自動化技術(shù)在農(nóng)村飲水安全集中供水工程中的應(yīng)用

杜和景 尹國杰

（河北省南宮市水務(wù)局 河北南宮 055750）

隨著自動化控制和信息化管理技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化控制和信息化技術(shù)正在工業(yè)生產(chǎn)、生活、公共事業(yè)管理等各個領(lǐng)域逐步推廣應(yīng)用。南宮市水務(wù)局在農(nóng)村飲水安全工程項目中，率先采用了自動化控制和信息化管理技術(shù)，取得了明顯成效。

1 南宮市農(nóng)村飲水安全工程概況

南宮市位于河北省東南部，介于太行山至渤海之間，屬黑龍港流域，為湖積沖積泛濫平原區(qū)。地處東經(jīng) 115°15′～115°45′，北緯 36°06′～37°27′，東與故城、清河縣以清涼江相隔、西與巨鹿為鄰、南與廣宗、威縣相連、北與新河、冀州、棗強接壤。全市呈東南—西北長條形，長約 60km，南北平均寬15km，全市總面積854km2。

南宮市現(xiàn)轄有 15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦事處，共有 464個村（居）委會，人口 48萬人，其中農(nóng)業(yè)人口39.5萬人，占人口總數(shù)的82.29%。

南宮市屬于飲用水氟化物嚴(yán)重超標(biāo)的地區(qū)，全市農(nóng)村飲用水不安全人口最高達(dá)到 38萬人，占農(nóng)業(yè)總?cè)丝诘?6.2%。

為了徹底解決農(nóng)村人口飲水安全問題，南宮市于 2006年委托河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，編制完成了《河北省南宮市農(nóng)村飲水安全“十一五”規(guī)劃》。2007年底，經(jīng)國家發(fā)改委、水利部批準(zhǔn)，南宮市建設(shè)全國農(nóng)村飲水安全項目示范縣。2008年再次委托河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，依據(jù)《河北省南宮市農(nóng)村飲水安全“十一五”規(guī)劃》，編制完成了《河北省南宮市農(nóng)村飲水安全總體規(guī)劃》。按照《總體規(guī)劃》全市建成了 12座高標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)村集中供水廠，每座水廠供水范圍 3-5萬人，供水規(guī)模 0.24-0.4萬 m3/天，全部采用了自動化控制技術(shù)和信息化管理技術(shù)，全天 24小時不間斷供水。截止目前，較好地解決了346個村30萬人的飲水不安全問題。2012年7月13日，南宮市被國家發(fā)改委、水利部正式命名為全國飲水安全示范縣。

2 自動化控制系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)由水源控制系統(tǒng)、二級供水控制系統(tǒng)、消毒控制系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

2.1 水源控制系統(tǒng)

根據(jù)供水規(guī)模不同，每座水廠建有3-5眼水源井和1-2座500m3的調(diào)節(jié)池。每眼井配備一臺200QJ50-130/10深井潛水泵和一臺可控硅控制柜（功率 45千伏安），由調(diào)節(jié)池水位控制潛水泵啟動、停止。最高液位時全部停泵，在運行中每臺潛水泵根據(jù)預(yù)設(shè)液位依次啟動。控制柜由變頻柜附帶液位控制裝置，可自動控制，也可手動控制，同時具有短路、過流、過壓、過載等多種保護功能。

2.2 二級供水控制系統(tǒng)

每座水廠安裝6臺二級200QJ32-39/3潛水泵，用一臺恒壓變頻控制柜控制（11千伏安）。恒壓變頻控制柜可以實現(xiàn)手動與自動、變頻與工頻切換，手動工頻可實現(xiàn)軟啟動；實現(xiàn)多時段、多壓力供水功能以及對應(yīng)時段的壓力設(shè)定，實現(xiàn)定時開、停機，多時段不同壓力供水；可以設(shè)定水位控制和最低水位保護，輸出干節(jié)點控制深井潛水泵運行，實現(xiàn)多臺泵的輪換選擇功能。同時具備就多變頻器故障指示及復(fù)位，工頻故障及復(fù)位功能；配備標(biāo)準(zhǔn)通訊功能接口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程開停機、遠(yuǎn)程設(shè)定壓力、遠(yuǎn)程故障報警及復(fù)位功能。

供水系統(tǒng)為普通生活供水控制模式，可以完成系統(tǒng)中變頻泵、工頻泵的設(shè)定及自動切換邏輯，同時可以實現(xiàn)多時段恒壓供水、定時換泵、故障泵的判斷、報告及自動退出邏輯。

