本發明屬于城市建設和規劃領域，具體涉及一種基于分層控制結構的城市智能排水控制系統。

背景技術：

近幾年來，隨著城市化進程的不斷加快，城市“熱島效應”表現越發明顯，突發性強降雨天氣的頻發，使得各大城市相繼發生不同程度的內澇，輕則造成城市交通擁堵，重則造成人員財產損失，城市內澇已成為困擾城市穩定發展的主要災害因素。2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨，暴雨導致79人死亡，163處不可移動文物不同程度受損，10660間房屋倒塌，116.4億元經濟損失；強臺風“菲特”致使浙江省溫州、寧波和杭州等地普降暴雨，城市內澇嚴重。杭州西湖等景區多處景點被淹，無法向游客開放。“逢雨必澇”對人們生活帶來了極大不便，給人民群眾生命財產安全造成了巨大損失。如何防范和治理城市內澇，已成為前迫切需要解決的民生問題。

城市排水系統，是處理和排除城市雨水和污水的工程設施系統，是城市公用設施的重要組成部分，是實現城市除澇安全和污染控制的重要環節。泵站是城市排水系統的組成單元，主要作用是利用大功率的水泵實現排澇、灌溉、航運補水和市政供水等。

為了實現城市排水系統的協調優化控制，“智能排水”應運而生。在這樣的背景下，研究傳統排水控制系統的弊端，構建智能排水控制系統顯得尤為迫切和重要。

排水泵站控制系統是集機械設備、電力設備和水利工程的綜合控制系統，大功率水泵機組是主要控制對象，據統計，上世紀八十年代總裝機容量1000Kw以下的小型泵站大多采用24小時人工值守運行方式，人工記錄泵站運行數據報表，手動控制格柵、閘門及水泵機組的啟停，自動化水平落后。進入九十年代，隨著計算機技術、控制技術的發展，城市排水控制系統經歷了計算機輔助控制和計算機分散控制兩個發展階段。計算機分散控制系統可實現對進水池水位、污水流入量的采集、分析和處理，控制水泵機組動作，實時記錄泵站系統運行參數、狀態，以及視頻監視現場等功能。目前，城市排水泵站普遍采用基于本地計算機的分散控制方式，這種方式下區域泵站間缺乏信息交互。跨入新世紀，由于計算機網絡傳輸技術、遠程控制技術的進步，基于網絡的分布式控制系統由于具有較高的穩定性、可靠性和可擴展性而得到了快速發展。自美國霍尼韋爾第一套分布式控制系統TDCS-2000問世以來，分布式控制系統已經在控制的各個領域得到了廣泛的應用，以其高度的可靠性、方便的組態軟件、豐富的控制算法、開放的聯網能力，逐漸成為過程自動控制的主流，自然也成為城市排水控制系統的發展方向。

對控制系統建立合理的描述模型是實現排水系統先進控制的基礎，當前排水系統的模型研究主要通過雨水管理模型等預測并實現溢流控制，然而，泵站排水量受分布式泵站納容、管道長度和各站點機組容量等確定因素，強降雨或人群排污等造成的流量不確定因素，以及泵站目標水位和圍堰閘高度設定、機泵群排水量、各級間的流量協調優化調度量等人為控制因素的影響。因此，在結合機泵群控制和協調優化調度的城市分布式泵站排水控制系統數學模型方面還有待進一步探索。城市排水系統遍布整個城市，其流量具有不確定性、非線性和滯后性，同時泵站間存在鏈級制約作用，局部控制存在難以協調優化的局限性，不合理的排放控制方式造成污水溢出的同時伴隨有高能耗問題。有研究開始重視污水排放系統的全局優化控制。當前世界各國的污水排放系統仍以局部響應控制(LRC)為主。雖然也有城市排水系統全局優化控制方面的研究，但尚處于起步階段，控制目標和控制手段較單一，沒有探究區域工況差異和支流擾動影響下如何根據泵站的相互鏈接作用來實現協調優化調度以充分利用各泵站的排污能力，從而實現排水智能化、節能化，提高城市內澇防治水平。

綜上所述，目前各個泵站普遍采用的分散控制方式依據各自工況運行排水，缺乏必要的全局信息交換難以實現區域協調，并且這種常規的集中控制方式受網絡信號中斷、阻塞、數據丟失等因素的影響，控制效果也不理想。

技術實現要素：

本發明的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種基于分層控制結構的城市智能排水控制系統，實現排水系統回路控制器的智能網絡協調優化調度，對平衡泵站進水量和泵出量、滿足城市日常排水和增強城市排水防澇能力雙重要求具有重要意義。

