一种污水提升预制泵站及其数字孪生智能控制系统

技术领域

本发明涉及污水提升技术领域，特别是涉及一种污水提升预制泵站及其数字孪生智能控制系统。

背景技术

随着数字化和智能化技术的发展，数字孪生技术已经成为当前研究的重点之一。数字孪生是指通过数字化手段将实际物理系统建立一个对应的数字模型，并在此基础上进行仿真和优化的技术。数字孪生技术可以实现物理系统与数字系统之间的同步联动，提高了系统控制的精度和可靠性。

预制泵站作为城市排水系统、工业废水处理等领域中不可或缺的设施，其自动化控制技术也越来越受到关注。传统的泵站控制方法主要依靠人工操作，存在控制精度低、反应时间长、易出错等问题。因此，如何利用先进的数字化技术提高预制泵站的控制精度和自动化程度，尤为关键。

发明内容

针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供一种污水提升预制泵站及其数字孪生智能控制系统，能够提高泵站控制精度和自动化程度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一方面，本发明提供一种污水提升预制泵站，包括：爬梯、格栅导轨、水泵吊链、检修平台、粉碎格栅、进水口、无阻塞排污泵、玻璃钢底座、混凝土底座、传感器组、出水口、闸阀、止回阀、压力管道系统、液位控制器、浮球液位系统、耦合导轨以及耦合底座；所述传感器组包括流量传感器、扬程传感器、转速传感器、效率传感器和温度传感器；

所述爬梯固定在预制泵站筒体内靠内壁的位置，与检修平台相连接；检修平台位于筒体内中部位置，下方有支撑架；液位控制器通过焊接固定在检修平台下部；进水口开在筒体上，与粉碎格栅通过管道相连接；出水口与闸阀、止回阀通过管道相连接；耦合导轨通过焊接固定在检修平台下方；耦合底座通过螺栓固定在筒体底部；水泵吊链上方与筒体顶部中心相连接，下方连接无阻塞排污泵；耦合导轨、耦合底座和水泵吊链三者一起起到固定无阻塞排污泵的作用；无阻塞排污泵通过压力管道系统连接至止回阀；玻璃钢底座落座在混凝土底座上，玻璃钢底座用于固定整个筒体；浮球液位系统位于筒体内用于检测筒内水位高度；所述传感器组安装在无阻塞排污泵上，用于采集无阻塞排污泵的运行参数，包括流量、扬程、转速、效率、电机温度以及开闭状态。

可选地，所述预制泵站筒体呈圆柱形状；筒体壁面材料包括强化玻璃钢和高密度聚乙烯材料；筒体壁面由防腐蚀层、防渗透层、结构层和外保护层构成，并且外保护层添加了专用抗紫外线材料。

可选地，所述筒体最佳有效容积V

可选地，所述无阻塞排污泵所需扬程H计算公式为H＝H

可选地，所述粉碎格栅由双轴螺旋形刀片组成，两组切割刀片和垫片均布置在两个平行旋转轴上，呈双螺旋形交替重叠排列。

另一方面，本发明还提供一种污水提升预制泵站的数字孪生智能控制系统，包括：数字模型建立模块、历史工况库建立模块、数据采集模块、运行状态监测模块以及人机交互界面；

所述数字模型建立模块用于根据所录入预制泵站的CAD图纸、电气图和工艺流程图，构建所述污水提升预制泵站的数字孪生模型；

所述历史工况库建立模块用于采用粒子群算法处理历史工况数据，建立并更新历史工况库；

所述数据采集模块用于通过传感器组实时采集预制泵站的运行状态参数并传输到人机交互界面进行显示；所述运行状态参数包括无阻塞排污泵的运行参数、筒内水位高度、粉碎格栅开闭状态以及阀门开闭状态；

所述运行状态监测模块用于对收集的运行状态参数进行处理和分析，判断是否属于正常工况；若为正常工况则与历史工况库对比，选择最佳运行工况进行节能运行调节；若为非正常工况，则根据运行数字孪生模型的预测结果进行故障诊断并做出故障预警，从而指导设备运行和状况调整。

可选地，所述数字孪生智能控制系统还包括通信模块；所述通信模块提供多种接口和协议支持，包括数字信号、模拟信号、RS485和MODBUS。

可选地，所述数字孪生智能控制系统支持远程数据采集和传输，通过将数据上传至云端实现APP控制；所述数字孪生智能控制系统还配置有自动恢复和备份机制以及防止数据丢失的机制。

