城鄉(xiāng)安全飲水自控管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

熱紫燕，吳志強

（鞏留縣水電局，新疆 鞏留 835400）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水對人民生活與生產(chǎn)的影響日益加強，人們不斷提高對供水質(zhì)量與安全可靠性的要求，重視降低供水能耗；另一方面水源卻更加緊張，水污染日趨嚴重。因此當今城鄉(xiāng)供水設(shè)施的建設(shè)或改造，應(yīng)著眼于長期規(guī)劃，有效利用現(xiàn)代科學技術(shù)的成果，滿足城鄉(xiāng)日常用水需求量和供水質(zhì)量的安全飲水要求。

為此，針對中國城鄉(xiāng)供水行業(yè)現(xiàn)有狀況，綜合使用物聯(lián)網(wǎng)、水凈化處理、自動化控制與監(jiān)測、自動通信、視頻遠程監(jiān)控等技術(shù)設(shè)計了城鄉(xiāng)安全飲水自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)（以下簡稱安全飲水自控系統(tǒng)），從而實現(xiàn)水源、水質(zhì)、壓力等涉及安全飲水信息的實時監(jiān)測和報警及應(yīng)急處理，以及管線、蓄水池、水處理廠等各個工藝及環(huán)節(jié)的自動監(jiān)測控制及管理，有效地保證安全供水和飲水。

1 安全飲水自控系統(tǒng)概述

1.1 城鄉(xiāng)供水現(xiàn)狀

在新疆由于缺水，許多人仍在飲用未經(jīng)任何處理的河水及不符合衛(wèi)生條件的灌渠水，不僅靠人、畜力從很遠的地方挑水拉水吃，而且冬季只能吃雪水和融冰水。無供水設(shè)施，或供水設(shè)施落后、老化，水質(zhì)差及水污染是造成本地區(qū)飲水不安全的主要原因。尤其在廣大農(nóng)村牧區(qū)，由于供水管線長，村落分散，各類供水調(diào)節(jié)設(shè)施往往分散在管道沿線無人的草灘、農(nóng)田、山坡等處，供水安全問題尤為突出。因此，為了最大限度地降低城鄉(xiāng)供水管理的運行成本，提高管理效率，優(yōu)化供水調(diào)度方式，運用自動化的現(xiàn)代管理手段，使城鄉(xiāng)供水管理逐步與社會經(jīng)濟增長方式相匹配，已經(jīng)成為當?shù)毓┧芾砉ぷ鞣浅Ｆ惹械娜蝿?wù)。

1.2 城鄉(xiāng)供水運行管理目標

飲水安全工程建設(shè)是項系統(tǒng)工程，主要包括水源、水處理設(shè)施、輸配水管網(wǎng)及水質(zhì)監(jiān)測等方面的內(nèi)容。

建立安全飲水自控系統(tǒng)，解決影響安全飲水的隱患是供水運行管理的目標。為達到供水運行管理目標，需要解決以下幾個問題：

1）保障供水和安全飲水的統(tǒng)一調(diào)度問題。為保障供水和安全飲水，需對供水和用水信息進行匯總，并進行預(yù)警處理，實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，同時也可優(yōu)化供水區(qū)域內(nèi)的供水調(diào)度。

可通過自動監(jiān)測各支線節(jié)點水情信息，及時調(diào)節(jié)不同節(jié)點處的供水量，實現(xiàn)及時合理調(diào)配，保證供水的正常和安全性。

2）水源地、蓄水池、水廠的安全保護問題。為實現(xiàn)安全保護，可對水源地和蓄水池進行視頻監(jiān)控，并實時上傳至監(jiān)控中心，通過系統(tǒng)報警聯(lián)動，實現(xiàn)及時預(yù)警，最大限度地保證水源地和蓄水池的安全。

水廠內(nèi)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對水廠內(nèi)部及周邊環(huán)境進行實時安全監(jiān)測，保證水廠運行安全，使供水更具安全保障。

3）水質(zhì)安全的保障問題。水處理廠的正常運行是出廠水質(zhì)安全的保障，因此需對水處理廠工藝流程實現(xiàn)全面自動化控制，出現(xiàn)水質(zhì)異常，即聯(lián)動處理。