本發明采用如下方案：

基于分層控制結構的城市智能排水控制系統，由兩個相對獨立又相互聯系的上層網絡控制系統和下層PLC為核心的泵站現場控制系統組成；

上層網絡控制系統選用以太網作為共享網絡平臺，泵站現場工控機通過RS-232串行直連方式，獲取PLC采集的泵站進水池水位、污水流量，再將信息傳送至中央服務器，保存于數據庫，中央服務器再通過全局協調優化決策知識庫實現排水系統全局協調優化控制；

泵站現場控制系統包括PLC、水位傳感器、流量傳感器、數字量輸入模塊、變頻器、數據采集卡和數字量輸出模塊，水位傳感器經信號變送器與模擬量輸入模塊連接，流量傳感器與模擬量輸入模塊連接，模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊與PLC連接，變頻器、數據采集卡與模擬量輸出模塊連接，模擬量輸出模塊與PLC連接，數字量輸出模塊直接與PLC連接，PLC與上層網絡控制系統連接。

進一步，所述數據采集卡采用812PG數據采集卡。

進一步，所述信號變送器還連接有水位顯示模塊。

進一步，PLC自帶四個AD模擬采樣通道，循環掃描控制系統外圍傳感器、變送器采集到的水位、流量信號、控制器輸出控制量以及系統主電路電流信號。

本發明針對大系統設計具有多個控制核心的分層控制結構，構造計算能力強大、組網方便的工控機作為泵站的上層控制核心，建立基于網絡的遠程控制系統，實時計量全局工況流量和水位，進而根據極值原理和優化理論制定合適的優化協調控制策略與調度方法。同時，以性能可靠的PLC為下層控制核心，構建本地智能控制系統，確保排水系統長期不間斷運行，實現城市分布式泵站排水系統的智能化，提高城市內澇防止水平。

本發明從系統規劃入手，將提升政府對公用行業的監督水平與應急處理能力，解決因城市規模擴大帶來的城市排水隱患，減少、消除安全、環保、維護等經濟代價；實現城市管網隱患早發現、早控制的智能管理需求；為跨部門、跨機構信息共享提供平臺支持；減少公共維護性開支，提升城市基礎改造建設水平；減少突發事件，降低施工返修負面影響，提高市民滿意度。

本發明集物聯網技術與控制于一體，形成綜合管理控制平臺，把多個管理部門的工作集于一體，改變規劃思維方式，避免條塊分割造成的浪費，促進城市規劃從源頭做起，數據分析結果應用調水、排水，使整個工作系統化、規范化：

(1)實現區域智能協調，便于統一指揮、調度，聯網的每部手機都可以是指揮中心；

(2)有利于促進部門整合，節省管理人員及操作人員，提高效益；

(3)促進規劃先行，城市建設布局放在首位，建設規劃超前的城市結構，從根本上預防特大降雨；

(4)有效預防特大降雨引發的城區內澇，技術先進，為區域乃至整個城市改造提供示范效應。

在項目的經濟效益和產業化前景方面，本發明的開發成功，將極大的推動在城市排水方面的一體化規劃，市場前景十分樂觀。

本發明研制成功后，按每年平均銷售10套估算，預計年銷售產值可達1000萬元左右，年利潤可實現300萬元，可上繳國家稅金100萬元。由此可見，我們創新研發的城市智能排水系統具有很強的市場開發潛力和良好的產業化前景。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1基于分層控制結構的城市智能排水系統示意圖；

圖2下層泵站現場智能控制系統硬件電路組成方框圖；

圖3上層網絡控制系統架構圖；

圖4泵站現場智能優化控制工作原理圖；

圖5城市分布式泵站排水系統結構示意圖。

具體實施方式

以下將配合附圖及實施例來詳細說明本申請的實施方式，藉此對本申請如何應用技術手段來解決技術問題并達成技術功效的實現過程能充分理解并據以實施。

1.研究開發內容

本發明擬構建一個基于分層控制結構的城市智能排水控制系統，利用現有的管網、河流，采用現代網絡控制術，構建上層網絡協調控制系統，泵站現場獲取PLC采集的泵站進水池水位、污水流量等參數，并通過傳輸效率較高的以太網將參數信息傳送至中央服務器，進而，基于城市分布式排水系統模型，利用最優化技術求解包含綜合調度泵站的城市排水系統全局協調優化水量調度最優解，并通過網絡將調度水量的命令下達至泵站現場。同時，為了解決常規集中控制在網絡中斷、阻塞、數據丟失期間出現的盲區控制問題，以性能可靠的PLC為下層控制核心，構建下層泵站現場智能控制系統，確保排水系統長期不間斷運行。因此，項目研究開發內容需要包括：