可选地，所述运行状态监测模块还用于当浮球液位系统监测到污水水位快速上升时，控制进水口和粉碎格栅关闭，无阻塞排污泵转速提高，直至预制泵站恢复安全水位。

可选地，所述运行状态监测模块还用于监测粉碎格栅的运行状态；当监测到粉碎格栅遇到固体物堵塞时，自动发出保护信号控制刀片反转并退出障碍物后重新进入。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的污水提升预制泵站及其数字孪生智能控制系统，所述预制泵站包括筒体、爬梯、格栅导轨、水泵吊链、检修平台、粉碎格栅、进水口、无阻塞排污泵、玻璃钢底座、混凝土底座、传感器组、出水口、闸阀、止回阀、压力管道系统、液位控制器、浮球液位系统、耦合导轨、耦合底座，并且采用数字孪生技术实现设备状态监测和优化管理。本发明通过数字孪生智能控制系统实现预制泵站的运行监测和节能运行优化，利用粒子群优化算法对故障进行及时诊断和预警，能够减少人工干预，实现智能化控制，极大提高泵站控制精度和自动化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明污水提升预制泵站的结构示意图；

图2为本发明污水提升预制泵站配备的数字孪生智能控制系统的结构示意图；

图3为本发明采用粒子群优化算法训练历史工况数据的流程图；

图4为本发明采用粒子群优化算法进行运行状态调节的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前已有相关的数字化技术用于预制泵站控制，例如SCADA系统、PLC控制器等，这些技术虽然在一定程度上提高了泵站的控制精度和自动化程度，但是由于缺乏完整的模型和实时反馈机制，其应用范围有限。对此，本发明的目的是提供一种污水提升预制泵站及其数字孪生智能控制系统，基于数字孪生技术高度还原实际环境，并通过数字模型实时反馈泵站运行状态，从而提高泵站控制精度和自动化程度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明一种污水提升预制泵站采用数字孪生技术实现状态监测和优化管理。如图1所示，所述污水提升预制泵站包括：爬梯1、格栅导轨2、水泵吊链3、检修平台4、粉碎格栅5、进水口6、无阻塞排污泵7、玻璃钢底座8、混凝土底座9、传感器组10、出水口11、闸阀12、止回阀13、压力管道系统14、液位控制器15、浮球液位系统16、耦合导轨17以及耦合底座18。所述传感器组10包括流量传感器、扬程传感器、转速传感器、效率传感器和温度传感器等。

所述爬梯1固定在预制泵站筒体内靠内壁的位置，与检修平台4直接相连接。检修平台4位于筒体内中部位置，下方有支撑架。液位控制器15通过焊接固定在检修平台4下部。进水口6开在筒体上，与粉碎格栅5通过管道相连接。出水口11与闸阀12、止回阀13通过管道相连接。耦合导轨17通过焊接固定在检修平台4下方。耦合底座18通过螺栓固定在筒体底部。水泵吊链3上方与筒体顶部中心相连接，下方连接无阻塞排污泵7。耦合导轨17、耦合底座18和水泵吊链3三者一起起到固定无阻塞排污泵7的作用。无阻塞排污泵7通过压力管道系统14连接至止回阀13。玻璃钢底座8落座在混凝土底座9上，玻璃钢底座8用于固定整个筒体。预制泵站使用时先浇筑一层混凝土形成混凝土底座9，找平凝固后玻璃钢底座8落座，螺栓固定后，再浇筑一层混凝土。液位控制器15的悬挂电缆应避免缠结，避免被障碍物干扰。浮球液位系统16位于筒体内用于检测筒内水位高度。所述传感器组10安装在无阻塞排污泵7上，用于采集无阻塞排污泵的运行参数，包括流量、扬程、转速、效率、电机温度以及开闭状态等。

工作时预制泵站通常位于低洼位置，收集附近区域的污水、雨水等。当预制泵站中积累一定量的污水，污水通过进水口6流入预制泵站，此时浮球液位系统16的传感器发送筒内水位高度信号给数字孪生智能控制系统19，数字孪生智能控制系统19控制粉碎格栅5和无阻塞排污泵7启动，污水通过压力管道系统14被泵送到出水口11。根据筒内水位高度信号，泵站的控制装置应能够及时对无阻塞排污泵7的运行进行调节，并利用数字孪生智能控制系统19对泵运行参数和泵站运行状态进行动态显示。当污水水位快速上升时，数字孪生智能控制系统19控制进水口6和粉碎格栅5关闭，无阻塞排污泵7转速提高，直至预制泵站恢复安全水位。当预制泵站出现故障时，数字孪生智能控制系统19进行实时故障诊断，分析故障原因，并将解决方案报送给运行值班人员。

所述预制泵站筒体呈圆柱形状，其壁面材料包括强化玻璃钢和高密度聚乙烯材料等重量轻、强度高、耐腐蚀的材料。筒体壁面由防腐蚀层、防渗透层、结构层和外保护层构成，并且外保护层添加了专用抗紫外线材料以预防其在长时间暴露于太阳光下时出现老化现象。

