàn)等方式與SCADA 層連接。

Ⅱ?qū)覵CADA 層一般設(shè)有中央控制室，實(shí)現(xiàn)對(duì)各泵站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)的顯示與控制，并采集狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)操作界面實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成簡(jiǎn)單的人工調(diào)度，最后將各泵站數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用層。

Ⅲ層第三方應(yīng)用層通過(guò)外部數(shù)據(jù)庫(kù)接收SCADA 層上傳的設(shè)備數(shù)據(jù)，結(jié)合外部數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的其它數(shù)據(jù)如天氣數(shù)據(jù)、歷史決策數(shù)據(jù)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后作出智能決策，之后再通過(guò)SCADA 層將決策下達(dá)至下位機(jī)PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

3 半仿真實(shí)例設(shè)計(jì)

本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)面向排水系統(tǒng)水泵調(diào)度的控制系統(tǒng)，以泵的工作時(shí)間和負(fù)載平衡為約束，模擬對(duì)排水系統(tǒng)中泵的調(diào)度。半實(shí)物仿真排水部分由1 個(gè)蓄水池、2 個(gè)12V 水泵和1 個(gè)24V 水泵以及1 個(gè)液位傳感器組成。

此外，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水循環(huán)利用，設(shè)置了由輔助排水系統(tǒng)運(yùn)行的回水系統(tǒng)，分別由1 個(gè)蓄水池、1 個(gè)12V 和1 個(gè)24V 水泵以及1 個(gè)液位傳感器組成，未來(lái)還可模擬城市地表降雨情況。

系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)控制層、SCADA 層、應(yīng)用層三層。其中現(xiàn)場(chǎng)控制層的PLC 采用西門(mén)子S7-200，CPU224XP。PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器如表1 所示。其中，數(shù)字量輸入寄存器I用于PLC 的輸入，該寄存器內(nèi)容系統(tǒng)只能讀取，不能修改。本仿真系統(tǒng)不使用輸入寄存器，利用PLC 內(nèi)部的位存儲(chǔ)器M 寄存器進(jìn)行命令修改，輸出寄存器Q 輸出高電平用于控制設(shè)備。

Table 1 S7-200 CPU224XP internal data memory表1 S7-200 CPU224XP 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

位存儲(chǔ)器M 為梯形圖中啟停設(shè)備的開(kāi)關(guān)，輸出寄存器Q 與繼電器相連，輸出高電平對(duì)水泵進(jìn)行控制。設(shè)定Q0.0-0.4 作為5 個(gè)水泵的輸出，M0.0-M4.0 作為中間繼電器控制5 個(gè)水泵的輸出，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

通過(guò)連接PLC 內(nèi)部的寄存器與繼電器，編譯相關(guān)梯形圖實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的并行控制。梯形圖如圖2 所示，當(dāng)接通PLC 電源時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位傳感器的控制，并采集相關(guān)液位數(shù)據(jù)。SBR0 模塊與SBR1 模塊分別為排水系統(tǒng)和輔助回水系統(tǒng)的液位采集模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的液位采集。利用梯形圖中與液位采集模塊并行的程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)各水泵的控制，當(dāng)位寄存器M 置1 時(shí)啟動(dòng)水泵，置0 時(shí)關(guān)閉水泵。

Table 2 Corresponding relation between pump intermediate relay and output register表2 水泵中間繼電器與輸出寄存器對(duì)應(yīng)關(guān)系

Fig.2 PLC internal pump control program structure圖2 PLC 內(nèi)部水泵控制程序結(jié)構(gòu)

SCADA 層基于在Windows 操作系統(tǒng)下應(yīng)用的組態(tài)軟件進(jìn)行系統(tǒng)搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的部署，設(shè)計(jì)組態(tài)監(jiān)控界面如圖3 所示。由于本實(shí)例系統(tǒng)設(shè)置在本地，組態(tài)軟件將通過(guò)PPI-USB 電纜連接PLC，并設(shè)置相關(guān)組態(tài)變量連接其寄存器M0.0～M4.0 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的直接控制，映射關(guān)系如表3所示。通過(guò)組態(tài)軟件在界面上設(shè)置開(kāi)關(guān)，并綁定對(duì)應(yīng)水泵的變量，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)組態(tài)界面對(duì)水泵的直接控制。

