无人值守城市泵站监控系统的设计与实现

戴万波

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013）

城市的污水处理泵站、雨水泵站、工业园区的排水泵站，是市政建设和管理工程的主要设施，肩负着城市日常污水排放、处理及防汛排涝的重要任务[1]。然而，目前城市各泵站往往地处偏僻且分散，设备的自动化程度较低，需配备值守人员24 小时轮流值班来负责泵站日常的运行及维护工作，并且污水泵站时常散发的有毒有害气体危害着值守人员的健康。各泵站的控制和管理没有形成网络化、智能化[2]，不利于城管局对辖区内所有泵站的全面管理和维护。

随着通信、物联网、大数据技术的不断发展，城市智慧化建设稳步推进，建立无人值守的智能泵站管控系统势在必行。因此，该文融合了GIS 地理信息、4G 通信、智能仪表、视频监控、门禁安防、自动化控制等多种技术，研究设计了一套基于ARM 和PLC的无人值守城市泵站监控系统，实现城市泵站的远程实时监控、智能预警及高效管理，并可通过与气象、管网、路面积水等数据的融合分析，实现城市排水系统的全方位监控和全局化调度管理[3]。该系统的实现对提升城市智慧化建设、服务民生和改善经济具有重要的意义。

1 泵站无人值守系统总体设计

城市泵站无人值守监控系统由远程集控主站和分布在各处的泵站监控分站组成。系统的总体结构图如图1 所示，实现对泵站设备完善的测量、保护、监控和管理功能。

图1 无人值守城市泵站监控系统总体结构图

泵站监控分站主要由水泵机组、电磁阀组、供配电设备、控制柜、变送器、流量传感器、液位传感器、气体传感器、温湿度传感器、视频监控设备、门禁监控设备等组成，完成对泵站运行、周围环境、出入管理的监控，并通过无线4G 网络与远程监控主站进行实时数据交互。

远程集控主站由主备监控机、交换机、Web 服务器、GIS 服务器、硬盘录像机、短信发送模块等组成，对采集的各泵站监控分站数据进行解析、处理，实现以下主要功能[4]：

1）在线监测：实时监测各泵站设备的状态、控制方式、电压、电流等设备参数，监测管道流量、水池液位、气体浓度、温湿度等环境参数，与管网、内涝给水监测系统在线融合。

2）远程控制：手动或按逻辑自动控制水泵组的启停和电动阀组的开闭等。

3）显示分析：GIS 地图显示，实时数据和历史数据的报表、曲线显示及数据的统计分析。

4）事故报警：设备故障、数据超限、非法闯入、通信异常等异常状况的实时与历史报警。

5）安防管理：门禁和视频监控设备相互联动，完成对人员出入的管理及非法入侵的监视。

2 泵站监控分站设计

泵站监控分站是无人值守系统实现的基础和核心，监控分站的设计包括分站控制柜的设计、智能传感器的设计和安防辅助设备的设计，监控分站的总体结构图如图2 所示。

图2 分站硬件设计总体结构图

2.1 分站控制柜的设计

监控分站控制柜以PLC 和ARM 为设计核心，PLC 设备部分根据泵站工艺来实现水泵组现场控制，采用SIEMENS S7-1200 系列1212C 作为主控制器，模块化结构设计，具备高可靠性以及优良的可扩展性和集成性，方便泵站日后的规模升级[4]。

PLC 实时采集水池液位、管道流量、水泵机组电压电流、运行状态、故障反馈等现场信号。对采集的数据解析处理，采用均衡运行的控制算法[5]，实现泵组之间的智能投退，PLC 根据当前设定的控制模式及液位、流量值自动控制泵组的启停及投入运行台数，累计各泵的运行时间[6]，在投入泵时，优先启动累计运行时间最短的泵，在减少泵时，优先停止累计运行时间最长的泵，实现各泵运行时间均衡，减少泵组故障率，延长设备寿命[7]。PLC 通过485 总线与ARM设备通信，通过ARM 设备上的无线4G 模块实现与远程监控主站通信，上传采集信息及接收下发的配置、控制泵组命令。