筒体最佳有效容积V

其中

所述无阻塞排污泵7为带有前置切割装置的污水泵，并设置预旋盆以防止固相在预制泵站底部沉积。无阻塞排污泵7根据流量情况进行选型，筒体内包括但不限于一台无阻塞排污泵7，这些泵的型号参数宜相同，

所述无阻塞排污泵7所需扬程H计算公式为：

H＝H

其中H

沿程阻力损失计算公式为：

局部阻力损失计算公式为：

其中λ表示沿程阻力系数；ξ

所述粉碎格栅5由双轴螺旋形刀片组成，刀片材料采用特殊合金钢，具有高度强度和耐磨性，并可适应不同颗粒物的粉碎。两组切割刀片和垫片均布置在两个平行旋转轴上，呈双螺旋形交替重叠排列，实现了高精度、高力度和高效率的切割效果。

本发明污水提升预制泵站配备了数字孪生智能控制系统19，数字孪生智能控制系统19安装于控制柜内。参见图2，数字孪生智能控制系统主要包括：数字模型建立模块、历史工况库建立模块、数据采集模块、运行状态监测模块以及人机交互界面。

所述数字模型建立模块用于根据所录入预制泵站的CAD图纸、电气图和工艺流程图，构建所述污水提升预制泵站的数字孪生模型。

所述历史工况库建立模块用于采用粒子群算法处理历史工况数据，建立并更新历史工况库。

所述数据采集模块用于通过传感器组实时采集预制泵站的运行状态参数并传输到人机交互界面进行显示；所述运行状态参数包括无阻塞排污泵的运行参数、筒内水位高度、粉碎格栅开闭状态以及阀门开闭状态等。无阻塞排污泵的运行参数包括流量、扬程、转速、频率、效率、温度等参数。

所述运行状态监测模块用于对收集的运行状态参数进行处理和分析，判断是否属于正常工况；若为正常工况则与历史工况库对比，选择最佳运行工况进行节能运行调节，同时通过数字孪生技术不断记录历史工况，然后用粒子群算法处理这些数据，丰富历史工况库；若为非正常工况，则根据运行数字孪生模型的预测结果进行故障诊断并做出故障预警，从而指导设备运行和状况调整。正常工况下的运行状态参数可以包括：筒内水位高度、泵开启数量、泵开启状态、泵停止状态、进口阀门开启状态、进口阀门关闭状态、出口阀门开启状态、出口阀门关闭状态、粉碎格栅开启状态、粉碎格栅关闭状态、电机温度等等。异常工况运行状态包括：电机过热、水位过低、粉碎格栅异物堵塞等。将正常和异常工况参数上传至云端服务器，可通过手机或其他终端查看数据。数字孪生智能控制系统19实现无阻塞排污泵7的启动、停止和转速调节，筒体内的液位高度是无阻塞排污泵7启停或变频调速的重要依据。

参见图2，所述数字孪生智能控制系统还包括通信模块；所述通信模块提供多种接口和协议支持，包括但不限于数字信号、模拟信号、RS485和MODBUS等。此外，所述数字孪生智能控制系统还配置有自动恢复和备份机制以及防止数据丢失的机制，以保证数据的安全性和系统的稳定运行。在部署现场环境受限的情况下，所述数字孪生智能控制系统可支持远程数据采集和传输，通过将数据上传至云端实现APP控制。具体地，相关APP可以基于PLC发送控制指令，包括电气信号、数字信号或无线信号，进而调整阀门开度(0-100％)、无阻塞排污泵频率(0-50HZ)以及无阻塞排污泵的启动和停止。

所述运行状态监测模块还用于当浮球液位系统16监测到污水水位快速上升时，控制进水口和粉碎格栅关闭，无阻塞排污泵转速提高，直至预制泵站恢复安全水位。

所述运行状态监测模块还用于监测粉碎格栅5的运行状态；当监测到粉碎格栅5遇到固体物堵塞时，自动发出保护信号控制刀片反转并退出障碍物后重新进入，从而实现了对整个运行过程的智能化控制和保护。

所述数字孪生智能控制系统还包括：模型数据录入模块、运行数据训练模块、运行状态调节模块以及故障预警模块。

其中模型数据录入模块，用于按照《一体化预制泵站应用技术规程》(CECS407：2015)等相关标准的要求，在预制泵站模型库中录入预制泵站筒体、粉碎格栅、管道、阀门、无阻塞排污泵等相关组件的信息，以及相关组件之间的连接方式等数据。这些信息通过CAD图纸、电气图、工艺流程图等方式进行录入。