4）管線穩(wěn)定及供水可靠運行的問題。為確保管線穩(wěn)定及供水可靠運行，可設(shè)立遠程監(jiān)控系統(tǒng)，這樣不僅節(jié)約人力物力，而且及時迅速地處理突發(fā)異常情況。通過自動監(jiān)測到的沿線各分水支點水池的異常水位值，對閘閥或機泵實施自動開啟或關(guān)閉，從而保證了管線水池的安全，并減少由于溢水而造成的水量損失，降低成本費用[1]。

5）自動化保障體系運行效果的問題。城鄉(xiāng)供水遠程監(jiān)控系統(tǒng)效果非常明顯，通過總控制系統(tǒng)能清楚直觀地掌握水源安全、出廠水質(zhì)、各蓄水池的配水情況及水位高低，各項數(shù)據(jù)到達最高最低值時都有自動報警裝置。操作人員在中控室的計算機上可遠程控制系統(tǒng)內(nèi)任何1臺供水及水處理設(shè)備的起停開關(guān)，查看供水水質(zhì)、壓力、流量等實時數(shù)據(jù)指標等。

1.3 安全飲水自控系統(tǒng)總體規(guī)劃

本文設(shè)計的安全飲水自控系統(tǒng)集儀表、通訊、網(wǎng)絡(luò)、控制及監(jiān)測于一體，通過對供水系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及遠程調(diào)度和控制，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化；通過對水廠出廠水質(zhì)監(jiān)測，保障水質(zhì)安全；通過對水源地及蓄水池視頻遠程監(jiān)控安防，保護水源安全。

系統(tǒng)由監(jiān)控信息處理中心、視頻監(jiān)控、水處理廠及水源地供水自控、管線及節(jié)點監(jiān)測等4個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)既相互關(guān)聯(lián)又可獨立工作，構(gòu)建成完整的城鄉(xiāng)安全飲水自動化保證體系，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

城鄉(xiāng)供水管理發(fā)展的必然趨勢是：供水規(guī)?；?、水處理自動化及管理現(xiàn)代化。

在系統(tǒng)設(shè)計過程中始終堅持先進性、可靠性、安全性、高性價比4大原則，同時遵從 GB《中華人民共和國國家標準》、《給水計算機輔助調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用指南》、ISO《國際標準化組織標準》、IEC《國際電工委員會標準》、IEEE《電氣與電子工程師協(xié)會標準》等標準。

圖1 城鄉(xiāng)安全飲水自動化保證系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.4 安全飲水自控系統(tǒng)特點

整個系統(tǒng)實現(xiàn)了供水管理等行業(yè)的計算機綜合應(yīng)用，包含微機自動化生產(chǎn)調(diào)度，水源地表水監(jiān)測，管網(wǎng)沿線重要節(jié)點壓力和流量監(jiān)測，調(diào)節(jié)池入口閥門控制和水位流量監(jiān)測，制水車間水質(zhì)和總出口水量監(jiān)測，報警處理，用戶檔案管理，多級查詢，數(shù)據(jù)共享上傳等模塊。各模塊數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享，進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，對飲水安全監(jiān)測、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度和經(jīng)營管理、水源調(diào)配等都起到重要作用。

飲水安全工程水廠自動化控制系統(tǒng)適合縣級、農(nóng)村集中等供水企業(yè)使用，水源視頻安防監(jiān)控可遠程采集水源地和制水車間工作狀態(tài)、電參數(shù)，控制各類控制器的啟停；可采集水位、壓力、流量、水質(zhì)等信息；可對供水管網(wǎng)進行實時監(jiān)測、控制和管理?？汕逦鷾蚀_地了解和掌握供水管網(wǎng)安全運行狀態(tài)，縮短和減少操作時間，提高供水效率，可統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的供水調(diào)度，避免浪費，降低能耗。

系統(tǒng)通過無線或有線的方式，實現(xiàn)對制水廠、管線重要供水節(jié)點和各調(diào)節(jié)池的自動化監(jiān)測，實現(xiàn)對制水車間、調(diào)節(jié)池的安防監(jiān)控，提供報警信息，匯總到水廠調(diào)度中心，再上傳到縣級調(diào)度中心。及時了解和掌握沿線各分水節(jié)點和蓄水池的實時工作運行狀態(tài)，提高供水的正常性和安全性。

