CN106320497A - 基于分层控制结构的城市智能排水控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，由两个相对独立又相互联系的上层网络控制系统和下层PLC为核心的泵站现场控制系统组成；本发明针对大系统设计具有多个控制核心的分层控制结构，构造计算能力强大、组网方便的工控机作为泵站的上层控制核心，建立基于网络的远程控制系统，实时计量全局工况流量和水位，进而根据极值原理和优化理论制定合适的优化协调控制策略与调度方法；同时，以性能可靠的PLC为下层控制核心，构建本地智能控制系统，确保排水系统长期不间断运行，实现城市分布式泵站排水系统的智能化，提高城市内涝防止水平。

Description

基于分层控制结构的城市智能排水控制系统

技术领域

本发明属于城市建设和规划领域，具体涉及一种基于分层控制结构的城市智能排水控制系统。

背景技术

近几年来，随着城市化进程的不断加快，城市“热岛效应”表现越发明显，突发性强降雨天气的频发，使得各大城市相继发生不同程度的内涝，轻则造成城市交通拥堵，重则造成人员财产损失，城市内涝已成为困扰城市稳定发展的主要灾害因素。2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨，暴雨导致79人死亡，163处不可移动文物不同程度受损，10660间房屋倒塌，116.4亿元经济损失；强台风“菲特”致使浙江省温州、宁波和杭州等地普降暴雨，城市内涝严重。杭州西湖等景区多处景点被淹，无法向游客开放。“逢雨必涝”对人们生活带来了极大不便，给人民群众生命财产安全造成了巨大损失。如何防范和治理城市内涝，已成为前迫切需要解决的民生问题。

城市排水系统，是处理和排除城市雨水和污水的工程设施系统，是城市公用设施的重要组成部分，是实现城市除涝安全和污染控制的重要环节。泵站是城市排水系统的组成单元，主要作用是利用大功率的水泵实现排涝、灌溉、航运补水和市政供水等。

为了实现城市排水系统的协调优化控制，“智能排水”应运而生。在这样的背景下，研究传统排水控制系统的弊端，构建智能排水控制系统显得尤为迫切和重要。

排水泵站控制系统是集机械设备、电力设备和水利工程的综合控制系统，大功率水泵机组是主要控制对象，据统计，上世纪八十年代总装机容量1000Kw以下的小型泵站大多采用24小时人工值守运行方式，人工记录泵站运行数据报表，手动控制格栅、闸门及水泵机组的启停，自动化水平落后。进入九十年代，随着计算机技术、控制技术的发展，城市排水控制系统经历了计算机辅助控制和计算机分散控制两个发展阶段。计算机分散控制系统可实现对进水池水位、污水流入量的采集、分析和处理，控制水泵机组动作，实时记录泵站系统运行参数、状态，以及视频监视现场等功能。目前，城市排水泵站普遍采用基于本地计算机的分散控制方式，这种方式下区域泵站间缺乏信息交互。跨入新世纪，由于计算机网络传输技术、远程控制技术的进步，基于网络的分布式控制系统由于具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性而得到了快速发展。自美国霍尼韦尔第一套分布式控制系统TDCS-2000问世以来，分布式控制系统已经在控制的各个领域得到了广泛的应用，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力，逐渐成为过程自动控制的主流，自然也成为城市排水控制系统的发展方向。