ARM 部分完成环境传感器的数据采集、实现与PLC 设备、与监控主站的实时通信、UPS 的电源管理以及本地的液晶显示，以ARM 处理器STM32F107VC为核心，内置CAN 控制器，以太网控制器，通过CAN总线采集总线上的甲烷、氨气、硫化氢、一氧化碳、温度、湿度、烟雾传感器的数据。通过2 路485 总线，1路与液晶彩屏通信，实现设备信息的本地显示，另1路与UPS 电源箱通信，采集电池信息、远程充放电试验。通过以太网接入无线4G 模块，上传采集的所有数据。图3 为ARM 部分的CAN 总线电路。

图3 CAN总线电路图

采用CTM8251AT 作为CAN 总线的驱动隔离器，完成ARM 逻辑电平到CAN 总线上差分电平的转换。C55、C56为1 000 pF 的 电 容，并 联 在CAN_H 和CAN_L 与地之间，用以滤除总线上的高频干扰。在CAN 总线与地之间以及CAN_H 和CAN_L 之间采用双向TVS 管，抑制浪涌干扰[8]，L1、L2为共模电感，用以防止脉冲群的干扰。采用CAN 总线的形式与传感器进行通信传输，多个传感器共用一条线缆，降低了布线成本和日后的维护工作量。

2.2 智能传感器设计

智能传感器是泵站监控分站的重要组成部分，分为监测污水泵池散发有毒有害气体的甲烷、氨气、硫化氢、一氧化碳传感器，监测泵房内环境的温度、湿度、烟雾传感器，与水泵控制相关的超声波液位、管道流量传感器。

该文以一氧化碳传感器的设计为例说明，一氧化碳传感器由一氧化碳敏感元件、放大电路、ARM及其外围电路芯片构成的信息处理单元、信号输出电路、声光报警器件及驱动电路、显示器及稳压电路等部分组成，传感器总体电路结构如图4 所示。

图4 传感器总体电路结构图

传感器以ARM LPC2119 为核心，内置CAN 控制器，在程序及硬件电路上都对抗干扰处理做了优化。一氧化碳气体扩散进入电化学一氧化碳敏感元件，在催化电极(阳极)上产生电化学氧化反应[9]，一氧化碳被氧化成二氧化碳，同时阳极给出电子，在阳极、阴极和电解质之间形成离子导电，外电路负载上通过的电流与一氧化碳浓度成正比。所产生的电压信号经高精度运算放大器放大及阻抗变换处理进入A/D 转换器[10]。A/D 转换器ADS7822 是12 位 串行高精度转换电路，通过ARM 编程将模拟信号转换为数字信号交由ARM 处理，处理后驱动数码管驱动芯片ZLG7289A，由数码管显示一氧化碳浓度数值和传感器的地址，并驱动CTM8251AT 实现与控制柜的CAN总线通信，传感器数值超过设定值时，启动声光报警。图5 为ZLG7289A 驱动的数码管显示电路，ARM与其SPI 通信。

图5 传感器数码管显示电路

2.3 安防辅助设备设计

安防辅助设备基于成熟稳定的门禁控制、视频监控产品来实现。门禁子系统、视频子系统通过以太网进入控制柜，实现对大门、出入口、内部主要道路、关键设备实施管理和控制，对人员出入、设备故障时的视频联动和跟踪。

门禁设备实现对进出泵站人员的有效管理，实现对人员的身份、进出时间、泵站内活动状况的监视和记录。门禁管理系统由门、门禁控制器、电磁锁、读卡器、写卡器、门卡、开门按钮组成。系统通过门控分站判断读卡器和开门按钮的准入信号来控制电磁锁的吸合，通过无线4G 模块与监控主站通信，实现监控信息上传及远程开门[11]。通过发放不同权限的门卡保证泵站的安全性和灵活性。图6 为门禁设备结构图。

