基于工业物联网的污水泵站自动化系统改造

朱万浩，章盼梅，孔令棚

(1.华南理工大学广州学院电气工程学院，广东广州 510800；2.华南理工大学广州学院机械工程学院，广东广州 510800)

0 引言

近年来，国家越来越重视水质环境的保护，加大资金投入改善水质。污水是影响水质的一个重要因素，因此各地政府大量新建、扩建污水处理厂来改善水质。污水泵站是污水处理厂的重要组成部分，它的作用是把某个区域的污水输送到污水处理厂进行集中处理。随着城市化的快速发展，污水排放量日益增大，原来的污水泵站建设时间较长，自动化程度低，已无法满足当前输送污水的要求。

关于泵站的自动化控制技术，已有学者进行了相关研究。文献[1]针对樊口泵站运行时间长，原有的自动化系统已无法满足泵站运行需求等情况，对樊口泵站进行自动化系统改造。改造后的系统采用GE PLC和上位机，提高了泵站自动化水平，减轻了运维人员的工作压力。文献[2]结合珠三角排涝泵站的现状和存在问题，提出完善自动化建设标准、提高泵站自动化运行水平、降低泵站运维成本等改造措施。文献[3]分析了现有城市污水泵站自动化程度低、运行不稳定等情况，提出采用西门子S7-300 PLC、WINcc监控软件、工业以太网等技术，对排污泵站进行自动化系统改造。文献[4]以珠海广昌泵站改造项目为例，详细介绍了泵站AB PLC控制器、RSView上位机、工业以太网等改造技术。文献[5]针对农村小型泵站管理效率低的问题，设计了一套监控系统。文中分析了系统的总体架构、设计了硬件主程序和上位机软件，最后对系统进行了测试。当前学者对泵站自动化系统的研究，大多利用传统监控技术即PLC与监控软件相结合，实现对泵站的本地监控。传统的监控技术较好地支撑了早期泵站自动化技术的发展，但它无法实现远程监控。随着污水排放量的日益增大，国家提出建设无人值守泵站的要求，传统的自动化控制技术已无法满足当前泵站自动化系统建设的需求。

工业物联网、工业4.0、工业5.0是近几年的热门技术，它给社会带来新一轮的技术革命。工业物联网是通过工业以太网、云服务器、智能手机终端等技术，实现工业设备的智能互联和远程监控，提高了工业自动化水平和生产效率。因此，本文提出利用工业物联网技术，对污水泵站原有的自动化系统进行改造，以提高泵站的自动化程度和管理水平，降低泵站运维成本。本文的架构如下：首先，分析了国内外污水处理泵站的运行状况；然后，以一个实际的污水泵站为例，分析其存在的问题；接着，提出污水泵站自动化系统的改造方案，设计了改造后系统的总体架构，并详细分析了系统硬件和软件的改造过程；最后，对系统进行调试，发现问题及对未来的展望。

1 项目概况及存在问题

广东某污水泵站建设于2000年，主要负责某个区域生活污水的收集，然后通过市政管网输送到污水处理厂进行集中处理。污水泵站总占地面积为1 000 m2，设计流量为5 000 m3/d，建设单位为水务集团。由于泵站建设时间较长，当前主要面临如下问题：

(1)泵站自动化程度低。监控系统经常出现死机、无法读取仪表数据等情况，系统只能本地监控系统的运行，无法实现远程监控。

(2)线路、设备老化，经常出现故障。电缆线、控制信息号线老化严重，出现过热、绝缘皮损坏等现象。高低压配电柜没有通信端口，无法实时监测电压、电流等参数。

(3)泵站输送污水能力不足，无法满足日益增长的排污需要。泵站进水口垃圾太多，有时出现进水口堵塞的情况。

2 改造方案

根据污水泵站的实际情况，结合业主方的要求，对泵站进行如下改造：

(1)更换原有的自动化监控系统，改造后的监控系统能实现远程监控，同时能监测高低压配电柜运行情况。

(2)更换老化的电缆线、控制信号线、更换测量不准的液位计、流量计、高低压配电柜，新增1台潜水泵、1台格栅机，替换1台潜水泵。

2.1 原系统总体架构

污水泵站原监控系统中央控制器采用S7-200 PLC，上位机采用组态软件二次开发，现场由仪表、潜水泵等设备组成。原控制系统中央控制室有1台监控主机和1台喷墨打印机；现场设备有3台潜水泵，其中1台潜水泵已烧坏，液位计和流量计各1台。配电房有高低压配电柜和开关柜，由于没有通信接口，无法远程监测它们的运行情况，原污水泵站监控系统总体架构如图1所示。