对控制系统建立合理的描述模型是实现排水系统先进控制的基础，当前排水系统的模型研究主要通过雨水管理模型等预测并实现溢流控制，然而，泵站排水量受分布式泵站纳容、管道长度和各站点机组容量等确定因素，强降雨或人群排污等造成的流量不确定因素，以及泵站目标水位和围堰闸高度设定、机泵群排水量、各级间的流量协调优化调度量等人为控制因素的影响。因此，在结合机泵群控制和协调优化调度的城市分布式泵站排水控制系统数学模型方面还有待进一步探索。城市排水系统遍布整个城市，其流量具有不确定性、非线性和滞后性，同时泵站间存在链级制约作用，局部控制存在难以协调优化的局限性，不合理的排放控制方式造成污水溢出的同时伴随有高能耗问题。有研究开始重视污水排放系统的全局优化控制。当前世界各国的污水排放系统仍以局部响应控制(LRC)为主。虽然也有城市排水系统全局优化控制方面的研究，但尚处于起步阶段，控制目标和控制手段较单一，没有探究区域工况差异和支流扰动影响下如何根据泵站的相互链接作用来实现协调优化调度以充分利用各泵站的排污能力，从而实现排水智能化、节能化，提高城市内涝防治水平。

综上所述，目前各个泵站普遍采用的分散控制方式依据各自工况运行排水，缺乏必要的全局信息交换难以实现区域协调，并且这种常规的集中控制方式受网络信号中断、阻塞、数据丢失等因素的影响，控制效果也不理想。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，实现排水系统回路控制器的智能网络协调优化调度，对平衡泵站进水量和泵出量、满足城市日常排水和增强城市排水防涝能力双重要求具有重要意义。

本发明采用如下方案：

基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，由两个相对独立又相互联系的上层网络控制系统和下层PLC为核心的泵站现场控制系统组成；

上层网络控制系统选用以太网作为共享网络平台，泵站现场工控机通过RS-232串行直连方式，获取PLC采集的泵站进水池水位、污水流量，再将信息传送至中央服务器，保存于数据库，中央服务器再通过全局协调优化决策知识库实现排水系统全局协调优化控制；

泵站现场控制系统包括PLC、水位传感器、流量传感器、数字量输入模块、变频器、数据采集卡和数字量输出模块，水位传感器经信号变送器与模拟量输入模块连接，流量传感器与模拟量输入模块连接，模拟量输入模块、数字量输入模块与PLC连接，变频器、数据采集卡与模拟量输出模块连接，模拟量输出模块与PLC连接，数字量输出模块直接与PLC连接，PLC与上层网络控制系统连接。

进一步，所述数据采集卡采用812PG数据采集卡。

进一步，所述信号变送器还连接有水位显示模块。

进一步，PLC自带四个AD模拟采样通道，循环扫描控制系统外围传感器、变送器采集到的水位、流量信号、控制器输出控制量以及系统主电路电流信号。

本发明针对大系统设计具有多个控制核心的分层控制结构，构造计算能力强大、组网方便的工控机作为泵站的上层控制核心，建立基于网络的远程控制系统，实时计量全局工况流量和水位，进而根据极值原理和优化理论制定合适的优化协调控制策略与调度方法。同时，以性能可靠的PLC为下层控制核心，构建本地智能控制系统，确保排水系统长期不间断运行，实现城市分布式泵站排水系统的智能化，提高城市内涝防止水平。

本发明从系统规划入手，将提升政府对公用行业的监督水平与应急处理能力，解决因城市规模扩大带来的城市排水隐患，减少、消除安全、环保、维护等经济代价；实现城市管网隐患早发现、早控制的智能管理需求；为跨部门、跨机构信息共享提供平台支持；减少公共维护性开支，提升城市基础改造建设水平；减少突发事件，降低施工返修负面影响，提高市民满意度。

本发明集物联网技术与控制于一体，形成综合管理控制平台，把多个管理部门的工作集于一体，改变规划思维方式，避免条块分割造成的浪费，促进城市规划从源头做起，数据分析结果应用调水、排水，使整个工作系统化、规范化：

(1)实现区域智能协调，便于统一指挥、调度，联网的每部手机都可以是指挥中心；

(2)有利于促进部门整合，节省管理人员及操作人员，提高效益；

(3)促进规划先行，城市建设布局放在首位，建设规划超前的城市结构，从根本上预防特大降雨；

(4)有效预防特大降雨引发的城区内涝，技术先进，为区域乃至整个城市改造提供示范效应。

在项目的经济效益和产业化前景方面，本发明的开发成功，将极大的推动在城市排水方面的一体化规划，市场前景十分乐观。

本发明研制成功后，按每年平均销售10套估算，预计年销售产值可达1000万元左右，年利润可实现300万元，可上缴国家税金100万元。由此可见，我们创新研发的城市智能排水系统具有很强的市场开发潜力和良好的产业化前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1基于分层控制结构的城市智能排水系统示意图；