SCADA 層與應(yīng)用層可基于以太網(wǎng)連接外部數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。外部數(shù)據(jù)庫(kù)變量綁定組態(tài)變量，使應(yīng)用層通過(guò)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)變量實(shí)現(xiàn)對(duì)組態(tài)變量的控制。在組態(tài)軟件中以ADO 方式連接外部數(shù)據(jù)庫(kù)，首先在Windows 上配置ODBC 關(guān)系數(shù)據(jù)源，根據(jù)所適用的外部數(shù)據(jù)庫(kù)屬性進(jìn)行配置，完成ODBC 數(shù)據(jù)源與外部數(shù)據(jù)庫(kù)的通訊；然后在組態(tài)軟件（以力控組態(tài)軟件為例）中選擇ADO 組件，連接同一ODBC 數(shù)據(jù)源，通過(guò)數(shù)據(jù)表綁定功能將數(shù)據(jù)表變量與組態(tài)變量綁定起來(lái)。

Fig.3 Water pump control configuration interface圖3 水泵控制組態(tài)界面

Table 3 Drainage system configuration variables connected to PLC corresponding registers表3 排水系統(tǒng)組態(tài)變量與PLC 相應(yīng)寄存器連接

Table 4 Backwater system configuration variable connected to PLC corresponding register表4 回水系統(tǒng)組態(tài)變量與PLC 相應(yīng)寄存器連接

通過(guò)ADO Module 模塊編寫(xiě)ADO 函數(shù)，進(jìn)行組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交互操作。將數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)讀取分為兩個(gè)ADO 模塊，數(shù)據(jù)上傳部分為ADOModule1，數(shù)據(jù)讀取部分為ADOModule2。首先需要連接外部數(shù)據(jù)庫(kù)，然后創(chuàng)建表格，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。

流程1 數(shù)據(jù)庫(kù)連接程序

#ADOModule1.OpenDataBase（）；//打開(kāi)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)；

#ADOModule1.CreateTableEx（“數(shù)據(jù)庫(kù)中的自定義數(shù)據(jù)表名”，“組態(tài)中的變量綁定表”）；//創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)中的表格；

#ADOModule1.OpenRecordSet（“select * from 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表名”）；//打開(kāi)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)集；

流程2 數(shù)據(jù)上傳程序

#ADOModule1.AddNew（）；//向數(shù)據(jù)庫(kù)中添加新數(shù)據(jù)；

#ADOModule1.GetData（“組態(tài)中的變量綁定表”）；//從綁定數(shù)據(jù)表中獲得新數(shù)據(jù)

#ADOModule1.Update（）//更新關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)

應(yīng)用層處理完采集到的數(shù)據(jù)后下達(dá)0/1 水泵啟停指令，上傳到外部數(shù)據(jù)庫(kù)中與組態(tài)軟件變量綁定表的最新一行中，再由組態(tài)軟件讀取決策命令，從而控制現(xiàn)場(chǎng)。

流程3 數(shù)據(jù)讀取程序

#ADOModule2.MoveLast（）；

//將游標(biāo)移向數(shù)據(jù)表中最后一行，即讀取最新一條記錄；

Pump1.PV=#ADOModule2.GetValueByIndexInt（0）

//按照字段索引讀取數(shù)據(jù)，賦值給組態(tài)的變量，如水泵1 的指令在索引0

應(yīng)用層選擇合適的外部數(shù)據(jù)庫(kù)如SQL Server 和Ac?cess 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。SQL Server 用于存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，Access 用于存儲(chǔ)本地?cái)?shù)量較少的數(shù)據(jù)如設(shè)備的物理信息等。應(yīng)用層通過(guò)修改SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中運(yùn)行設(shè)備表的控制啟停指令實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制。

4 總結(jié)與展望

在排水泵站中將基于SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、基于數(shù)據(jù)庫(kù)的上位機(jī)控制以及第三方程序結(jié)合大數(shù)據(jù)整合分析3 種關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的智能化改進(jìn)。設(shè)計(jì)半仿真實(shí)例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并基于數(shù)據(jù)庫(kù)完成三層控制層的信息交互。隨著自動(dòng)化控制、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的智能化泵站將基于大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并向“使用更方便、響應(yīng)更快捷、系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)”的方向發(fā)展。通過(guò)智能化泵站信息系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行、管理及優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，同時(shí)繼續(xù)在實(shí)踐中整合優(yōu)勢(shì)資源、順應(yīng)時(shí)代潮流、吸納先進(jìn)理念、嘗試新設(shè)備與新技術(shù)，從而將“無(wú)人運(yùn)行的智能化泵站”向“智慧泵站”的方向逐步推進(jìn)，使城市的排水泵站運(yùn)行更加安全、高效和穩(wěn)定。