本實(shí)用新型屬于城市建設(shè)和規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種基于分層控制結(jié)構(gòu)的城市智能排水控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近幾年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市“熱島效應(yīng)”表現(xiàn)越實(shí)用新型顯，突發(fā)性強(qiáng)降雨天氣的頻發(fā)，使得各大城市相繼發(fā)生不同程度的內(nèi)澇，輕則造成城市交通擁堵，重則造成人員財(cái)產(chǎn)損失，城市內(nèi)澇已成為困擾城市穩(wěn)定發(fā)展的主要災(zāi)害因素。2012年7月21日，北京遭遇特大暴雨，暴雨導(dǎo)致79人死亡，163處不可移動(dòng)文物不同程度受損，10660間房屋倒塌，116.4億元經(jīng)濟(jì)損失；強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“菲特”致使浙江省溫州、寧波和杭州等地普降暴雨，城市內(nèi)澇嚴(yán)重。杭州西湖等景區(qū)多處景點(diǎn)被淹，無(wú)法向游客開(kāi)放?！胺暧瓯貪场睂?duì)人們生活帶來(lái)了極大不便，給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失。如何防范和治理城市內(nèi)澇，已成為前迫切需要解決的民生問(wèn)題。

城市排水系統(tǒng)，是處理和排除城市雨水和污水的工程設(shè)施系統(tǒng)，是城市公用設(shè)施的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)城市除澇安全和污染控制的重要環(huán)節(jié)。泵站是城市排水系統(tǒng)的組成單元，主要作用是利用大功率的水泵實(shí)現(xiàn)排澇、灌溉、航運(yùn)補(bǔ)水和市政供水等。

為了實(shí)現(xiàn)城市排水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，“智能排水”應(yīng)運(yùn)而生。在這樣的背景下，研究傳統(tǒng)排水控制系統(tǒng)的弊端，構(gòu)建智能排水控制系統(tǒng)顯得尤為迫切和重要。

排水泵站控制系統(tǒng)是集機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備和水利工程的綜合控制系統(tǒng)，大功率水泵機(jī)組是主要控制對(duì)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)八十年代總裝機(jī)容量1000Kw以下的小型泵站大多采用24小時(shí)人工值守運(yùn)行方式，人工記錄泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)表，手動(dòng)控制格柵、閘門(mén)及水泵機(jī)組的啟停，自動(dòng)化水平落后。進(jìn)入九十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，城市排水控制系統(tǒng)經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助控制和計(jì)算機(jī)分散控制兩個(gè)發(fā)展階段。計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)水池水位、污水流入量的采集、分析和處理，控制水泵機(jī)組動(dòng)作，實(shí)時(shí)記錄泵站系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)，以及視頻監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)等功能。目前，城市排水泵站普遍采用基于本地計(jì)算機(jī)的分散控制方式，這種方式下區(qū)域泵站間缺乏信息交互。跨入新世紀(jì)，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)的進(jìn)步，基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)由于具有較高的穩(wěn)定性、可靠性和可擴(kuò)展性而得到了快速發(fā)展。自美國(guó)霍尼韋爾第一套分布式控制系統(tǒng)TDCS-2000問(wèn)世以來(lái)，分布式控制系統(tǒng)已經(jīng)在控制的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，以其高度的可靠性、方便的組態(tài)軟件、豐富的控制算法、開(kāi)放的聯(lián)網(wǎng)能力，逐漸成為過(guò)程自動(dòng)控制的主流，自然也成為城市排水控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

對(duì)控制系統(tǒng)建立合理的描述模型是實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)先進(jìn)控制的基礎(chǔ)，當(dāng)前排水系統(tǒng)的模型研究主要通過(guò)雨水管理模型等預(yù)測(cè)并實(shí)現(xiàn)溢流控制，然而，泵站排水量受分布式泵站納容、管道長(zhǎng)度和各站點(diǎn)機(jī)組容量等確定因素，強(qiáng)降雨或人群排污等造成的流量不確定因素，以及泵站目標(biāo)水位和圍堰閘高度設(shè)定、機(jī)泵群排水量、各級(jí)間的流量協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度量等人為控制因素的影響。因此，在結(jié)合機(jī)泵群控制和協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度的城市分布式泵站排水控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型方面還有待進(jìn)一步探索。城市排水系統(tǒng)遍布整個(gè)城市，其流量具有不確定性、非線性和滯后性，同時(shí)泵站間存在鏈級(jí)制約作用，局部控制存在難以協(xié)調(diào)優(yōu)化的局限性，不合理的排放控制方式造成污水溢出的同時(shí)伴隨有高能耗問(wèn)題。有研究開(kāi)始重視污水排放系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制。當(dāng)前世界各國(guó)的污水排放系統(tǒng)仍以局部響應(yīng)控制(LRC)為主。雖然也有城市排水系統(tǒng)全局優(yōu)化控制方面的研究，但尚處于起步階段，控制目標(biāo)和控制手段較單一，沒(méi)有探究區(qū)域工況差異和支流擾動(dòng)影響下如何根據(jù)泵站的相互鏈接作用來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度以充分利用各泵站的排污能力，從而實(shí)現(xiàn)排水智能化、節(jié)能化，提高城市內(nèi)澇防治水平。

