一种污水泵站动态控制方法及系统与流程

本发明涉及污水处理系统控制领域，特别是涉及一种污水泵站动态控制方法及系统。

背景技术：

城市排水系统承担着的城市污水收集处理的重要职能，是保障人民生活、城市环境和城市安全的重要市政基础设施，城市排水管网的安全有效运行也是城市水环境质量的重要保障。

近年我国城市水环境污染形势依然严峻，城市排水管网运行中的问题也日益凸显，加强城市排水管网的信息化建设是解决相关问题的重要技术手段，污水泵站是排水管网的重要结构单元，实现污水泵站的智能运行控制可以有效提高污水系统优化运行水平，保障管网运行安全、减少冒溢，进而控制溢流、降低对污水厂波动影响等，因此，实现污水泵站智能运行控制的技术需求日趋迫切。

排水管网是开放式系统，运行环境条件复杂多变，管网的流量和液位一般均呈现非规律性的动态变化，泵站运行过程随时需要应对不同的运行状态，尤其在降雨条件下，管网水量会快速发生变化，复杂多变的管网运行状态，给污水泵站的运行控制带来极大的挑战。

现有污水泵站实际运行中大都采用人工经验控制，运行过程中很难随时适应管道多变的运行状态，有些研究开发了模糊控制、经验规律时序预测控制等控制方法，但这些方法控制实施过程中计算量较大，均需基于PC系统实现，虽然这些方法可以实现针对管网复杂运行状态的动态控制，但是长期工作过程中由于PC系统负荷耐受能力差、模糊经验控制难以体现所有未知运行情景等限制，控制的稳定性还不能保证，控制故障发生率远高于基于PLC的控制系统，而现有基于PLC的控制仅能实现比较简单的恒定液位、恒定流量的控制，以及经验规律控制等，这几种控制方式存在如下缺陷：不能根据上游管网实时变化的液位对泵组中水泵的开闭进行优化调整，使得控制效果较差，造成资源的浪费或利用率低，使得系统适应性差、控制稳定性较低，控制过程不能随动态变化的液位进行及时的调整。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种污水泵站动态控制方法及系统，以解决现有技术中污水泵站控制稳定性低的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种污水泵站动态控制方法，包括：

将上游管网的液位划分为连续的多段液位区间，每段所述液位区间设置对应的目标流量，每个所述目标流量均具有对应的水泵编组；

获取上游管网实时液位，确定所属液位区间，得到对应的目标流量，并运行对应的水泵编组；

获取集水池实时液位并与集水池目标液位进行比较，或获取泵站实时输送流量并与对应的目标流量进行比较，根据比较结果对水泵编组中的变频泵进行调节，以实现所述集水池的液位或所述泵站的流量的稳态控制；

其中，所述液位区间包括错位设置的上升液位区间和下降液位区间。

其中，在获取集水池实时液位后，将其与预设的集水池安全液位的上、下极限值进行比较，通过控制所述集水池的进水阀门开度，保证所述集水池实时液位处于安全液位范围内。

其中，多段所述液位区间不均等。

其中，所述下降液位区间的上边界比所述上升液位区间的上边界低0.3～0.5m。

本发明还提供一种污水泵站动态控制系统，通过PLC控制系统进行控制，所述PLC控制系统包括：

水泵编组控制模块，用于设置上游管网划分的连续多段液位区间的区间值，以及每段所述液位区间对应设置的目标流量值，每个所述目标流量值均具有对应的水泵编组；用于根据上游管网实时液位，确定所属液位区间，得到对应的目标流量，并控制运行对应的水泵编组；

反馈稳态控制模块，用于获取集水池实时液位并与集水池目标液位进行比较，或获取泵站实时输送流量并与对应的目标流量进行比较，根据比较结果对水泵编组中的变频泵进行调节，以实现所述集水池的液位或所述泵站的流量的稳态控制；

其中，所述液位区间包括错位设置的上升液位区间和下降液位区间。

其中，还包括反馈补偿控制模块，用于将集水池实时液位与预设的集水池安全液位的上、下极限值进行比较，通过控制所述集水池的进水阀门开度，保证所述集水池实时液位处于安全液位范围内。