系統(tǒng)通過監(jiān)測水廠加藥設(shè)備的運行狀態(tài)、加藥量、余氯、PH 值等水質(zhì)信息，監(jiān)測各供水節(jié)點的瞬時和累計流量、閥門和通信狀態(tài)等信息，實現(xiàn)閥門及供水設(shè)備的自動開閉。通過系統(tǒng)有效保證了供水生產(chǎn)和管線、水質(zhì)、水源等的安全，達到自動輔助實施飲水和供水生產(chǎn)安全的目的。

根據(jù)供水行業(yè)的管理規(guī)程，供水單位實現(xiàn)信息管理自動化，辦公自動化，提高了服務(wù)質(zhì)量，推進了現(xiàn)代化管理。

供水調(diào)度和水廠控制系統(tǒng)均實現(xiàn)各類信息的共享，優(yōu)化水資源調(diào)配供水調(diào)度管理。

2 安全飲水自控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)是無限距離感知、實時、雙向、可控的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)核心、傳感、控制、信息處理和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)的綜合應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)在新疆鞏留縣集中供水工程中的建成和運行，為安全飲水工程實現(xiàn)智能化管理，提高經(jīng)濟效益，節(jié)能減排，安全運營等提供了強有力的工具。

本系統(tǒng)通過高精度的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，運用測控技術(shù)，準確獲取水廠的出廠水質(zhì)和總出水量，同時還對制水車間實現(xiàn)自動控制和監(jiān)測。系統(tǒng)實現(xiàn)了地表水源合理調(diào)配，水廠生產(chǎn)調(diào)度管理的信息化管理，節(jié)省了大量的人力、物力。

測控技術(shù)包括監(jiān)測和控制2個方面，在水利灌溉和供水管理方面的應(yīng)用非常廣泛，完成對供水管網(wǎng)重要環(huán)節(jié)的監(jiān)控，及對水廠的宏觀監(jiān)控，是優(yōu)化調(diào)度、調(diào)配水源、合理利用水源的基礎(chǔ)，可充分發(fā)揮系統(tǒng)的監(jiān)控功能，及時調(diào)配利用水源，保證供水管線正常供水。系統(tǒng)能很好地保證合理利用水源，在提高工作效率、降低能源消耗的前提下保證最大限度地滿足供水要求，通過對管網(wǎng)的水質(zhì)、水量、水壓、廠區(qū)安全進行實時在線監(jiān)測，達到可視、可控、可調(diào)、遠傳的現(xiàn)代化管理水平。水廠、沿線各供水節(jié)點及調(diào)節(jié)蓄水池安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)對水廠內(nèi)部及周邊環(huán)境進行安全監(jiān)控，保證水廠運行安全，使供水更具安全保障性。

3 安全飲水自控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 監(jiān)控信息處理中心子系統(tǒng)

監(jiān)控信息中心子系統(tǒng)，對各子系統(tǒng)進行信息匯總，調(diào)度供水，全局調(diào)配，應(yīng)急處理，保證供水和飲水安全。調(diào)度中心設(shè)置大型模擬屏，能夠更加直觀地反映生產(chǎn)調(diào)度的情況。

調(diào)度中心軟件采用基于網(wǎng)絡(luò)、SQL Server 數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο蟓h(huán)境下的工業(yè)組態(tài)軟件，數(shù)據(jù)通訊和處理采用獨立模塊，通過數(shù)據(jù)庫連接。

調(diào)度系統(tǒng)軟件基于 SCADA 和 GIS 技術(shù)設(shè)計，具備以下功能：數(shù)據(jù)處理發(fā)布；實時反映管網(wǎng)、蓄水池、水處理廠供水用戶設(shè)備等的運行狀態(tài)；完成對供用水的監(jiān)測計量；故障定位、報警信息等；管網(wǎng)建成、編輯、管理；輔助調(diào)度辦公和決策；查詢統(tǒng)計輸出，領(lǐng)導查詢，數(shù)據(jù)接口；能夠提供多樣化圖形處理方式。

調(diào)度控制系統(tǒng)主要完成以下功能：微機采用雙機熱備方式，并采用多臺微機分別顯示不同內(nèi)容，直觀清晰；采用多種通訊相結(jié)合的方式，很好地滿足當前所傳數(shù)據(jù)和今后增加數(shù)據(jù)的需要；微機系統(tǒng)對各用水單位的用水狀況和指標進行計算、控制、打印、匯總和顯示；實時監(jiān)測現(xiàn)場供水生產(chǎn)、水源、水位情況，閥門的啟閉狀態(tài)，實時流量，統(tǒng)計各供水點供水數(shù)據(jù)、管線供水數(shù)據(jù)及壓力值等資料；實時報警，自動安全預(yù)警防護。