供水系統(tǒng)自動運行時通過 PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)恒壓供水，各加壓泵循環(huán)變頻軟啟、其中一臺為變頻泵，在不滿足切換條件時該泵作為整個恒壓供水系統(tǒng)的變量調(diào)節(jié)泵，由變頻器控制運行并根據(jù)系統(tǒng)的實際流量，自動調(diào)節(jié)該泵的轉(zhuǎn)速，以維持系統(tǒng)壓力的恒定；當(dāng)達(dá)到切換條件時，如果還有其它待機變頻泵，該泵自動切換到工頻運行，啟動待機變頻泵變頻運行；如果沒有待機變頻泵，該泵保持變頻運行，不作切換工頻動作。當(dāng)變頻出現(xiàn)故障時，可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到手動狀態(tài)，通過按鈕工頻啟動任意一臺或多臺泵工頻運行，這時可以通過啟動泵的臺數(shù)調(diào)節(jié)供水壓力，以保證正常供水。

供水系統(tǒng)還可以設(shè)定休眠狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到所設(shè)定的休眠條件時，系統(tǒng)進入休眠運行，并根據(jù)設(shè)定的項目壓力以及偏差容量，自動進入或者喚醒休眠。同時供水系統(tǒng)設(shè)計了最完善的保護功能，包括熱過載保護、斷相保護、相序保護、相壓不平衡保護、過流保護、水池水位過低保護、過高保護等，供水系統(tǒng)最大限度地考慮了各種保護措施，提高其可靠性。

2.3 消毒控制系統(tǒng)

二氧化氯消毒設(shè)備包括供料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、真空吸收系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及殘液自動處理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)具有反沖洗裝置，反應(yīng)器可隨時、自動的進行反沖洗工作，防止反應(yīng)器內(nèi)有結(jié)晶或雜質(zhì)的出現(xiàn)，確保了設(shè)備的安全性。設(shè)備配備了標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，可以連接計算機聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，包括原料液位、反應(yīng)罐溫度、計量頻率、動力壓力等內(nèi)容。同時可以把設(shè)備的運行狀態(tài)遠(yuǎn)傳至主控室，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，多臺設(shè)備的顯示控制可在上位機同步實現(xiàn)。

2.4 安全監(jiān)控系統(tǒng)

為保證水廠安全，水廠安裝了計算機遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一個監(jiān)控中心和各水廠監(jiān)控分站組成。監(jiān)控分站安裝在各個水廠，在水廠控制室、泵房大門口等關(guān)鍵部位安裝 3-4臺紅外線一體攝像機和一臺網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，攝像機對要害部位進行實時監(jiān)控，硬盤錄像機存儲錄像視頻，一般可存儲近20天的視頻資料。通過寬帶網(wǎng)絡(luò)，將各水廠視頻圖像實時傳送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心可實時監(jiān)控和切換各水廠的視頻圖像。

3 信息管理控制系統(tǒng)

信息管理采用計算機遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個測控中心和在各個水廠設(shè)置的測控分站構(gòu)成。測控中心通過中國移動的GPRS與各測控分站進行通訊，測控中心向各測控分站發(fā)送召測指令，各測控分站將水廠當(dāng)前的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，傳送給測控中心。測控中心也可以對各水廠測控設(shè)備發(fā)送控制指令，包括開、停機和壓力調(diào)整等。

在監(jiān)控管理中心對各供水廠生產(chǎn)及使用的整個過程進行實時監(jiān)控管理，由前端機將水泵、變頻器工作狀態(tài)和水質(zhì)、水量、電量、水壓等實時數(shù)據(jù)進行采集，經(jīng)中繼通訊系統(tǒng)上傳至中心站主機。并對電能消耗指標(biāo)數(shù)據(jù)進行采集監(jiān)控。中心站主機以 5分鐘為周期向各前端站發(fā)出巡掃指令，接收回傳數(shù)據(jù)。通訊系統(tǒng)采用雙機熱備份方式工作。中心站對各前端站采集數(shù)據(jù)進行匯總，放到數(shù)據(jù)庫，經(jīng)分析、處理形成圖表信息，供用戶監(jiān)控、決策使用。系統(tǒng)軟件具有如下功能：（1）日常界面，以表格形式，反映各點實時數(shù)據(jù)、時間、狀態(tài)等，通過鼠標(biāo)單擊，顯示該參量 24小時變化趨勢。（2）過程曲線：壓力曲線、流量曲線。（3）報表系統(tǒng)（壓力、流量日報表和供水量日、月、年報表）。（4）數(shù)據(jù)查詢?？蓪θ魏沃付v史時間的壓力、水量、水質(zhì)情況進行查詢。（5）報警功能。

4 運行管理及效果

由于水廠采用了全自動化控制和信息化管理技術(shù)，南宮市的飲水安全項目實現(xiàn)了工程建設(shè)現(xiàn)代化；工程控制自動化；運行管理信息化、智能化。在運行過程中采用最新的軟硬件設(shè)施充分實現(xiàn)了以下功能：

（1）水質(zhì)監(jiān)測采用實時在線的二氧化氯消毒設(shè)備通訊數(shù)據(jù)與水池水量同步檢測數(shù)據(jù)綜合分析判斷產(chǎn)生，具備水質(zhì)分析報告、水質(zhì)歷史資料查詢、水質(zhì)不達(dá)標(biāo)報警及主動停泵供水等一系列功能。