綜上所述，目前各個(gè)泵站普遍采用的分散控制方式依據(jù)各自工況運(yùn)行排水，缺乏必要的全局信息交換難以實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)，并且這種常規(guī)的集中控制方式受網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中斷、阻塞、數(shù)據(jù)丟失等因素的影響，控制效果也不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于分層控制結(jié)構(gòu)的城市智能排水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)回路控制器的智能網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，對(duì)平衡泵站進(jìn)水量和泵出量、滿(mǎn)足城市日常排水和增強(qiáng)城市排水防澇能力雙重要求具有重要意義。

本實(shí)用新型采用如下方案：

基于分層控制結(jié)構(gòu)的城市智能排水控制系統(tǒng)，由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和下層PLC為核心的泵站現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)組成；

上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)選用以太網(wǎng)作為共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，泵站現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)通過(guò)RS-232串行直連方式，獲取PLC采集的泵站進(jìn)水池水位、污水流量，再將信息傳送至中央服務(wù)器，保存于數(shù)據(jù)庫(kù)，中央服務(wù)器再通過(guò)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化決策知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化控制；

泵站現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)包括PLC、水位傳感器、流量傳感器、數(shù)字量輸入模塊、變頻器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字量輸出模塊，水位傳感器經(jīng)信號(hào)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(shù)字量輸入模塊與PLC連接，變頻器、數(shù)據(jù)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(shù)字量輸出模塊直接與PLC連接，PLC與上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)采集卡采用812PG數(shù)據(jù)采集卡。

進(jìn)一步，所述信號(hào)變送器還連接有水位顯示模塊。

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

本實(shí)用新型針對(duì)大系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有多個(gè)控制核心的分層控制結(jié)構(gòu)，構(gòu)造計(jì)算能力強(qiáng)大、組網(wǎng)方便的工控機(jī)作為泵站的上層控制核心，建立基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)計(jì)量全局工況流量和水位，進(jìn)而根據(jù)極值原理和優(yōu)化理論制定合適的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略與調(diào)度方法。同時(shí)，以性能可靠的PLC為下層控制核心，構(gòu)建本地智能控制系統(tǒng)，確保排水系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)城市分布式泵站排水系統(tǒng)的智能化，提高城市內(nèi)澇防止水平。

本實(shí)用新型從系統(tǒng)規(guī)劃入手，將提升政府對(duì)公用行業(yè)的監(jiān)督水平與應(yīng)急處理能力，解決因城市規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的城市排水隱患，減少、消除安全、環(huán)保、維護(hù)等經(jīng)濟(jì)代價(jià)；實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)隱患早發(fā)現(xiàn)、早控制的智能管理需求；為跨部門(mén)、跨機(jī)構(gòu)信息共享提供平臺(tái)支持；減少公共維護(hù)性開(kāi)支，提升城市基礎(chǔ)改造建設(shè)水平；減少突發(fā)事件，降低施工返修負(fù)面影響，提高市民滿(mǎn)意度。

本實(shí)用新型集物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與控制于一體，形成綜合管理控制平臺(tái)，把多個(gè)管理部門(mén)的工作集于一體，改變規(guī)劃思維方式，避免條塊分割造成的浪費(fèi)，促進(jìn)城市規(guī)劃從源頭做起，數(shù)據(jù)分析結(jié)果應(yīng)用調(diào)水、排水，使整個(gè)工作系統(tǒng)化、規(guī)范化：

(1)實(shí)現(xiàn)區(qū)域智能協(xié)調(diào)，便于統(tǒng)一指揮、調(diào)度，聯(lián)網(wǎng)的每部手機(jī)都可以是指揮中心；

