淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在葉城縣中水回用系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫 驍，肖文云，謝智海，普 昕

（甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等尖端技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生活的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，醫(yī)療設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)制造、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）技術(shù)的核心理念是“萬(wàn)物互聯(lián)”，是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的拓展和延伸運(yùn)用，它通過(guò)不同類(lèi)型的傳感器來(lái)對(duì)物理世界中真實(shí)存在的物體進(jìn)行感知和識(shí)別，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)作為介質(zhì)對(duì)所識(shí)別的信息進(jìn)行監(jiān)視、定位、處理和控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界精準(zhǔn)感知和科學(xué)管控的目的。

葉城縣地處新疆維吾爾自治區(qū)西南部，近年來(lái)為響應(yīng)國(guó)家保護(hù)環(huán)境，改善水生態(tài)環(huán)境的號(hào)召，專(zhuān)門(mén)建設(shè)了排水防澇、中水回用的工程項(xiàng)目，目的是將經(jīng)葉城縣污水廠處理后而形成的中水，根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)管網(wǎng)用于縣城不同區(qū)域的園林灌溉和道路保潔，既可以實(shí)現(xiàn)水資源的再生利用，同時(shí)還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為了保證整套設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，中水回用系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有若干變頻水泵、比例調(diào)節(jié)閥以及壓力變送器、電磁流量計(jì)、液位計(jì)等儀表，這些水泵、閥門(mén)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和儀表反饋的數(shù)據(jù)是供水調(diào)度系統(tǒng)中重要的監(jiān)控內(nèi)容，傳統(tǒng)PLC（可編程邏輯控制器）+上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）控制系統(tǒng)[1]能實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視和控制功能已經(jīng)無(wú)法滿足調(diào)度系統(tǒng)的日常工作需求，為增強(qiáng)供水管網(wǎng)運(yùn)行安全性，準(zhǔn)確把握供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，需要建立一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“中水回用遠(yuǎn)程智慧監(jiān)控系統(tǒng)”，從而提高中水調(diào)度的工作效率和科學(xué)管理水平。

2 中水回用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

葉城縣中水回用系統(tǒng)主要由三座加壓泵站、管網(wǎng)上安裝的電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥以及壓力、流量、液位等儀表構(gòu)成，1號(hào)、2號(hào)加壓泵站位于污水廠內(nèi)，污水廠處理過(guò)的中水同時(shí)輸送到1號(hào)、2號(hào)加壓泵站內(nèi)的調(diào)節(jié)水池，2號(hào)泵站通過(guò)變頻泵向遠(yuǎn)在葉城縣郊外的400萬(wàn)方中水庫(kù)輸送中水；1號(hào)泵站則負(fù)責(zé)為泵站至火車(chē)站沿線的道路保潔和園林灌溉供水的同時(shí)向3號(hào)泵站內(nèi)的調(diào)節(jié)水池蓄水，3號(hào)泵站則作為中繼加壓泵站向距離更遠(yuǎn)的開(kāi)發(fā)區(qū)沿線的道路保潔和園林灌溉供水。其中所有泵站內(nèi)的加壓泵已經(jīng)通過(guò)變頻器、PLC和安裝在調(diào)節(jié)水池的液位計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)節(jié)水池的液位高低自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的頻率，從而滿足縣城不同區(qū)域不同時(shí)段的供水需求，整套系統(tǒng)的流程圖見(jiàn)圖1，圖中字母A代表電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥、字母B代表加壓泵站、字母C代表電磁流量計(jì)、字母D代表壓力變送器。

圖1 中水回用監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

下面從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[2]3個(gè)層面來(lái)詳細(xì)介紹中水回用遠(yuǎn)程智慧監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成。

2.1 感知層

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，首先需要做的就是對(duì)外界環(huán)境信息的識(shí)別和收集，而負(fù)責(zé)此類(lèi)功能的工具就是感知層，它通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)行情況等信息的采集，傳感器可以及時(shí)將外界信息傳遞回調(diào)度中心來(lái)進(jìn)行分析處理。

葉城縣中水回用監(jiān)控系統(tǒng)中的感知層由3個(gè)液位計(jì)、5個(gè)壓力傳感器、2個(gè)電磁流量計(jì)和15個(gè)閥門(mén)執(zhí)行器（用于反饋電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的實(shí)時(shí)開(kāi)度和故障信號(hào)）組成，3個(gè)液位計(jì)安裝在加壓泵站內(nèi)，其他傳感器和閥門(mén)則根據(jù)實(shí)際不同的地理安裝位置設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集箱和就地控制箱，由于電動(dòng)閥門(mén)和部分傳感器安裝于閥門(mén)井內(nèi)，有被水浸泡和返潮的風(fēng)險(xiǎn)，故本項(xiàng)目中所用電動(dòng)閥門(mén)和傳感器防護(hù)等級(jí)均選擇IP68等級(jí)，以保證極端情況下設(shè)備的正常使用，減少維護(hù)成本，閥門(mén)、水泵就地控制箱和傳感器數(shù)據(jù)采集箱具體位置見(jiàn)表1。