(1)分層控制結構的城市排水網絡控制系統結構研究

分層控制系統由兩個相對獨立又相互聯系的上層網絡控制系統和下層PLC為核心的泵站現場控制系統組成。選用具有協議開放性和應用廣泛性的優點的加Internet網作為共享網絡構成上層網絡協調控制外環，跟蹤管網中各區域泵站的水流量、水位變化，實現排水系統協調優化調度決策及參數協調；同時通過遠程監控端實時監控各下層泵站現場。根據泵站現場的實時工況及控制需求，監管控制與中央協調反饋控制，獨立運行，互不干擾，既能利用中央服務器實現信息共享及區域協調優化控制，又可通過泵站現場控制系統彌補網絡控制系統故障引起的控制盲區問題。具體的系統結構如圖1所示。

(2)下層泵站現場智能控制系統設計

上層網絡控制系統具有高速的計算能力，可以實現復雜的網絡協調控制，使得區域泵站排水綜合性能最優。然而任何電子設備都會有部件磨損，進而導致硬件故障。當上層控制系統出現硬件故障或控制程序發生錯誤時，為確保排水系統不間斷運行，需構建下層PLC為核心的現場控制系統，清除網絡控制的盲區。下層泵站現場智能控制系統硬件電路組成方框圖如圖2所示。主要由各類傳感器、變送器、PLC、變頻器、數據板卡和繼電器等設備組成。現場控制系統軟件架構主要由數據采集處理和本地智能優化控制兩個環節組成。數據采集處理環節實時采集水位、流量信號、控制器輸出控制量以及系統主電路電流信號。本地智能優化控制環節在檢測到網絡控制發生異常時，通過智能判定環節PLC獲得系統控制權，對泵站機組進行排水控制，同時給出網絡控制系統故障報警。

(3)分布式泵站排水系統全局協調優化控制技術研究

當前城市排水系統模型大都未結合排水機泵群這一基本控制單元。本發明以機泵群為基礎，對分布式泵站的納容和機組容量等確定因素、強降雨造成的流量不確定因素，以及泵站目標水位和機泵群排水量、各級間的流量協調優化調度量等人為控制因素進行數學公式化描述，并給出一類包含綜合調度泵站的城市排水系統全局協調優化調度方法，獲得各個泵站實時的最佳排水量。

2.技術關鍵

1.下層泵站現場智能控制系統軟硬件設計

為了實現當網絡上層控制信號中斷時，由數據采集環節、切換控制環節、變頻調節輸出等部分組成的實時控制環可以依據所控制的排水泵站實時流量、水位調節控制區域泵站區域的污水智能排放。需設計水位相應的數據獲取并轉換的電路，由其根據相應數據的分析控制機泵。同時對各種硬件的智能控制都通過軟件來實現，軟件的設計與編寫也是本發明控制系統設計所亟需解決的技術問題。

2.全局協調優化算法設計

各個鏈級的泵站彼此耦合，加之如暴雨等造成的泵站水量排入量的不確定性，為解決前級泵站向某后級泵站過量送水，使后級泵站溢流，造成溢出積水的問題，利用最優化技術求解約束條件下各鏈級泵站的最優協調調度泵水量，實現泵站的智能排水。

實施方案及技術路線

(1)上層網絡控制架構設計

上層網絡控制系統架構如圖3所示，選用傳輸效率高的以太網作為共享網絡平臺，泵站現場工控機通過RS-232串行直連方式，獲取PLC采集的泵站進水池水位、污水流量等參數，再將信息傳送至中央服務器，保存于數據庫。中央服務器再通過全局協調優化決策知識庫實現排水系統全局協調優化控制。

Socket又稱為“套接字”，用于描述IP地址和端口，是TCP/IP網絡的API，Socket接口定義了許多函數來開發的應用程序。本發明的網絡控制系統中的通信均采用流式Socket(SoCKsTREAM)接口實現向網絡發出請求或者應答網絡請求。首先中心服務器使用ServerSocket監聽指定端口，等待下位泵站的連接請求，接著各泵站工控機使用Socket對網絡上的中心服務器制定的端口發出連接請求，一旦完成連接即可產生會話，實現泵站參數傳輸，同時服務器綜合區域內所有泵站信息，生產協調優化控制命令，并將命令信息卞送至下位泵站，此時一個周期的會話完成，服務器端關閉連接繼續監聽，客戶端工控機也關閉Socket結束本次連接。