图2下层泵站现场智能控制系统硬件电路组成方框图；

图3上层网络控制系统架构图；

图4泵站现场智能优化控制工作原理图；

图5城市分布式泵站排水系统结构示意图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

1.研究开发内容

本发明拟构建一个基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，利用现有的管网、河流，采用现代网络控制术，构建上层网络协调控制系统，泵站现场获取PLC采集的泵站进水池水位、污水流量等参数，并通过传输效率较高的以太网将参数信息传送至中央服务器，进而，基于城市分布式排水系统模型，利用最优化技术求解包含综合调度泵站的城市排水系统全局协调优化水量调度最优解，并通过网络将调度水量的命令下达至泵站现场。同时，为了解决常规集中控制在网络中断、阻塞、数据丢失期间出现的盲区控制问题，以性能可靠的PLC为下层控制核心，构建下层泵站现场智能控制系统，确保排水系统长期不间断运行。因此，项目研究开发内容需要包括：

(1)分层控制结构的城市排水网络控制系统结构研究

分层控制系统由两个相对独立又相互联系的上层网络控制系统和下层PLC为核心的泵站现场控制系统组成。选用具有协议开放性和应用广泛性的优点的加Internet网作为共享网络构成上层网络协调控制外环，跟踪管网中各区域泵站的水流量、水位变化，实现排水系统协调优化调度决策及参数协调；同时通过远程监控端实时监控各下层泵站现场。根据泵站现场的实时工况及控制需求，监管控制与中央协调反馈控制，独立运行，互不干扰，既能利用中央服务器实现信息共享及区域协调优化控制，又可通过泵站现场控制系统弥补网络控制系统故障引起的控制盲区问题。具体的系统结构如图1所示。

(2)下层泵站现场智能控制系统设计

上层网络控制系统具有高速的计算能力，可以实现复杂的网络协调控制，使得区域泵站排水综合性能最优。然而任何电子设备都会有部件磨损，进而导致硬件故障。当上层控制系统出现硬件故障或控制程序发生错误时，为确保排水系统不间断运行，需构建下层PLC为核心的现场控制系统，清除网络控制的盲区。下层泵站现场智能控制系统硬件电路组成方框图如图2所示。主要由各类传感器、变送器、PLC、变频器、数据板卡和继电器等设备组成。现场控制系统软件架构主要由数据采集处理和本地智能优化控制两个环节组成。数据采集处理环节实时采集水位、流量信号、控制器输出控制量以及系统主电路电流信号。本地智能优化控制环节在检测到网络控制发生异常时，通过智能判定环节PLC获得系统控制权，对泵站机组进行排水控制，同时给出网络控制系统故障报警。

(3)分布式泵站排水系统全局协调优化控制技术研究

当前城市排水系统模型大都未结合排水机泵群这一基本控制单元。本发明以机泵群为基础，对分布式泵站的纳容和机组容量等确定因素、强降雨造成的流量不确定因素，以及泵站目标水位和机泵群排水量、各级间的流量协调优化调度量等人为控制因素进行数学公式化描述，并给出一类包含综合调度泵站的城市排水系统全局协调优化调度方法，获得各个泵站实时的最佳排水量。

2.技术关键

1.下层泵站现场智能控制系统软硬件设计

为了实现当网络上层控制信号中断时，由数据采集环节、切换控制环节、变频调节输出等部分组成的实时控制环可以依据所控制的排水泵站实时流量、水位调节控制区域泵站区域的污水智能排放。需设计水位相应的数据获取并转换的电路，由其根据相应数据的分析控制机泵。同时对各种硬件的智能控制都通过软件来实现，软件的设计与编写也是本发明控制系统设计所亟需解决的技术问题。