其中，多段所述液位区间不均等。

其中，所述下降液位区间的上边界比所述上升液位区间的上边界低0.3～0.5m。

(三)有益效果

本发明提供的污水泵站动态控制方法，通过将上游管网的液位划分为连续的多段液位区间，并为每段液位区间对应设置一个目标流量，实现了控制过程中控制量随上游管网液位的动态变化而进行相应调整的功能，使得系统响应更迅速，系统控制更稳定的效果，同时还提高了水泵的运行效能，延长了整个泵组的使用寿命。根据反馈回的目标实时液位或泵站实时输送流量进行泵组中变频泵的调节，实现了集水池的液位或泵站的流量的稳态控制，使系统运行更稳定。由于不同的目标流量对应不同的水泵编组，即对泵组进行了优化组合，使得泵组满足高效率工作的同时，还延长了泵组整体的工作寿命。另外，本发明提供的污水泵站动态控制系统，各控制模块均可仅基于PLC控制系统实现，使得控制程序和控制量的调整更加方便快捷，使系统响应更迅速准确，使得系统控制长期运行稳定性高，且易于安装维修。

附图说明

图1为本发明中污水泵站动态控制过程示意图；

图2为本发明中上游管网液位区间划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明中污水泵站动态控制过程示意图；图2为本发明中上游管网液位区间划分示意图。

实施例1：

本实施例提供一种污水泵站动态控制方法，包括：

将上游管网的液位划分为连续的多段液位区间，每段所述液位区间设置对应的目标流量，每个所述目标流量与水泵编组开启的数量相对应。

具体地，如图1所示，首先依据上游管网的运行情况，将其所处的液位范围划分为连续的多段液位区间，即将液位区间离散化，形成多段离散液位区间。由于上游管网中的液位在不同的时间段呈现不同的液位高度，例如在午饭、晚饭这样的用水高峰期，管网中的液位会相对升高，而在午夜休息时，管网中的液位通常会下降。再比如遇到降雨天气，管网中的液位会急速地上升下降，波动范围很大。因此，在对上游管网进行液位区间划分的时候，应充分考虑实际的运行情况。然后，每段液位区间设置一个对应的目标流量，每个所述目标流量与水泵编组开启的数量相对应。这样即将上游管网的液位变化与下游的集水池进出水进行了关联，通过每段液位区间对应的目标流量，系统可以选择开启或关闭的水泵的数量，以及对开启或关闭哪几个水泵进行选择，实现水泵编组的优化。由于液位区间被离散化，形成了离散的目标流量，目标流量作为控制变量，可实现系统的离散化控制。

其中，划分液位区间时，上升过程的液位区间要与下降过程的液位区间错开，如图2中所示，这样可防止因液位区间的重叠而造成无法正确判断是处于上升过程，还是处于下降过程，进而造成程序不能顺利运行，且会造成短液位区间内的水泵频繁启闭。通常根据液位的变化速率进行上升过程或下降过程的判断。图2中，左侧为上升液位区间，从H1～H5被分为五个区间段，各区间段之间的间隔距离是不均等的，且各区间段连续划分。连续多段液位区间根据不同目标流量泵组方案的高效运行区间确定，不同泵组方案的目标流量或目标液位为泵组最高运行效能状态点。随着液位的不断升高，增多开启的水泵的数量，进而加大集水池的出水量。右侧为液位下降过程中液位区间的划分，从L1～L5分为五个区间段。随着液位的逐渐降低，开启的水泵数量逐渐减少，直至液位低于一定值时，关闭所有的水泵。值得注意的是，本实施例中只对液位区间进行了示意性划分，并不表示实际过程中只能按照图中所示设计，应该结合上游管网的实际工作情况进行适应性划分。

获取上游管网实时液位，确定所属液位区间，得到对应的目标流量，并运行对应的水泵编组方案。对液位区间的划分、目标流量的设定完成后，通过液位计或其他传感器获取上游管网中的实时液位，将获取的实时液位值传入PLC控制柜中，PLC控制柜集成了PLC控制系统，PLC控制系统用于实现整个系统的控制过程。由于此时PLC控制柜中已经输入了控制量，因此可根据实时液位值对应得到所在液位区间，进而确定对应的目标流量，PLC控制柜再根据目标流量自动确定污水泵站需要开启的水泵数量。这样，随着实时液位的不断变化，会处在不同的液位区间，而不同的液位区间具有不同的目标流量，进而对应开启不同数量的水泵，如此即可实现泵站中水泵的动态调整。这种控制方式的优点是，在流量不同的情况下，开启不同的水泵，使得集水池中的水量随着上游管网流量的变化而适应性变化，上游管网液位高时，集水池中的出水速度加快，上游管网中液位低时，水泵开启数量减少，集水池中的出水速度放缓，在保证集水池中的水量相对稳定的同时，还能节省用电、减小资源消耗。