（2）水泵及變頻器工作狀態(tài)由新版RTU進行檢測，變頻器工作狀態(tài)由 RTU與變頻器通訊直接產(chǎn)生，工頻泵及深井泵運行工作狀態(tài)由六路運行工作狀態(tài)直接產(chǎn)生，工頻泵及深井泵運行故障狀態(tài)由兩路熱保護工作狀態(tài)直接產(chǎn)生，RTU設(shè)計開關(guān)量輸入點不少于 14路?？杀O(jiān)測加壓水泵以及深井泵開、停狀態(tài)，變頻運行或故障狀態(tài)等開關(guān)量。

（3）自適應(yīng)控制功能：可根據(jù)各供水站供水瞬時流量，實時計算當(dāng)前流量下管網(wǎng)水頭損失，動態(tài)調(diào)整供水站的供水壓力，實現(xiàn)變壓力控制，即：在供水流量比較大時，實時調(diào)高供水壓力：在供水流量比較小時，實時調(diào)低供水壓力，根據(jù)瞬時供水流量，實時、動態(tài)、智能調(diào)節(jié)供水壓力，實現(xiàn)末端恒壓供水，相比于現(xiàn)有通常的出口恒壓供水方式，可大幅度節(jié)約運行電費，達(dá)到最佳節(jié)能供水狀態(tài)。實際運行的情況表明，該功能可以降低二次加壓耗電的30%—70%，自適應(yīng)控制供水方式，將供水電費成本降到接近極限。

（4）各供水分站出現(xiàn)異常情況，控制中心自動報警，包括變頻器故障、壓力異常、流量異常，系統(tǒng)提示確認(rèn)關(guān)泵或繼續(xù)運行，及時處理故障，減少損失。對于變頻隨機保護性故障，還可以實行過程復(fù)位，最快速度恢復(fù)供水，在控制中心也可隨時采集各供水分站故障信息，如：變頻保護、通訊未聯(lián)機等。

（5）控制中心可以遠(yuǎn)程開啟、停止任何供水分站的供水設(shè)備，也可以在計算機預(yù)先設(shè)定各供水分站的開泵、停泵時間，計算機自動按程序設(shè)定開、停供水設(shè)備。

（6）控制中心可以遠(yuǎn)程調(diào)整任何供水分站的供水壓力，也可以在計算機預(yù)先設(shè)定不同時間段各供水分站的供水壓力，計算機自動按不同時間段相應(yīng)調(diào)整各供水分站的壓力，用水高峰時間段，預(yù)先設(shè)定較高供水壓力，用水低谷時間段，預(yù)先設(shè)定較低供水壓力，既保證供水效果，又可以節(jié)約運行電費。

（7）控制中心計算機連接大型LED顯示屏，動態(tài)暗示各供水站的瞬時流量、累計流量、當(dāng)前電功率、累計用電電度、噸水耗電量、管網(wǎng)壓力、采集時間等數(shù)據(jù)，實時掌握各供水站的運行情況。

（8）自動檢測各供水站供水出口或管網(wǎng)末梢二氧化氯余量，自動調(diào)節(jié)二氧化氯的投放量，保持二氧化氯余量在供水站出口不低于0.1mg/L，或者在管網(wǎng)末梢不低于0.02 mg/L，以保持供水消毒質(zhì)量，也保證了供水管網(wǎng)消毒。

綜上所述，采用了集變頻供水、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、供水壓力智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程報警等功能為一體的自動化和信息化管理技術(shù)，大大降低了運行電費、減少了管理人員，減少了工程故障，最大程度降低運行管理費用。使飲水安全聯(lián)村集中供水工程達(dá)到了管理科學(xué)、運行正常、持久高效、安全可靠的目的。

5 存在問題

由于缺乏專業(yè)技術(shù)管理人員，在管理方面仍存在以下問題：

（1）在控制中心可隨時采集各供水分站的信息，了解各水廠的運行情況，但是不能通過對采集信息、參數(shù)的分析及時發(fā)現(xiàn)除了各個水廠出現(xiàn)的異常情況。

（2）由于電流或電壓出現(xiàn)異常，控制設(shè)備處于保護狀態(tài)，水廠管理人員不能及時處理。

（3）不能根據(jù)用水需求及時調(diào)整各項技術(shù)參數(shù)等。

6 建議

（1）監(jiān)控中心配備一定數(shù)量具有高素質(zhì)的專業(yè)技術(shù)人員；

（2）加強各水廠管理人員的技術(shù)培訓(xùn)，進一步提高其專業(yè)技術(shù)水平和管理技能。建立起一支懂業(yè)務(wù)、高水平、高素質(zhì)的管理隊伍。

綜上所述，南宮市農(nóng)村飲水安全集中供水工程將達(dá)到建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備現(xiàn)代化，使其真正成為自動化控制、信息化管理、運行安全、可靠、持久、高效的惠民工程。