远程智能排水在城市排水控制中的应用

关键词：城市排水耗能排水泵污水

城市排水控制系统概述城市排水系统是由广区域内的集水井、地下污水输送支、管道网络和大小排水泵站组成的复杂分布式系统。目前城市排水控制系统中存在无效耗能大、强降雨时污水溢出事故频发以及缺乏城市全局协调控制等引发的问题。因此, 本人提出了远程智能排水, 即网络掌握排水系统实时运行状况。通过网络进行故障排除和设备检修, 这不仅突破了空间距离, 而且对城市排水控制系统进行信息化的综合管理和对提高城市排水网管理水平、维护城市安全运行、改善城市环境都具有一定的指导作用。

1 远程智能排水控制系统结构

将Internet网络引入当前的排水控制系统, 与中心服务器、各泵站内下位工控机、集水井液位传感器、机泵组、变频器、接触器等构成远程智能排水控制系统。系统正常运行时, 各泵站内的下位工控机通过液位传感器对集水井内的液位、机泵组频率等进行循环采样, 通过Internet网络将实时状态值传送至中心服务器;中心服务器根据泵站参考液位发出控制数据包, 分别传送至各泵站;下位工控机将接收到的远程控制信号输出给变频器、接触器等执行设备, 经过相应的处理后传送给机泵, 从而实现机泵的控制。当网络出现故障时, 各泵站内的下位工控机也可以根据自带的本地控制算法计算控制量, 将控制量直接传送至执行设备, 实现机泵组的本地控制。

2 系统控制功能要求与运行模式

(1) 全区综合协调运行。全区综合协调运行是城市智能排水控制系统的最大特点, 在这种控制方式下, 不仅使整个系统实现效率最优、能耗最小的运行, 更能保障系统在突增降雨量或干旱期实现更合理的控制。

(2) 泵站内自动运行。泵站内自动运行是指在每个泵站内, 屏蔽网络最优水位信号, 完全由下位工控机根据本站污水流量和本地控制策略, 控制站内机泵启停、泵机运行台数、机泵运行转速等来控制泵站集水井水位, 达到单个泵站自动运行效率最优的目的, 无需人工干预。

(3) 远程遥控方式。远程遥控方式是指集控站内的值班人员或上一级管理人员在远程登录城市排水控制系统时, 对单个泵站进行人为的机泵启停、变频等操作。由于远程遥控是人为对泵站的物理设备进行控制, 容易产生误操作, 安全系数较低, 需要进行操作权限设定等。

3 排水控制系统网络化存在的问题

基于Intemet的远程智能排水控制系统在中央服务器的有序协调控制下能够实现全局效率最优控制、提高城市的节能、环保程度。但是网络的引进同时也为控制系统带来了一些问题。从控制角度上来说, 有以下几点: (1) 由于现有的网络带宽是一定的若系统中出现频繁的数据传输与数据交换, 不可避免地会产生传输时延的问题。 (2) 中心服务器与各泵站之间以及各泵站之间均存在较长的传输距离, 在数据传输过程中要经过路由转发、过滤, 在路由节点上产生数据包碰撞, 或长时间排队等待会发生数据时延或丢失的问题。 (3) 网络传输中的时延和数据包丢失将使中心服务器对各泵站状态变化反应不够及时、准确, 或使远程控制器到达执行器的控制命令产生滞后而数据包丢失更会使泵站因收不到控制命令而失控。

因此, 网络时延和数据包丢失会影响远程排水智能控制系统的稳定性和运行的安全性, 是急需解决的问题。

4 解决排水控制系统网络化存在问题的对策

4.1 网络时延的对策分析

针对网络化控制系统中的时延问题已有许多学者对此进行研究并提出了相应的解决方法: (1) 时钟同步方法。假设网络节点A向B发送数据包, 则节点B收到的数据包时间戳与A发出数据包时间戳的差值便是网络时延。由于A、B处于网络中不同的结点, 它们之间的系统时钟往往是不同步的。因此, 要利用时间戳进行网络时延计算就必须把所有结点的时钟同步。要做到所有结点的时钟完全同步是很难的, 它作为一个单独的研究方向已有许多复杂的研究算法。在本文中, 为了避免讨论时钟同步带来的复杂算法而影响讨论的连续性, 采用由节点A发出数据包至节点B, 节点B立即将该数据包返回的方法, 计算数据包传输往返时延的一半来表征单程时延的特点进而避免结点时钟不同步所带来的问题 (2) 固定时延方法。解决网络时延最简单方法是在所有的传输过程中把它当成一个常数。根据网络传输的媒介不同, 在传输过程中引入收发缓存, 通常这个缓存区比传输过程中最大的时延还要大, 那么传输时间就可以认为恒定为缓存的大小。在时延变化较小或是系统的采样时间、数据传输间隔比通信引入的延迟大得多的时候, 就可以采用把时延固定化处理的方法, 进而建立具有固定时延的系统模型。但针对时延变化较大的Internet网络时, 这种方法使得小时延也变大, 反而会增大控制系统的时延, 会导致系统实时性和控制性能变差; (3) 随机时延建模。大部分网络时延是随机时延, 网络随机时延建模有神经网络、马尔科夫、自回归等方法, 各具优点。

4.2 数据包丢失问题的应对措施

针对网络化控制系统中数据包丢失的问题, 建立在该理论基础上, 大致有两种数据包丢失控制方法:第一种是在假设网络丢包率已知的前提下, 利用线性二次型对NCS进行建模 (包括单包传输和多包传输模型) , 推导出系统指数稳定的条件, 并针对丢包情况设计出使系统稳定的控制器。第二种方法是针对第一种方法中传输时统计量大, 计算复杂的缺陷, 提出的基于观测器的补偿控制方法。通过对丢包时刻的系统状态进行预测补偿来减少丢包对网络控制系统的负面影响。

总之, 本文将Internet网络引入现有的城市排水控制系统, 给出了远程智能排水控制系统实现的结构框图。只有将通信机制引入当前排水控制系统, 实现各泵站之间的协调排放, 才能从根本上改变当前泵站控制中节能与环保的矛盾以及由此带来的一系列问题。

摘要：本文提出了一种基于的远程智能排水控制系统。该系统在现有的排水控制系统基础上, 阐述了利用网络通信功能, 实现泵站间的协调控制、关键数据自处理、系统远程监控、远程故障查看与恢复等的功能。

关键词：远程智能,城市排水