關鍵詞： 智慧泵站 無人值守 物聯(lián)網(wǎng) 智能控制

中圖分類號： TU992.25 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0066-04

泵站是城市水污染防治和防汛排澇的骨干工程，承擔著收集城市雨污水并及時輸送排放的任務，是保證城市排水系統(tǒng)正常運轉的重要節(jié)點。近年來，國家多次發(fā)文提出要提高城鎮(zhèn)污水收集處理能力與防汛排澇能力，建立智能化管控平臺，實現(xiàn)傳統(tǒng)排水行業(yè)的數(shù)字化轉型和效能提升，加速推進新型城鎮(zhèn)化建設。對于泵站的智慧化發(fā)展，從技術層面說，隨著科技的進步，排水泵站自動化程度和信息化程度的不斷提高，智慧泵站最終要達到無人值守的功能目標，是未來行業(yè)技術發(fā)展的必然趨勢[1-3]。

建設智慧泵站，需要充分利用自動控制技術，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、視頻安防等新一代信息化技術，通過將各種先進手段進行集成應用，最終達到無人值守的運行管理目標，這是實現(xiàn)泵站行政管理專業(yè)化和日常運營專業(yè)化的需求體現(xiàn)，也是當前解決泵站人員供需矛盾、提高泵站能效和運行管理水平的有效舉措[4]。隨著近幾年視頻監(jiān)控技術、門禁、周界防范系統(tǒng)、以太網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、信息技術的不斷發(fā)展，電氣產(chǎn)品的日益完善，技術層面實現(xiàn)真正意義的無人值守已無障礙。

當前，國內(nèi)排水泵站的智慧化發(fā)展已有諸多研究和實踐。劉江嘯等人[5]在南水北調(diào)工程中，針對大型泵站機組開發(fā)了一體化智慧管控平臺，并全面實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知采集、智能預警和預測、設備全自動化控制的目標；李家勁等人[6]分析了泵站集中式處理型平臺架構的特點和缺點，并研究了邊緣計算型系統(tǒng)架構的特點以及在排水泵站智慧運管平臺中的應用優(yōu)勢；張皓孫[7]介紹了上海傳統(tǒng)大型污水泵站的智慧化改造過程，并實現(xiàn)了污水泵站無人值守運行的技術目標；針對管理不便的分散式一體化泵站，湯軍[8]、祝雅杰等人[9]分別提出了智慧化運維管理的方法和基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的運營管理系統(tǒng)。本文通過介紹長沙市某泵站的智慧化升級改造實踐，以期為城市排水泵站的精細化管理和智慧化發(fā)展提供經(jīng)驗。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 概況

此泵站為雨、污一體的合建泵站，泵站總裝機容量1 147 kW，總排漬流能力27 918 m3/h（6.63 m3/s），總提升能力3 900 m3/h（0.75 m3/s）。主要設施包括3 臺提升泵（1×37 kW+2×75 kW）、6 臺排漬泵（6×160 kW）、1臺粗格柵抓斗、4 臺細格柵、1 臺皮帶機、10 個閘門、13個閥門、1 臺電磁流量計、3 臺超聲波液位計、1 套植物液除臭系統(tǒng)、3 臺變壓器、1 套計算機監(jiān)控系統(tǒng)等。

按照相關行業(yè)標準劃分，屬于大型泵站，為有人值守半自動聯(lián)網(wǎng)泵站。在此基礎上對泵站進行智慧化升級改造，實現(xiàn)泵站安全高效、無人/少人值守、自動化控制運行的智慧化管理模式。

1.2 主要問題分析

泵站主要存在的問題如下。（1）作為重要的大型泵站，泵站PLC 系統(tǒng)缺少冗余設計。（2）水泵電氣柜圖紙缺失，內(nèi)部線路凌亂，部分配件老化，水泵的部分重要狀態(tài)信號缺失或無法接入PLC 系統(tǒng)。（3）格柵機、輸送機，未接入泵站PLC 中，其現(xiàn)場電氣柜內(nèi)控制回路僅具備啟停功能，無故障保護回路，同時格柵機部分重要狀態(tài)信號存在缺失，如抓斗格柵機無信號接口，只能就地操作。（4）閘門、閥門，現(xiàn)場電氣控制箱僅具備現(xiàn)場控制的功能，未給自控系統(tǒng)預留信號接口，且柜內(nèi)元器件銹蝕情況嚴重，閘門、閥門無信號獲取條件。（5）通風設備和照明設備，目前通過人工操作開啟或關閉，未實現(xiàn)自動控制，除臭設備僅能現(xiàn)場操作，未給自控系統(tǒng)提供信號接口。（6）泵站各高低壓開關柜未給自控系統(tǒng)預留信號接口，無法進行電力監(jiān)控與能耗管理。（7）泵站僅有13 個攝像頭，其中10 個均為同軸模擬攝像頭，清晰度較低。部分區(qū)域或重要工藝點沒有視頻監(jiān)控或存在死角，如泵坑水位、格柵間水位、閘門狀態(tài)、排口、配電間等。（8）配電間溫煙感傳感器不足，自動滅火設施缺失。（9）門禁系統(tǒng)缺失，位于大門外可伸手進入泵站操作按鈕進行開門或關門，安全防護較低。（10）泵站入侵報警系統(tǒng)缺失，無法及時探測非法入侵并示警。（11）當前泵站UPS 電源應急使用時間約2 h 左右，應急續(xù)航時間不足。（12）區(qū)域分中心管理10～20 座泵站，與總中心采用專線通信。區(qū)域分中心目前沒有實現(xiàn)對泵站的控制，通過總中心信息分享實現(xiàn)對泵站的監(jiān)視。（13）總中心實現(xiàn)了對泵站的監(jiān)視，但沒有對泵站進行控制。與泵站網(wǎng)絡通信采用聯(lián)通專網(wǎng)，沒有冗余網(wǎng)絡。