(2)下層泵站現場智能控制系統軟件架構設計

當網絡控制系統出現硬件故障或控制程序發生錯誤時,為確保排水系統依然運行，需構建現場智能控制系統。該泵站現場智能控制系統軟件架構主要由數據采集處理部分和本地智能優化控制部分組成。

A)數據采集處理部分

ORMONCPIH型PLC自帶的四個AD模擬采樣通道，循環掃描控制系統外圍傳感器、變送器采集到的水位、流量信號、控制器輸出控制量以及系統主電路電流信號。以水位信號采集為例進行說明，利用西門子超聲波傳感器將進水池水位轉化成標準4-20mA電信號，通過雙紋屏蔽線接入到PLC模擬量輸入模塊，再編寫數據采集程序段實現電信號的采集、轉化、保存與顯示。其中200、W20、W102、W51、211為PLC內部寄存器，傳送指令(MOV)執行時間為0.3us，上、下限位控制指令(LMT)執行時間為27.23聲us。

B)本地智能優化控制部分

本地智能優化控制環節由控制權智能判定和PLC分段變頻優化控制兩部分組成。該部分工作流程圖如圖4，網絡控制工作正常時，控制系統進行網絡優化協調控制,下位PLC則實現周期循檢。當PLC檢測到工控機異常時，通過智能判定子環節PLC獲得系統控制權后，進行分段變頻控制，同時給出工控機故障報警并繼續周期檢測。

PLC采集當前水位信號，并與保存在某寄存器中的上周期水位做比較，判斷泵站水位趨勢，計算水位變化速率。當進水池水位較低時，不改變或適當降低當前控制頻率使泵站水位快速上升至最佳目標水位；當水位上升略低于目標水位且仍處于快速上升趨勢，則需增大機泵轉速，減小水位上升速率，平緩逼近目標水位；當水位高出最佳水位但水位成下降趨勢，則可保持當前控制頻率不變；當水位低于目標水位且繼續降低時，則應降低當前工作頻率，保證機泵高效運行。若當前水位值高于上限閾值，點亮高水位報警信號燈。相反，當出現水位低于下限閾值，則需進行機泵停機動作。

(3)分布式泵站排水系統全局協調優化控制算法設計

城市排水系統由分布在整個城市中的眾多提升泵站和管徑大小不一的管網組成，圖5給出了城市分布式泵站排水系統結構示意圖，其中泵站S1一S5分為綜合調度泵站和非綜合調度泵站，分別用雙環和單環表示，帶箭頭的實線表示水流方向,虛線表示區域泵站與排放終點站間可以有很多其它分布鏈級泵站。城市排水系統結構為包含上下鏈級泵站的串聯和并聯復合結構，泵站間的流量時滯具有不確定特性，考慮泵站控制系統i的慣性時間常數T_0i,,可得到含泵站間鏈級作用的區域泵站i的微分方程為

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

式中h_si(t)、q_i(t)(i＝1,2,...,N)分別是泵站的靜揚程和排水量，N是泵站總數，N_si≤N；0≤D_ij≤1是泵站j至泵站i的流量關聯參數,與區域泵站間污水調度分配量和滲流等因素相關；支流擾動d_i(t)受降雨和人群排污等因素影響，隨機且不可測；是泵站j的q_j(t)至泵站i的管道傳輸時延，主要受q_j(t)影響，同時與出水口至下級泵站的距離、污水粘濁度、管壁粗糙度等因素相關，為便于分析,這里假定其為確定量

對微分方程(1)進行拉式變換：

${\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

展開(2)式并忽略高階項對系統的影響，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

進而考慮采樣周期和網絡時延，并利用離散化知識對連續系統模型進行離散化推導系統的狀態方程和輸出方程表達式。并通過凸優化方法求得各個泵站的實時排水量。因此，中央協調控制器可通過Intemet網絡實時將優化問題得到的流量調度解發送至各個泵站。

(4)建立仿真測試系統

將控制系統提供的各個功能模塊和軟件終端集成到智能排水系統上，進行分模塊功能的測試工作，測試系統需通過硬件設計和軟件調試，網絡接口層，系統調試等。模擬實際的泵站排水進行測試。如仿真測試滿足技術要求，進行智能排水系統的各功能模塊的集成測試。

上述說明示出并描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍，則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。