图1 原监控系统总体架构图

2.2 改造后系统总体架构

改造后的系统利用工业物联网技术，上位机采用微信小程序二次开发监控系统，下位机采用STM32控制器，通过以太网把数据传送到云服务器，手机等智能终端通过微信小程序与云服务器相连，从而实现对污水泵站的远程监控。系统分为应用层、中间层、现场层：应用层主要由本地服务器、云服务器、微信小程序监控系统和手机等智能终端组成；中间层由工业以太网环网、工业交换机、STM32控制器、以太网模块组成；现场层主要由潜水泵、液位计、空气流量计、电控阀门等组成。改造后系统的总体架构如图2所示。

图2 改造后监控系统总体架构图

3 改造后系统设计

改造后的系统不但能实时监控泵站的运行情况，而且能用手机、电脑等智能终端实现远程监控。系统分软件和硬件2部分，软件采用微信平台进行二次开发，硬件部分采用STM32控制器及相关模块，实时处理空气流量计等仪表信号和控制潜水泵、电控阀门、格栅机等设备的启停。

3.1 硬件系统设计

改造后监控系统硬件部分选用STM32为核心控制器。除了STM32之外，还包括模数转换模块、继电器模块、网络通讯模块等。

3.1.1 模拟量模块设计

模拟量是一种随时间连续变化的量，控制器不能直接处理模拟信号，需要把它转换为数字信号才能处理[6]。STM32内部带有A/D接口，但考虑到数量不够、不易维修等情况，因此外置独立的A/D模块。在泵站监控系统中，需采集的模拟量信号有电压、电流、液位值、流量值等，它们都需经A/D模块转换后发送给STM32。A/D模块电路如图3所示。

图3 AD模块电路图

3.1.2 数字量模块设计

数字信号是离散的量，一般高电平采用“1”、低电平采用“0”来表示[7]。在泵站自动化系统中，需要处理的数字量信号有上百个，例如：潜水泵、格栅机、电控阀门等设备的启动、停止、故障、报警；液位计、空气流量计等仪表的故障信号。系统运行时，当需要启动潜水泵，STM32发送一个高电平信号“1”给变频器，通过变频器启动潜水泵；当需要停止潜水泵时，STM32发送一个低电平信号“0”给变频器，通过变频器停止潜水泵。泵站原有3台潜水泵，启动方式均为软启动，1台潜水泵已烧坏。改造后新增1台泵、替换1台泵，全部泵改为变频启动，数字量模块电路如图4所示。

图4 数字量模块电路图

3.1.3 视频监控模块设计

原泵站自动化系统为了节省工程建设成本，没有视频监控系统，有时会出现设备丢失的情况。为了加大泵站的安全管理力度，改造后的自动化系统新增视频监控。通过在STM32控制器旁添加视频监控模块与摄像头相连，达到视频监控的目的。视频监控模块电路如图5所示。

图5 视频监控模块电路图

3.1.4 继电器模块设计

继电器是通过电磁吸合或光耦方式，实现弱电控制强电的功能[8]。在污水泵站自动化系统中，不同的设备需要的供电电压不同，如：STM32控制器供电电压是3.3 V、模数转换等模块的电压是5 V、现场监测仪表的电压是24 V、照明电压是220 V等。为防止高电压串入低电压，造成低电压设备的损坏；同时，STM32控制器输出电压低，不能控制设备的运行，通过继电器可方便地控制设备的工作。因此，在泵站自动化系统中使用大量的继电器。现场的继电器主要有2种：一种是直流控制直流的继电器，用于控制仪表等直流设备，通常4个继电器为一组模块；另一种是直流控制交流的继电器，用于控制电机等交流设备。继电器模块电路如图6所示，4路继电器为一组，输入信号先经三极管放大，然后通过光耦继电器隔离，输出信号控制设备。