2 智慧化改造

2.1 總體目標

在技術上實現(xiàn)泵站無人值守運行管理的功能目標，是泵站智慧化改造的核心目標，即實現(xiàn)泵站日常運行狀態(tài)實時監(jiān)控，運行控制全自動化，無須人工干預和操作，故障報警、應急處置等可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和操作控制[10]。總體目標是通過對傳統(tǒng)典型泵站進行智慧化改造，探索無人值守泵站的運行管理模式，優(yōu)化人員與資源配置，促進管理模式創(chuàng)新，建立起一套符合未來發(fā)展的泵站管理體系，實現(xiàn)泵站運行的節(jié)能降耗、提質增效以及泵站管理運營的專業(yè)化水平，為長沙市排水泵站的數(shù)字化發(fā)展提供實踐基礎。

2.2 總體設計

利用新一代信息技術，采用微服務架構模式，按照智慧泵站“1234”工程，即一套標準、兩項創(chuàng)新、三個面向、四大智慧應用系統(tǒng)建設，實現(xiàn)泵站全業(yè)務、全過程智慧化管控的總體目標。

2.2.1 一套標準

建立一套智慧化泵站標準規(guī)范，包括智慧泵站數(shù)據(jù)、功能等建設標準及運營管理標準。

2.2.2 兩項創(chuàng)新

一是進行體制創(chuàng)新，深化泵站管理單位體制改革，優(yōu)化人員及資源配置，實現(xiàn)“提質增效”；二是進行管理創(chuàng)新，創(chuàng)新管理模式，引入市場運營，提升公眾服務能力。

2.2.3 三個面向

一是面向管理支撐體系，以工作計劃與考核管理為核心，實現(xiàn)管理精細化；二是面向業(yè)務支撐體系，以工作流程與職責為核心，實現(xiàn)業(yè)務標準化；三是面向運行支撐體系，以養(yǎng)護與巡檢為核心，實現(xiàn)運行專業(yè)化。

2.2.4 四大智慧應用系統(tǒng)

面向泵站管理單位的管理層、業(yè)務人員和一線工作人員，構建智慧泵站綜合業(yè)務應用體系，包括智能控制系統(tǒng)、智能動力系統(tǒng)、智慧安防系統(tǒng)、智慧管理系統(tǒng)。

2.3 泵站系統(tǒng)設計

泵站系統(tǒng)采用三層控制管理設計，包括現(xiàn)場采集控制層、區(qū)域分中心監(jiān)控層、總中心監(jiān)管層。

（1）現(xiàn)場采集控制層，主要包括生產(chǎn)自控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設備、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控前端、可視對講前端、廣播系統(tǒng)前端等；（2）區(qū)域分中心監(jiān)控層，根據(jù)行政區(qū)域或泵站數(shù)量設置一個區(qū)域分中心監(jiān)控站，負責調(diào)度、控制、運維本區(qū)域泵站和排水設施。主要包括生產(chǎn)自控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可視對講系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、信息調(diào)度管理系統(tǒng)等；（3）總中心監(jiān)管層，負責所有泵站集中一體化監(jiān)控運營管理，主要包括各系統(tǒng)的深度融合、數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)分析計算與優(yōu)化控制等功能。

泵站系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡一般采用運營商專網(wǎng)接入方式，同時以4G/5G 專網(wǎng)作為網(wǎng)絡備份，保證泵站與總中心通信的安全性和可靠性。在泵站還設置有無線接入點AP，方便巡檢維護人員的移動設備接入網(wǎng)絡。