(2)有利于促進(jìn)部門(mén)整合，節(jié)省管理人員及操作人員，提高效益；

(3)促進(jìn)規(guī)劃先行，城市建設(shè)布局放在首位，建設(shè)規(guī)劃超前的城市結(jié)構(gòu)，從根本上預(yù)防特大降雨；

(4)有效預(yù)防特大降雨引發(fā)的城區(qū)內(nèi)澇，技術(shù)先進(jìn)，為區(qū)域乃至整個(gè)城市改造提供示范效應(yīng)。

在項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)化前景方面，本實(shí)用新型的開(kāi)發(fā)成功，將極大的推動(dòng)在城市排水方面的一體化規(guī)劃，市場(chǎng)前景十分樂(lè)觀。

本實(shí)用新型研制成功后，按每年平均銷(xiāo)售10套估算，預(yù)計(jì)年銷(xiāo)售產(chǎn)值可達(dá)1000萬(wàn)元左右，年利潤(rùn)可實(shí)現(xiàn)300萬(wàn)元，可上繳國(guó)家稅金100萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，我們創(chuàng)新研發(fā)的城市智能排水系統(tǒng)具有很強(qiáng)的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力和良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1基于分層控制結(jié)構(gòu)的城市智能排水系統(tǒng)示意圖；

圖2下層泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)硬件電路組成方框圖；

圖3上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖4泵站現(xiàn)場(chǎng)智能優(yōu)化控制工作原理圖；

圖5城市分布式泵站排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將配合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本申請(qǐng)的實(shí)施方式，藉此對(duì)本申請(qǐng)如何應(yīng)用技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題并達(dá)成技術(shù)功效的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。

1.研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

本實(shí)用新型擬構(gòu)建一個(gè)基于分層控制結(jié)構(gòu)的城市智能排水控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的管網(wǎng)、河流，采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)控制術(shù)，構(gòu)建上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，泵站現(xiàn)場(chǎng)獲取PLC采集的泵站進(jìn)水池水位、污水流量等參數(shù)，并通過(guò)傳輸效率較高的以太網(wǎng)將參數(shù)信息傳送至中央服務(wù)器，進(jìn)而，基于城市分布式排水系統(tǒng)模型，利用最優(yōu)化技術(shù)求解包含綜合調(diào)度泵站的城市排水系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化水量調(diào)度最優(yōu)解，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將調(diào)度水量的命令下達(dá)至泵站現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)，為了解決常規(guī)集中控制在網(wǎng)絡(luò)中斷、阻塞、數(shù)據(jù)丟失期間出現(xiàn)的盲區(qū)控制問(wèn)題，以性能可靠的PLC為下層控制核心，構(gòu)建下層泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)，確保排水系統(tǒng)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行。因此，項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容需要包括：

(1)分層控制結(jié)構(gòu)的城市排水網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

分層控制系統(tǒng)由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和下層PLC為核心的泵站現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)組成。選用具有協(xié)議開(kāi)放性和應(yīng)用廣泛性的優(yōu)點(diǎn)的加Internet網(wǎng)作為共享網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制外環(huán)，跟蹤管網(wǎng)中各區(qū)域泵站的水流量、水位變化，實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度決策及參數(shù)協(xié)調(diào)；同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控端實(shí)時(shí)監(jiān)控各下層泵站現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)泵站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)工況及控制需求，監(jiān)管控制與中央?yún)f(xié)調(diào)反饋控制，獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾，既能利用中央服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息共享及區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，又可通過(guò)泵站現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障引起的控制盲區(qū)問(wèn)題。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(2)下層泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有高速的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制，使得區(qū)域泵站排水綜合性能最優(yōu)。然而任何電子設(shè)備都會(huì)有部件磨損，進(jìn)而導(dǎo)致硬件故障。當(dāng)上層控制系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障或控制程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，為確保排水系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，需構(gòu)建下層PLC為核心的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，清除網(wǎng)絡(luò)控制的盲區(qū)。下層泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)硬件電路組成方框圖如圖2所示。主要由各類(lèi)傳感器、變送器、PLC、變頻器、數(shù)據(jù)板卡和繼電器等設(shè)備組成。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集處理和本地智能優(yōu)化控制兩個(gè)環(huán)節(jié)組成。數(shù)據(jù)采集處理環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)采集水位、流量信號(hào)、控制器輸出控制量以及系統(tǒng)主電路電流信號(hào)。本地智能優(yōu)化控制環(huán)節(jié)在檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)生異常時(shí)，通過(guò)智能判定環(huán)節(jié)PLC獲得系統(tǒng)控制權(quán)，對(duì)泵站機(jī)組進(jìn)行排水控制，同時(shí)給出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)故障報(bào)警。