2.全局协调优化算法设计

各个链级的泵站彼此耦合，加之如暴雨等造成的泵站水量排入量的不确定性，为解决前级泵站向某后级泵站过量送水，使后级泵站溢流，造成溢出积水的问题，利用最优化技术求解约束条件下各链级泵站的最优协调调度泵水量，实现泵站的智能排水。

实施方案及技术路线

(1)上层网络控制架构设计

上层网络控制系统架构如图3所示，选用传输效率高的以太网作为共享网络平台，泵站现场工控机通过RS-232串行直连方式，获取PLC采集的泵站进水池水位、污水流量等参数，再将信息传送至中央服务器，保存于数据库。中央服务器再通过全局协调优化决策知识库实现排水系统全局协调优化控制。

Socket又称为“套接字”，用于描述IP地址和端口，是TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数来开发的应用程序。本发明的网络控制系统中的通信均采用流式Socket(SoCKsTREAM)接口实现向网络发出请求或者应答网络请求。首先中心服务器使用ServerSocket监听指定端口，等待下位泵站的连接请求，接着各泵站工控机使用Socket对网络上的中心服务器制定的端口发出连接请求，一旦完成连接即可产生会话，实现泵站参数传输，同时服务器综合区域内所有泵站信息，生产协调优化控制命令，并将命令信息卞送至下位泵站，此时一个周期的会话完成，服务器端关闭连接继续监听，客户端工控机也关闭Socket结束本次连接。

(2)下层泵站现场智能控制系统软件架构设计

当网络控制系统出现硬件故障或控制程序发生错误时,为确保排水系统依然运行，需构建现场智能控制系统。该泵站现场智能控制系统软件架构主要由数据采集处理部分和本地智能优化控制部分组成。

A)数据采集处理部分

ORMONCPIH型PLC自带的四个AD模拟采样通道，循环扫描控制系统外围传感器、变送器采集到的水位、流量信号、控制器输出控制量以及系统主电路电流信号。以水位信号采集为例进行说明，利用西门子超声波传感器将进水池水位转化成标准4-20mA电信号，通过双纹屏蔽线接入到PLC模拟量输入模块，再编写数据采集程序段实现电信号的采集、转化、保存与显示。其中200、W20、W102、W51、211为PLC内部寄存器，传送指令(MOV)执行时间为0.3us，上、下限位控制指令(LMT)执行时间为27.23声us。

B)本地智能优化控制部分

本地智能优化控制环节由控制权智能判定和PLC分段变频优化控制两部分组成。该部分工作流程图如图4，网络控制工作正常时，控制系统进行网络优化协调控制,下位PLC则实现周期循检。当PLC检测到工控机异常时，通过智能判定子环节PLC获得系统控制权后，进行分段变频控制，同时给出工控机故障报警并继续周期检测。

PLC采集当前水位信号，并与保存在某寄存器中的上周期水位做比较，判断泵站水位趋势，计算水位变化速率。当进水池水位较低时，不改变或适当降低当前控制频率使泵站水位快速上升至最佳目标水位；当水位上升略低于目标水位且仍处于快速上升趋势，则需增大机泵转速，减小水位上升速率，平缓逼近目标水位；当水位高出最佳水位但水位成下降趋势，则可保持当前控制频率不变；当水位低于目标水位且继续降低时，则应降低当前工作频率，保证机泵高效运行。若当前水位值高于上限阈值，点亮高水位报警信号灯。相反，当出现水位低于下限阈值，则需进行机泵停机动作。