泵站運行控制方式包括3 種：一是遠程控制，可由區(qū)域分中心或總中心相關操作人員進行泵站設備的啟、停控制；二是自動控制，可由自動控制系統(tǒng)根據(jù)預先設置的參數(shù)范圍，實現(xiàn)泵站設備的啟、?？刂?；三是就地控制，可由泵站現(xiàn)場人員通過控制箱按鈕實現(xiàn)泵站設備的啟、?？刂?。智慧化泵站無人值守的管理模式以自動控制方式和遠程控制方式為主，同時保留有就地控制方式，以供應急處置。

2.4 泵站升級改造

2.4.1 監(jiān)測與控制系統(tǒng)改造

監(jiān)測與控制系統(tǒng)改造主要分為工藝設備監(jiān)測與控制、環(huán)境監(jiān)測與控制兩個方面。（1）工藝設備監(jiān)測與控制，主要是對泵站各工藝段生產(chǎn)設備進行信息采集與控制。包含對進水井設備、格式系統(tǒng)設備、沉砂池系統(tǒng)設備、污水提升泵組設備、雨水排漬泵組設備、污水出水井設備、雨水外排口設備等的數(shù)據(jù)采集和控制。監(jiān)控內(nèi)容包括各設備的運行工況、池體液位、進出水流量等生產(chǎn)要素。遵循生產(chǎn)工藝，完成各設備的自控邏輯和數(shù)據(jù)采集。（2）環(huán)境監(jiān)測與控制，主要對泵站的周邊環(huán)境進行監(jiān)控，確保設備安全和人員安全。環(huán)境監(jiān)測包括有害氣體監(jiān)測、除臭系統(tǒng)監(jiān)控、通風設備監(jiān)控、照明設備監(jiān)控、泵站納水區(qū)降雨量監(jiān)測、外排水體液位水質監(jiān)測、機房和配電室環(huán)境溫度等。

對泵站PLC 系統(tǒng)進行冗余改造，以增強系統(tǒng)的可靠性，縮短平均故障修復時間，并對PLC 上位機軟件和程序的編寫，完成控制內(nèi)容；格柵機、輸送機、閘門、閥門等設備的電氣控制柜由于功能缺失與內(nèi)部元器件損壞，進行整體更換；泵站通風、照明系統(tǒng)缺失，進行新增改造；部分泵站工藝視頻監(jiān)控缺失，造成無法達到設備控制“遙視”的需求，如格柵間、集水井、閥門井的水位狀況，配電間電氣柜狀態(tài)等，進行改造新增。

2.4.2 動力系統(tǒng)改造

動力系統(tǒng)改造主要包括電力監(jiān)控系統(tǒng)和能耗管理系統(tǒng)。其中，電力監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守、集中監(jiān)控、分區(qū)巡檢的智能運維模式。要對泵站供電系統(tǒng)進行智能改造，對所需電氣和非電氣信息進行采集并接入PLC 系統(tǒng)，實現(xiàn)“四遙”功能（遙信、遙測、遙控、遙視）。其中“遙信”包括開關位置、保護信號、變電站大門開閉信號、電容柜煙感信號；遙測包括、三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、變壓器繞組溫度、直流電壓、站內(nèi)環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)；遙信和遙測信息每5～10 s 上傳至SCADA 自動掃描，設備狀態(tài)發(fā)生變化或者監(jiān)測如數(shù)據(jù)異常時，會第一時間按照重要等級在監(jiān)控中心聲光電告警提示，由值班管理人員來判斷處理；遙控實現(xiàn)對低壓受總、母聯(lián)開關遠方分合，可由管理人員直接遠程操作；遙視包括對站內(nèi)設備區(qū)、大門等采集視頻信號，需要時可隨時調(diào)取。能耗管理系統(tǒng)是實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)的全面采集，包括流量、電流、電壓、揚程、功率、能耗等數(shù)據(jù)，并提供綜合統(tǒng)計分析和節(jié)能建議。

2.4.3 安防系統(tǒng)改造

智慧安防系統(tǒng)改造，主要是對泵站進行建筑智能化升級改造和對生產(chǎn)過程與運行環(huán)境進行視頻采集。將原清晰度較低的同軸模擬攝像頭升級改造為數(shù)字網(wǎng)絡型攝像頭，補全安防監(jiān)控死角，增加周界入侵報警系統(tǒng)裝置，與安防監(jiān)控、語音報警系統(tǒng)、門禁聯(lián)動，實現(xiàn)泵站與集控中心的語音對講、實時報警等安全管理功能，實現(xiàn)智慧安防。其中，視頻監(jiān)控范圍包括進出水池、格柵機組、外排水口、泵房值班室、高低壓配電室、大門進出口、垃圾堆等關鍵部位。語音對講系統(tǒng)主要服務值班室人員，無人值守泵站需要設置入侵報警和語音驅趕裝置。