获取集水池实时液位并与集水池目标液位进行比较，或获取泵站实时输送流量并与对应的目标流量进行比较，根据比较结果对水泵编组中的变频泵进行调节，以实现集水池的液位或泵站的流量的稳态控制。

具体地，为保证集水池中的液位能与目标液位保持一致，控制过程中加入了反馈机制。通过液位计或其他传感器获取集水池实时液位或泵站实时输送流量后，将该信息反馈回PLC控制柜，PLC控制柜通过将反馈回的实时液位与集水池的目标液位进行比较，或将泵站实时输送流量与目标流量进行比较，根据比较结果对水泵编组中的变频泵进行调节。例如，在系统运行过程中，需要保证集水池中的液位达到某一个固定值，或允许在该固定值的上下小范围内波动。实际运行过程中，实时液位与目标液位之间往往是不重合的，这就需要反馈稳态控制机制进行调节。当实时液位高于目标液位时，需要增大变频泵的频率，增大流量，以增大泵站实时输送流量，进而使集水池的液位快速下降至目标液位。当实时液位低于目标液位时，降低变频泵的频率，使输出流量减小，此时由于上游管网的进水量大于集水池的出水量，实时液位会快速上升至目标液位。通过循环控制，实现集水池液位的稳态控制。当控制目标为泵站实时输送流量时，随着目标流量的不断变化，PLC控制柜控制变频泵实现输出流量的相应调整，再根据反馈回的泵站实时输送流量与目标流量的差值实现流量的微调，最终实现集水池流量的稳态控制。

本发明提供的污水泵站动态控制方法，通过将上游管网的液位划分为连续的多段液位区间，并为每段液位区间对应设置一个目标流量，实现了控制过程中控制量随上游管网液位的动态变化而进行相应调整的功能，使得系统响应更迅速，达到更精确的控制效果，同时还提高了水泵的利用率，延长了整个泵组的使用寿命。根据反馈回的目标实时液位或泵站实时输送流量进行泵组中变频泵的调节，实现了集水池的液位或泵站的流量的稳态控制，使系统运行更稳定。由于不同的控制量对应不同的水泵编组，即对泵组进行了优化组合，使得泵组满足高效率工作的同时，还延长了泵组整体的工作寿命。

在上述实施例的基础上，在获取集水池实时液位后，将其与预设的集水池安全液位的上、下极限值进行比较，通过控制所述集水池的进水阀门开度，保证集水池实时液位处于安全液位范围内。

具体地，获取集水池实时液位后，信息反馈回PLC控制柜，可通过PLC控制柜的人机交互界面，对安全液位的上下限值和进水阀门开度的调节步长等参数进行设置。设置安全液位的目的是防止液位过高发生溢流事故，或者液位过低造成水泵不能抽水而出现空转现象。将反馈回的实时液位与预设的集水池安全液位的上、下极限值进行比较，当实时液位值高于安全液位的上限值时，PLC控制柜通过控制减小集水池的进水阀门开度，减小输入集水池的流量，而此时的出水流量大于进水流量，则集水池的液位会快速下降至安全液位以下，当液位下降到一定程度后，又在稳态控制机制的作用下，不至于使液位下降过大。当液位低于安全液位的下极限值时，则控制加大进水阀门开度，进而提升集水池液位，保证集水池实时液位处于安全液位范围内。运行控制过程保证进水阀门保持全开或较大开启状态，保证最大限度输送上游管网水量。

通过设置反馈补偿的机制，使得集水池液位保持在安全液位范围内，避免了发生溢流事故和水泵空转现象，保证了系统安全地运行。

在上述控制方法的基础上，多段液位区间进行不均等划分。由于在不同的运行环境和不同的时间段，上游管网的液位通常具有非规律的动态波动特性，运行控制过程连续多段液位区间根据不同目标流量泵组方案的高效运行区间确定，不同泵组方案的目标流量或目标液位为泵组最高运行效能状态点，将液位区间结合实际液位变化情况进行不均等划分，可使系统能随液位的变化进行适应性调整，提高控制稳定性，同时避免泵组运行过程发生某个液位区间频繁启闭的情况。如图2中所示，H2至H3这一液位区间与H3至H4这一区间的长度即不均等。

