基于分层控制结构的城市智能排水控制系统技术方案

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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
近几年来，随着城市化进程的不断加快，城市“热岛效应”表现越专利技术显，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用如下方案：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。本专利技术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。本专利技术从系统规划入手，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。本专利技术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，本专利技术的开发成功，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。本专利技术研制成功后，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，构成本申请的一部本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：许大星，王海伦，柴国飞，陈佳泉，雷东阁，
申请(专利权)人：衢州学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33