2.4.4 通信網(wǎng)絡改造

通信網(wǎng)絡升級改造，增加泵站、區(qū)域分中心及總中心之間的網(wǎng)絡鏈路冗余裝置，實現(xiàn)通信冗余網(wǎng)絡，報賬通信網(wǎng)絡安全。另外，在泵站部署移動AP 實現(xiàn)Wi-Fi覆蓋，方便巡檢維護人員的單兵設備接入系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻對講、圖片上傳、巡檢打卡等功能。

2.4.5 其他相關改造

其他相關改造主要包括：（1）對區(qū)域分中心進行自控SCADA 系統(tǒng)升級改造，實現(xiàn)對泵站的遠程監(jiān)視與控制，實現(xiàn)泵站的可視、可控；（2）對總中心進行信息化系統(tǒng)升級改造，實現(xiàn)泵站的調(diào)度管理與報警響應功能；建立報警處置體系，及時對泵站產(chǎn)生的報警進行顯示與處置；（3）在區(qū)域分中心組建應急搶險小組，配備應急車輛，實現(xiàn)事故的快速響應；（4）完成泵站系統(tǒng)的設備調(diào)控指令和人員管理等，包含管理調(diào)度指令下發(fā)、維護工單派發(fā)、維護記錄、故障上報、人員考勤、巡檢任務和記錄等功能，配合總中心平臺軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)泵站的應急指揮和管理調(diào)度。

2.5 智慧應用系統(tǒng)設計

2.5.1 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)，提供排水設施管理，實現(xiàn)工藝設備的自動化運行，主要包括：水泵管理、格柵管理、除臭管理、照明管理、通風管理、視頻驗證管理、液位管理、流量管理、水質管理等。全面實現(xiàn)泵站設備運行數(shù)據(jù)的采集分析與自動化控制，實現(xiàn)泵站設備故障報警和應急事件實時預警，建立多水泵智能運行啟?？刂撇呗裕鶕?jù)現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋情況，實現(xiàn)除臭、照明、通風等系統(tǒng)的自動啟停。

2.5.2 智能動力系統(tǒng)

智能動力系統(tǒng)，保障泵站動力系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行，實時掌握動力系統(tǒng)運行態(tài)勢和故障預警，主要包括：（1）高壓管理，實現(xiàn)“四遙”的管理功能；（2）低壓管理，實現(xiàn)低壓電氣柜狀態(tài)監(jiān)測，包括電量表、監(jiān)測裝置，水泵保護器等；（3）信號管理，對于高壓和低壓的工況信號和保護信號提供配置功能。

2.5.3 智慧安防系統(tǒng)

智慧安防系統(tǒng)，創(chuàng)造多平臺聯(lián)動的安全生產(chǎn)環(huán)境，主要包括：（1）監(jiān)控管理，提供泵站視頻監(jiān)控功能，系統(tǒng)集成現(xiàn)有業(yè)務監(jiān)控系統(tǒng)的視頻信號，實現(xiàn)同步、實時、高質量傳輸視頻監(jiān)視點圖像到各圖像監(jiān)控中心，并可實現(xiàn)存儲、播放、控制等功能；（2）周界管理，提供電子圍欄、語音驅離等功能；（3）門禁管理，提供基于AI 智能面部識別和車牌自動識別的門禁管理系統(tǒng)；（4）智能識別管理，系統(tǒng)集成多種智能識別技術，功能包括人臉識別、車牌識別、巡檢打卡識別管理等。

2.5.4 智慧管理系統(tǒng)

智慧管理系統(tǒng)，輔助泵站精細化運營管理，主要包括：（1）計劃管理，提供生產(chǎn)計劃管理、維護計劃管理、巡檢計劃管理、采購計劃管理；（2）人力管理，基于智慧泵站運營管理模式下的用人規(guī)劃管理、人員能力模型管理、人員能力測評管理以及檔案管理；（3）財務管理，提供人力成本、運營成本、維護成本，以及報表查詢功能；（4）物資管理，提供物資出、入庫管理，物資計調(diào)管理，倉儲預警管理，采購管理；（5）工單管理，提供工單的分類管理，工單流程管理、派單管理、歸檔管理等功能；（6）考核管理，提供設施設備、運行管理、安全、站容站貌這4 個方面進行全面考核。

3 結語

隨著城市建設的發(fā)展，排水系統(tǒng)日益復雜，運營管理的壓力強度增加，現(xiàn)有管理手段已無法滿足排水系統(tǒng)管理的需要。智慧化泵站的建設，可以及時反饋各泵站運行信息和泵站現(xiàn)場情況，為管理人員日常管理及應急調(diào)度提供決策支撐。同時通過智慧化泵站的建設，達到無人/少人值守的管理目標，促進泵站管理運營單位業(yè)務的數(shù)字化轉型，促進管理體制的創(chuàng)新，達到節(jié)本降耗，提質增效的綠色發(fā)展目標。