在上述实施例的基础上，下降液位区间的上边界比上升液位区间的上边界低0.3m～0.5m，目的是避免系统无法判断实时液位处于上升阶段还是处于下降阶段，防止控制程序异常运行。

实施例2：

本实施例是与实施例1中污水泵站控制方法相对应的控制系统，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

本实施例提供一种污水泵站动态控制系统，通过PLC控制系统进行控制，所述PLC控制系统包括：

水泵编组控制模块，用于设置上游管网划分的连续多段液位区间的区间值，以及每段所述液位区间对应设置的目标流量值，每个所述目标流量值均具有对应的水泵编组；用于根据上游管网实时液位，确定所属液位区间，得到对应的目标流量，并控制运行对应的水泵编组。

具体地，本发明实施例中的污水泵站动态控制系统通过PLC控制系统进行控制，各模块集成在PLC控制柜中。如图1中所示，水泵编组控制模块用于设置上游管网划分的连续多段液位区间的区间值，以及为每段液位区间对应设置一个目标流量，设置过程通过PLC控制柜上的人机交互界面实现，且这两个值均可通过人机交互界面进行修改。由于目标流量与水泵开闭个数是对应的，因此当确定了目标流量后，系统会自动确定水泵的编组方案，即自动配置开启哪些或关闭哪些水泵。在水泵编组中，至少存在一台变频泵，用于实现稳态控制。在对水泵进行优化编组的过程中，主要考虑水泵的累积运行时间。启动水泵过程中，主要选择启动累积运行时间最小水泵的水泵，停运时主要考虑累积运行时间最长的水泵。

反馈稳态控制模块，用于获取集水池实时液位并与集水池目标液位进行比较，或获取泵站实时输送流量并与对应的目标流量进行比较，根据比较结果对水泵编组中的变频泵进行调节，以实现所述集水池的液位或泵站的流量的稳态控制。

具体地，反馈稳态控制模块主要用于实现集水池的实时液位与目标液位保持一致，或泵站实时输送流量与目标流量保持一致。反馈稳态控制模块通过PLC实现，集成在PLC控制柜中。设置在集水池中的液位计或其他传感器获取集水池实时液位后，输入至反馈稳态控制模块，通过与集水池目标液位进行比较，根据差值对水泵编组中的变频泵进行相应调节，调节方法同实施例1中所述。或者也可通过比较集水池泵站实时输送流量并与对应的目标流量，根据差值对变频泵进行调节。通过反馈稳态控制机制，能实现集水池液位或流量的稳态控制。

其中，所述液位区间包括错位设置的上升液位区间和下降液位区间。

本发明提供的污水泵站动态控制系统，仅需要通过PLC控制系统进行控制，而不需要外置的PC等设备。通过将各控制模块集成在PLC控制柜中，使得控制程序和控制量的调整更加方便快捷，使系统响应更迅速准确，且采用PLC控制系统进行控制，极大地方便了控制系统的安装维修。

在上述实施例的基础上，还包括反馈补偿控制模块，用于将集水池实时液位与预设的集水池安全液位的上、下极限值进行比较，通过控制所述集水池的进水阀门开度，保证所述集水池实时液位处于安全液位范围内。反馈补偿控制模块主要起安全控制作用，当集水池中实时液位高于安全液位的上限值时，容易发生溢流事故，可能淹没水泵，造成财产损失，而液位低于水泵的工作液位时，水泵不能从集水池中抽水，这会导致水泵空转，容易烧坏水泵。设置反馈补偿控制模块即可避免这类问题的发生。本发明通过将实时液位反馈给PLC控制柜，并在实时液位高于安全液位时，减小进水阀门的开度，在实时液位低于安全液位时，增大进水阀门的开度，对集水池中水量进行补偿，实现了系统的安全运行。

在上述实施例的基础上，在水泵编组控制模块中设置的液位区间不均等，目的是提高系统适应性，连续多段液位区间根据不同目标流量泵组方案的高效运行区间确定，不同泵组方案的目标流量或目标液位为泵组最高运行效能状态点。

在上述实施例的基础上，下降液位区间的上边界比所述上升液位区间的上边界低0.3m～0.5m，目的是保证控制程序的正常运行，避免某液位点附近水泵频繁启闭情况发生。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

应该注意的是上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施方式。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。