(3)分布式泵站排水系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)研究

當(dāng)前城市排水系統(tǒng)模型大都未結(jié)合排水機(jī)泵群這一基本控制單元。本實(shí)用新型以機(jī)泵群為基礎(chǔ)，對(duì)分布式泵站的納容和機(jī)組容量等確定因素、強(qiáng)降雨造成的流量不確定因素，以及泵站目標(biāo)水位和機(jī)泵群排水量、各級(jí)間的流量協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度量等人為控制因素進(jìn)行數(shù)學(xué)公式化描述，并給出一類(lèi)包含綜合調(diào)度泵站的城市排水系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法，獲得各個(gè)泵站實(shí)時(shí)的最佳排水量。

2.技術(shù)關(guān)鍵

1.下層泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上層控制信號(hào)中斷時(shí)，由數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、切換控制環(huán)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)輸出等部分組成的實(shí)時(shí)控制環(huán)可以依據(jù)所控制的排水泵站實(shí)時(shí)流量、水位調(diào)節(jié)控制區(qū)域泵站區(qū)域的污水智能排放。需設(shè)計(jì)水位相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取并轉(zhuǎn)換的電路，由其根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析控制機(jī)泵。同時(shí)對(duì)各種硬件的智能控制都通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計(jì)與編寫(xiě)也是本實(shí)用新型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

2.全局協(xié)調(diào)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

各個(gè)鏈級(jí)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(jí)泵站向某后級(jí)泵站過(guò)量送水，使后級(jí)泵站溢流，造成溢出積水的問(wèn)題，利用最優(yōu)化技術(shù)求解約束條件下各鏈級(jí)泵站的最優(yōu)協(xié)調(diào)調(diào)度泵水量，實(shí)現(xiàn)泵站的智能排水。

實(shí)施方案及技術(shù)路線

(1)上層網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

上層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，選用傳輸效率高的以太網(wǎng)作為共享網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，泵站現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)通過(guò)RS-232串行直連方式，獲取PLC采集的泵站進(jìn)水池水位、污水流量等參數(shù)，再將信息傳送至中央服務(wù)器，保存于數(shù)據(jù)庫(kù)。中央服務(wù)器再通過(guò)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化決策知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

Socket又稱(chēng)為“套接字”，用于描述IP地址和端口，是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義了許多函數(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。本實(shí)用新型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的通信均采用流式Socket(SoCKsTREAM)接口實(shí)現(xiàn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請(qǐng)求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。首先中心服務(wù)器使用ServerSocket監(jiān)聽(tīng)指定端口，等待下位泵站的連接請(qǐng)求，接著各泵站工控機(jī)使用Socket對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的中心服務(wù)器制定的端口發(fā)出連接請(qǐng)求，一旦完成連接即可產(chǎn)生會(huì)話(huà)，實(shí)現(xiàn)泵站參數(shù)傳輸，同時(shí)服務(wù)器綜合區(qū)域內(nèi)所有泵站信息，生產(chǎn)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制命令，并將命令信息卞送至下位泵站，此時(shí)一個(gè)周期的會(huì)話(huà)完成，服務(wù)器端關(guān)閉連接繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，客戶(hù)端工控機(jī)也關(guān)閉Socket結(jié)束本次連接。

(2)下層泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障或控制程序發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),為確保排水系統(tǒng)依然運(yùn)行，需構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)。該泵站現(xiàn)場(chǎng)智能控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集處理部分和本地智能優(yōu)化控制部分組成。

A)數(shù)據(jù)采集處理部分

ORMONCPIH型PLC自帶的四個(gè)AD模擬采樣通道，循環(huán)掃描控制系統(tǒng)外圍傳感器、變送器采集到的水位、流量信號(hào)、控制器輸出控制量以及系統(tǒng)主電路電流信號(hào)。以水位信號(hào)采集為例進(jìn)行說(shuō)明，利用西門(mén)子超聲波傳感器將進(jìn)水池水位轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)4-20mA電信號(hào)，通過(guò)雙紋屏蔽線接入到PLC模擬量輸入模塊，再編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集程序段實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化、保存與顯示。其中200、W20、W102、W51、211為PLC內(nèi)部寄存器，傳送指令(MOV)執(zhí)行時(shí)間為0.3us，上、下限位控制指令(LMT)執(zhí)行時(shí)間為27.23聲us。