(3)分布式泵站排水系统全局协调优化控制算法设计

城市排水系统由分布在整个城市中的众多提升泵站和管径大小不一的管网组成，图5给出了城市分布式泵站排水系统结构示意图，其中泵站S1一S5分为综合调度泵站和非综合调度泵站，分别用双环和单环表示，带箭头的实线表示水流方向,虚线表示区域泵站与排放终点站间可以有很多其它分布链级泵站。城市排水系统结构为包含上下链级泵站的串联和并联复合结构，泵站间的流量时滞具有不确定特性，考虑泵站控制系统i的惯性时间常数T_0i,,可得到含泵站间链级作用的区域泵站i的微分方程为

$\frac{{\mathrm{dh}}_{si}\left(t\right)}{dt}=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{si}}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{ij}{q}_j(t-{\mathrm{\τ}}_{ij}^d(t)-T_{0i})-K_i{q}_i(t-T_{0i})+d_i(t-T_{0i})---\left(1\right)$

式中h_si(t)、q_i(t)(i＝1,2,...,N)分别是泵站的静扬程和排水量，N是泵站总数，N_si≤N；0≤D_ij≤1是泵站j至泵站i的流量关联参数,与区域泵站间污水调度分配量和渗流等因素相关；支流扰动d_i(t)受降雨和人群排污等因素影响，随机且不可测；是泵站j的q_j(t)至泵站i的管道传输时延，主要受q_j(t)影响，同时与出水口至下级泵站的距离、污水粘浊度、管壁粗糙度等因素相关，为便于分析,这里假定其为确定量

对微分方程(1)进行拉式变换：

${\mathrm{sh}}_{si}\left(s\right)=K_{0i}\[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{si}}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{ij}/K_i{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{ij}^{d}s}{q}_j\left(s\right)-q_j\left(s\right)+(1/K_{1h})d_i\left(s\right)\]---\left(2\right)$

式中

展开(2)式并忽略高阶项对系统的影响，可得到

$h_{si}\left(s\right)=\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{si}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_j\left(s\right)q_j\left(s\right)+G_i\left(s\right)q_i\left(s\right)+G_d\left(s\right)d_i\left(s\right)---\left(3\right)$

式中

进而考虑采样周期和网络时延，并利用离散化知识对连续系统模型进行离散化推导系统的状态方程和输出方程表达式。并通过凸优化方法求得各个泵站的实时排水量。因此，中央协调控制器可通过Intemet网络实时将优化问题得到的流量调度解发送至各个泵站。

(4)建立仿真测试系统

将控制系统提供的各个功能模块和软件终端集成到智能排水系统上，进行分模块功能的测试工作，测试系统需通过硬件设计和软件调试，网络接口层，系统调试等。模拟实际的泵站排水进行测试。如仿真测试满足技术要求，进行智能排水系统的各功能模块的集成测试。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，其特征在于：由两个相对独立又相互联系的上层网络控制系统和下层PLC为核心的泵站现场控制系统组成；

上层网络控制系统选用以太网作为共享网络平台，泵站现场工控机通过RS-232串行直连方式，获取PLC采集的泵站进水池水位、污水流量，再将信息传送至中央服务器，保存于数据库，中央服务器再通过全局协调优化决策知识库实现排水系统全局协调优化控制；

泵站现场控制系统包括PLC、水位传感器、流量传感器、数字量输入模块、变频器、数据采集卡和数字量输出模块，水位传感器经信号变送器与模拟量输入模块连接，流量传感器与模拟量输入模块连接，模拟量输入模块、数字量输入模块与PLC连接，变频器、数据采集卡与模拟量输出模块连接，模拟量输出模块与PLC连接，数字量输出模块直接与PLC连接，PLC与上层网络控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，其特征在于，所述数据采集卡采用812PG数据采集卡。

3.根据权利要求1所述的基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，其特征在于，所述信号变送器还连接有水位显示模块。

4.根据权利要求1所述的基于分层控制结构的城市智能排水控制系统，其特征在于，PLC自带四个AD模拟采样通道，循环扫描控制系统外围传感器、变送器采集到的水位、流量信号、控制器输出控制量以及系统主电路电流信号。