图6 继电器模块电路图

3.1.5 网络通信模块设计

污水自动化系统中央控制器需采集液位计、空气流量计等仪表信号，经控制器处理后发送给变频器，从而控制潜水泵、电动阀门等设备的运行。控制器把信号发送到本地服务器保存，同时通过以太网，发送到云平台，本地服务器和云平台是同步保存的，冗余配置。微信小程序监控软件连接到云服务器，实现监控软件和控制器的数据交换。整个自动化系统设备之间通过TCP/IP协议通信，操作人员通过手机打开微信小程序，即可监控泵站的运行。控制器不带网络模块，为了把数据上传到云服务器，本项目增加W550以太网模块；同时，为了提高系统通讯的可靠性、稳定性，以太网模块采用冗余配置[9]。网络模块电路如图7所示。

图7 网络模块电路图

3.2 软件系统设计

污水泵站原监控软件采用组态软件二次开发，系统只能本地监控，无法实现广域监控。近年来随着物联网、工业物联网的兴起，出现了智能手机APP、微信小程序、微信订阅号、云监控等新兴的监控平台[10]。微信小程序监控软件具有无需安装、打开手机微信扫一扫二维码，即可监控设备运行的优点；同时，微信平台拥有大数据、云平台技术和强大的科研队伍，为监控软件提供技术保障，因此本项目选用微信小程序进行二次开发。

3.2.1 软件系统总体架构

污水泵站远程监控系统分为进水系统、处理系统、出水系统、报警一览和报表管理子系统。进水系统由格栅机和空气流量计组成；处理系统由提升泵和液位计组成；出水系统由有毒气体检测仪和空气流量计组成；报警一览采集设备和仪表的报警信息；报表管理负责记录和保存泵站运行参数的各种报表[11]。软件系统总体架构如图8所示。

图8 软件系统总体架构图

3.2.2 主程序设计

微信小程序监控软件二次开发时，首先设计系统初始化模块，与云服务器的建立连接。如果系统通信成功，则打开软件侦听程序，如果通信不成功，则返回继续尝试连接。然后根据程序的命令，跳转到相应的监控界面，如进水系统、报表管理等界面，主程序设计流程如图9所示[12]。

图9 主程序设计流程图

4 系统测试

为了验证污水处理远程监控系统能否正常运行，系统初步设计完成之后，在实验室进行系统测试。系统测试分为功能性测试和云测试，功能性测试是验证系统各控制按键能否正常工作、仪表数据能否实时上传等；云测试则是借助第三方的云服务平台，如：阿里云、华为云、腾讯云等平台，对iOS和Android系统的APP、微信小程序等进行全方位的检测，发现漏洞并生成修改报告。本项目首先在实验室进行功能性测试，然后通过云平台再进一步测试系统性能。测试时，首先打开智能手机的微信软件，扫一扫二维码进入污水泵站远程监控系统主界面。点击进水系统按钮，监控界面跳转到进水系统界面。点击格栅机按钮，然后再点击启动按钮，格栅机启动运行，监控界面如图10所示。

图10 监控界面测试图

5 结束语

基于工业物联网的污水泵站自动化系统改造项目，采用微信小程序、STM32控制器、云服务器等技术，实现了污水泵站的远程监控，解决了污水泵站原有系统自动化程度低、无法远程监控的问题。系统自试运行以来，运行稳定、反应灵敏、实时性好，能远程监控泵站的运行状态，受到业主的好评。

(1)上位机采用微信平台二次开发监控软件，污水泵站运维人员打开微信，扫一扫二维码即可监控设备的运行。

(2)下位机采用STM32控制器，实时采集空气流量计、液位计等现场仪表的信号，经过处理后发送命令控制现场设备的运行，同时将数据上传到云服务器。

(3)本文目前仅对一个污水泵站自动化系统进行改造，随着工业物联网、工业4.0/5.0、微信小程序监控软件和云服务器技术的不断发展，未来将有更多的污水泵站、污水泵站与污水处理厂互联，实现智慧水务、智慧工业、智慧城市的目标。