3.2 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)，對水源及水處理廠、管線蓄水池進行視頻監(jiān)控，保護水源地安全；

整個子系統(tǒng)由1個視頻中心，若干視頻監(jiān)控站、系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)組成?，F(xiàn)場視頻監(jiān)控站主要由各攝像機和云臺組件，視頻電纜、支架等組成，完成對水處理廠院區(qū)、集水井、清水池、水處理車間、水源地的視頻監(jiān)視，同時完成1級和2級監(jiān)控中心監(jiān)視視頻信號的傳輸。視頻系統(tǒng)的建立有效地保證了水源的飲水安全。

3.3 水處理廠及水源地供水自控子系統(tǒng)

水處理廠及水源地供水自控子系統(tǒng)，進行水處理，監(jiān)測水質(zhì)，保證水質(zhì)安全。

水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)水廠監(jiān)測、控制、調(diào)度及安防，可以在水廠內(nèi)部實現(xiàn)水廠的自動化監(jiān)測，使調(diào)度中心能實時掌握水廠的運行情況并及時進行調(diào)控。

對于水處理廠和水源地的供水設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，異常時報警上傳監(jiān)控中心；對出廠水質(zhì)進行實施監(jiān)測，參數(shù)異常時報警上傳監(jiān)控中心；通過報警聯(lián)動，有效保證水處理廠供水生產(chǎn)過程和出廠水質(zhì)的安全。

3.4 管線蓄水池監(jiān)控子系統(tǒng)

管線蓄水池監(jiān)控系統(tǒng)由水位和流量監(jiān)測儀表、電動閥門組成。

管線蓄水池監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對水池的遠程監(jiān)測，及時將水池的水位發(fā)送給中控室，同時，設(shè)定水池的上、下限報警，實現(xiàn)水池出口流量的監(jiān)測?？梢詳U展實現(xiàn)對減壓蓄水池入口電動閥門自動控制，實現(xiàn)3級控制。

當蓄水池水位出現(xiàn)異常，數(shù)據(jù)報警上傳監(jiān)控中心，同時關(guān)閉或啟動入池閥門，保證水池蓄水安全。

3.5 支線監(jiān)控子系統(tǒng)

進行重要節(jié)點壓力和流量的實時監(jiān)測，保證管線安全。

支線監(jiān)控系統(tǒng)主要由壓力和流量監(jiān)控儀表組成，通過 GPRS 將數(shù)據(jù)傳送至中控室，實現(xiàn)對各配水支線總流量及壓力的監(jiān)測。

對于管線壓力和瞬時流量設(shè)置上下限，數(shù)據(jù)異常時，數(shù)據(jù)報警上傳監(jiān)控中心，系統(tǒng)同時聯(lián)動調(diào)節(jié)水廠供水量，保證管網(wǎng)安全。

4 結(jié)語

通過城鄉(xiāng)飲水自控系統(tǒng)綜合利用各類數(shù)據(jù)進行優(yōu)化管理，包括供水效率分析、優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度、及時處理突發(fā)事故、報警聯(lián)動。利用生產(chǎn)自控調(diào)度、管網(wǎng)地理信息模式的相互關(guān)聯(lián)進行故障定位，為生產(chǎn)決策、供水預(yù)測、故障處理、管網(wǎng)平差計算、水力計算等提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)依據(jù)。

供水單位充分利用各方面的數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)和營業(yè)信息化管理，對這些數(shù)據(jù)進行綜合處理加工，進行深層次的開發(fā)及分析，為供水單位提供自動化決策的依據(jù)，充分發(fā)揮信息化管理的作用。

本文設(shè)計的城鄉(xiāng)供水自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以從制水廠到各供水環(huán)節(jié)實現(xiàn)實時自動化監(jiān)測控制，保證供水安全。該系統(tǒng)已經(jīng)在鞏留縣進行了實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以提高管理運行效益，實現(xiàn)對供水的智能管理控制，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，進而使鞏留縣建成了一流的農(nóng)牧區(qū)（城市）現(xiàn)代化供水網(wǎng)絡(luò)。

[1] 程廣河，任緒才，張讓勇.城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)水量漏失監(jiān)測機制研究[J].給水排水，2007（1）: 2.