图6 门禁设备结构图

视频监控设备采用海康云台摄像机，云台可360°连续旋转，具有Smart 事件侦测功能，对泵站内主要设备、环境、人员等实时监视并保存泵站内画面，实现远程管理及事后核查。通过设置云台摄像机的预置位的方法实现设备故障、人员进入时的视频联动[12]。预先调整云台摄像机的角度、焦距，对准到各设备的合适位置，保存调整后的位置、焦距等参数，设置成相应的预置点位，当监控主站监测到泵站设备故障时，便控制相对应的云台摄像机转到该设备对应的预置位上，推送视频画面。

3 地面主控平台设计

远程集控主站设计以GIS 为平台，泵站在线监控和视频监控，门禁控制、综合分析与处理等功能在GIS 平台上表征[13]。系统采用C/S 与B/S 相结合的模式，地理信息平台采用ArcGIS，建模设计采用ROSE2017，建立河流、建筑等基础图，建立管网、泵站等专业图及相关属性[14]。

数据库采用Oracle，数据库对空间数据、属性数据、实时数据进行管理和存储[15]。

如图7 所示，平台统计了雨水、污水两种排水管线的分布、属性、材质、埋深、高程、利用率等管网属性，在地图上以图层形式进行综合显示。

图7 GIS平台雨水、污水管网属性图

如图8 为在GIS 平台上查询的化工园雨水泵站水泵组的历史流量数据。

图8 泵站历史流量数据查询界面

系统软件架构图如图9 所示，通过对采集的各泵站分站数据的解析处理，实时更新数据库，监控平台软件主要完成以下功能：实时监控、数据统计分析、调度管理、报警、GIS 管理、视频监控、门禁管理、Web 发布。

图9 远程集控主站软件架构图

通过GIS基础地理信息平台的应用，能够直观、清晰地展现辖区内污水雨水管线、泵站、污水井现状分布，实现与水质、内涝、雨量监测等多系统融合，有助于对整个辖区管网排水方案的宏观调度和决策[16]。

4 系统实验

无人值守城市泵站监控系统在沈阳铁西经济技术开发区的17 座污水雨水泵站，完成了安装调试并进行了系统性能实验。

如图10 所示为集成雨量、管网等系统为一体的综合泵站监控系统主界面。以一个系统平台整合众多功能，更清晰直观地获取实时数据，更智慧地分析管理[17]。

图10 泵站综合监控系统主界面

系统以ArcGIS 地理信息系统为基础，直观地显示各泵站液位、泵组状态、泵站位置、毒气情况等相关数据，方便对铁西经济开发区内所有泵站的管理。如图11 为所有泵站的状态界面图，验证了系统的监控功能。

图11 泵站状态界面图

从GIS 地图上可清晰地显示开发区内各泵站的分布位置，可联动管网系统，进行二维、三维模式切换，显示出泵站间的污水雨水管路，当管路中有液体流动时，可高亮显示管道及其流向，图12 为三维管网界面，高亮显示雨水管道的流向，验证了系统的联动融合功能。

图12 三维管网界面

视频监控界面如图13 所示，监控泵房内外的情况，设备故障或有人出入时，云台摄像机接收监控主站下发的转动命令，移动到事先设好的预置位上并自动调焦，右边是云台摄像机的操作栏，可手动实现云台、焦距的二次调整，验证了视频监控的功能。

图13 视频监控界面

5 结论

该文融合GIS 地理信息、4G 无线通信、智能仪表、视频监控、自动化控制等多种技术，提出了一套城市泵站无人值守监控系统的设计及实现方案，该系统经实际应用，取代了原城市泵站24 小时轮值的人工看守模式，避免了污水泵站有毒有害气体对值守人员健康的危害，多系统多技术的融合提升了城市泵站运维的智能性和可靠性，节省了大量的人力、物力、财力，提高了对泵站的管理效率，真正实现了城市泵站的无人化、网络化、信息化管理。泵站无人值守监控系统的应用，符合智慧城市的发展大方向，是智慧城市综合管控平台的一个有力补充。