B)本地智能優(yōu)化控制部分

本地智能優(yōu)化控制環(huán)節(jié)由控制權(quán)智能判定和PLC分段變頻優(yōu)化控制兩部分組成。該部分工作流程圖如圖4，網(wǎng)絡(luò)控制工作正常時(shí)，控制系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制,下位PLC則實(shí)現(xiàn)周期循檢。當(dāng)PLC檢測(cè)到工控機(jī)異常時(shí)，通過(guò)智能判定子環(huán)節(jié)PLC獲得系統(tǒng)控制權(quán)后，進(jìn)行分段變頻控制，同時(shí)給出工控機(jī)故障報(bào)警并繼續(xù)周期檢測(cè)。

PLC采集當(dāng)前水位信號(hào)，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(shì)，計(jì)算水位變化速率。當(dāng)進(jìn)水池水位較低時(shí)，不改變或適當(dāng)降低當(dāng)前控制頻率使泵站水位快速上升至最佳目標(biāo)水位；當(dāng)水位上升略低于目標(biāo)水位且仍處于快速上升趨勢(shì)，則需增大機(jī)泵轉(zhuǎn)速，減小水位上升速率，平緩逼近目標(biāo)水位；當(dāng)水位高出最佳水位但水位成下降趨勢(shì)，則可保持當(dāng)前控制頻率不變；當(dāng)水位低于目標(biāo)水位且繼續(xù)降低時(shí)，則應(yīng)降低當(dāng)前工作頻率，保證機(jī)泵高效運(yùn)行。若當(dāng)前水位值高于上限閾值，點(diǎn)亮高水位報(bào)警信號(hào)燈。相反，當(dāng)出現(xiàn)水位低于下限閾值，則需進(jìn)行機(jī)泵停機(jī)動(dòng)作。

(3)分布式泵站排水系統(tǒng)全局協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法設(shè)計(jì)

城市排水系統(tǒng)由分布在整個(gè)城市中的眾多提升泵站和管徑大小不一的管網(wǎng)組成，圖5給出了城市分布式泵站排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中泵站S1一S5分為綜合調(diào)度泵站和非綜合調(diào)度泵站，分別用雙環(huán)和單環(huán)表示，帶箭頭的實(shí)線表示水流方向,虛線表示區(qū)域泵站與排放終點(diǎn)站間可以有很多其它分布鏈級(jí)泵站。城市排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為包含上下鏈級(jí)泵站的串聯(lián)和并聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)，泵站間的流量時(shí)滯具有不確定特性，考慮泵站控制系統(tǒng)i的慣性時(shí)間常數(shù)T_0i,,可得到含泵站間鏈級(jí)作用的區(qū)域泵站i的微分方程為

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

對(duì)微分方程(1)進(jìn)行拉式變換：

式中

展開(kāi)(2)式并忽略高階項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)的影響，可得到

式中

進(jìn)而考慮采樣周期和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并利用離散化知識(shí)對(duì)連續(xù)系統(tǒng)模型進(jìn)行離散化推導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程表達(dá)式。并通過(guò)凸優(yōu)化方法求得各個(gè)泵站的實(shí)時(shí)排水量。因此，中央?yún)f(xié)調(diào)控制器可通過(guò)Intemet網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將優(yōu)化問(wèn)題得到的流量調(diào)度解發(fā)送至各個(gè)泵站。

(4)建立仿真測(cè)試系統(tǒng)

將控制系統(tǒng)提供的各個(gè)功能模塊和軟件終端集成到智能排水系統(tǒng)上，進(jìn)行分模塊功能的測(cè)試工作，測(cè)試系統(tǒng)需通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試，網(wǎng)絡(luò)接口層，系統(tǒng)調(diào)試等。模擬實(shí)際的泵站排水進(jìn)行測(cè)試。如仿真測(cè)試滿(mǎn)足技術(shù)要求，進(jìn)行智能排水系統(tǒng)的各功能模塊的集成測(cè)試。

上述說(shuō)明示出并描述了本實(shí)用新型的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本實(shí)用新型并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述實(shí)用新型構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，則都應(yīng)在本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。