运行数据训练模块，用于收集历史工况数据，包括水泵启停状态、水位高度、阀门开关和相应的水位变化数据，对数据进行处理和清洗，确保数据的质量和完整性；还用于基于粒子群算法对历史工况库不断丰富，以实现预制泵站的运行监测与节能运行优化。

图3为粒子群优化算法训练的流程图。本发明将收集的历史工况数据中效率高的留下，将其对应的运行设定作为水泵的控制策略。运行设定包括无阻塞排污泵的流量、扬程、转速、效率，以及管道的出口的阀门开度等。将每一组水泵运行策略数据作为粒子，采用粒子群算法寻找最优粒子作为对应工况下的最佳控制策略。同时记录效率高的无阻塞排污泵对应的的流量、扬程、转速以及管道的出口的阀门开度，作为历史工况库的一个对应工况。

具体地，粒子群优化算法过程如下。

初始化粒子群：设定粒子数量为N，每个粒子代表一个水泵控制策略。每个粒子的位置表示为X＝[x

速度更新公式为：

引入惯性因子得：

位置更新公式为：

式中，

使用线性递减权重：

式中，ω

定义目标函数：定义适应度函数作为目标函数，以衡量水泵节能运行的优化效果。目标函数考虑水泵启停频率、水泵的运行时间和功耗等因素，以实现节能运行的目标。设置目标函数为：

其中E

将水位高度、阀门开度作为多泵启停的约束条件。约束条件包括：

其中Q

运行状态调节模块，选用超声波传感器、压力传感器、温度传感器等不同类型的传感器来检测各个环节的状况：在进口和出口处安装压力传感器，用来监测进出水口水压变化情况；在管道中安装超声波传感器、浮球液位计，用来检测水流速度和水位高度等参数。应用数字孪生技术实现对运行中的变部件进行运行工况智能调节，满足节能的要求，具体为：根据实际运行情况计算当前位置的适应度值，对比历史工况库个体最佳适应度和位置，同时根据水位情况调整水泵启停状态和进水阀门开关，维持水位在合理范围内，实现节能运行。水泵一般一用一备，若水位高则出水阀门开大，若开到最大，水位下降速度仍慢则两泵同时开启，下降速度还慢就关小进水阀门。

采用粒子群算法得到的历史工况库会根据实际的运行效果不断进行迭代优化，调整粒子数量、惯性权重、加速因子等参数，以获得更好的运行工况。从算法调优、数据融合上提升模型综合能力，当获取足够的数据集后，对比历史工况库中的数据可以快速选择合适的运行工况，如图4所示。粒子群多参数寻优，搜索全局最优解，每个具有记忆功能的粒子在自己搜索的过程中得到各自的历史最佳位置，也称个体极值；全体粒子在迭代过程中的历史最佳位置称为全体极值。根据当前运行工况的最佳位置和全体粒子的最佳位置调整粒子群寻优的速度和方向，从而更好、更快地接近合适工况。本发明将实际运行的工况与历史工况库中流量扬程相同的工况做对比，寻找接近工况下的操作条件作为设定，使其保持高运行效率，能够在满足安全运行的前提下使得运行工况更接近无阻塞污水泵的运行高效区，从而降低能耗并提高效率。例如判断无阻塞排污泵运行的效率是否大于历史工况库同一流量、扬程下效率，大于则继续运行，小于则采用粒子群算法寻找合适运行设定情况。

故障预警模块用于对可能出现的故障进行及时诊断和预警，主要目标是实现故障诊断并做出响应，以保证部件的安全运行，因此需要根据数字孪生模型预测结果，对设备操作进行指导和调整，一般包括数据预处理、特征提取、阈值判断和结果验证等环节。

故障预警模块主要根据传感器传输过来的异常运行状态数据进行预警，输入数据包括水位、电机温度、电流、转速、无阻塞排污泵压力、流量等，输出预测结果包括：水位警告(水位过高、水位过低)、电机故障(电机温度过高、电机温度过低、电机振动过大、电机电流过大)、水泵故障(出水流量低、出水压力低)等等。通过数据比对寻找异常的运行数据，提取特征参数量，判断特征参数超出安全阈值的程度，根据结果验证是传感器的问题还是设备的问题。

在实际应用中，数字孪生智能控制系统19自动生成实时运行数据库并储存，生成数据报表，生成各类运行状态图，还可以通过人机交互界面、远程控制系统等方式，对泵站的运行状态进行预测，将模型预测结果展示给操作人员，一旦发现异常情况，能够与上级网络连通，自动发出警报通知操作人员，并且能够接收上级网络调度命令，通过手机、电脑等设备随时了解泵站运行状况，并进行开关机、调节水流量等操作，实现远程监控与管理。本发明的预制泵站及其数字孪生智能控制系统可以广泛应用于城市排水系统等领域，具有显著的经济和社会效益。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。