表1 中水回用監(jiān)控系統(tǒng)傳感器位置

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

數(shù)據(jù)被采集到傳感器之后，可通過(guò)傳輸介質(zhì)將感知層采集的數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層，而這個(gè)傳輸介質(zhì)就是所謂的網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層核心功能就是傳輸。常用的網(wǎng)絡(luò)層傳輸方式分為有線和無(wú)線兩種，有線包括信號(hào)電纜、網(wǎng)線等等，無(wú)線則包括家庭局域網(wǎng)、電臺(tái)以及移動(dòng)通信網(wǎng)等。由于葉城縣中水在線監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)端設(shè)備地理位置都在縣內(nèi)且較為分散，有線通信成本較高，故采用無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)（即GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)[3]）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

為此先在供水公司調(diào)度中心配置專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)，申請(qǐng)固定的IP地址，并在調(diào)度中心安裝工控機(jī)，通過(guò)工控機(jī)訪問(wèn)云端服務(wù)器上的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件，其次在表1中的水泵、閥門(mén)控制箱以及儀表數(shù)據(jù)采集箱中安裝遠(yuǎn)程測(cè)控終端RTU[4]（Remote Terminal Unit），RTU是基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、傳輸及控制的智能終端設(shè)備，每個(gè)測(cè)控終端內(nèi)安裝一張開(kāi)通了GPRS/4G業(yè)務(wù)和短消息業(yè)務(wù)的SIM卡，通過(guò)公網(wǎng)組網(wǎng)將采集的傳感器數(shù)據(jù)傳送至調(diào)度中心，通過(guò)監(jiān)控軟件顯示出來(lái)，并根據(jù)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)施不同的供水策略，真正實(shí)現(xiàn)中水回用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。不僅解決了城區(qū)供水點(diǎn)分散、數(shù)據(jù)采集困難的問(wèn)題，而且降低了建設(shè)期的投資成本和建成以后的運(yùn)行成本。水泵、閥門(mén)控制箱和儀表數(shù)據(jù)采集箱的規(guī)格、遠(yuǎn)傳硬件配置和具體功能見(jiàn)表2。

表2 中水回用監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制終端配置詳情

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層顧名思義，就是對(duì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸過(guò)來(lái)的感知層數(shù)據(jù)的應(yīng)用，具體包括對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、控制、優(yōu)化和自治。在葉城縣中水回用項(xiàng)目中的應(yīng)用層指的就是配置在供水公司調(diào)度中心的工控機(jī)以及安裝在云端服務(wù)器上物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件，云端服務(wù)器采用在主流平臺(tái)上購(gòu)買(mǎi)的云服務(wù)器（4核8 GB企業(yè)級(jí)實(shí)例C6系列V），監(jiān)控系統(tǒng)所有用戶數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在云端服務(wù)器上，不僅增加了數(shù)據(jù)的安全性、也降低了對(duì)調(diào)度中心的硬件配置要求；物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控軟件采用B/S[5]（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，具有良好的擴(kuò)充性，用戶使用瀏覽器或手機(jī)APP即可使用，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。應(yīng)用層為各職能工作人員提供相關(guān)信息服務(wù)，工作人員可以在軟件上對(duì)整個(gè)中水回用系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管，并可對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行分析、存儲(chǔ)和決策。

3 中水回用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

中水供水調(diào)度中心設(shè)置在水廠調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站水泵頻率、調(diào)節(jié)池液位、供水管線壓力、流量、閥門(mén)開(kāi)度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收，并通過(guò)屏幕進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)與管理，為供水調(diào)度工作的合理決策提供支撐，具體可實(shí)現(xiàn)以下幾方面的功能。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以管網(wǎng)分布衛(wèi)星地圖為背景對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位顯示，基于衛(wèi)星地圖直觀顯示各測(cè)點(diǎn)位置的分布情況，流量、電動(dòng)閥狀態(tài)信息及警戒（流量、壓力、電動(dòng)閥故障）信息；泵站總覽界面以三維組態(tài)形式展現(xiàn)水泵運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行電壓、電流、電量，出水壓力、流量、水池液位等相關(guān)數(shù)據(jù)，操作管理人員可通過(guò)不同終端（工控機(jī)、手機(jī)、平板）隨時(shí)隨地訪問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)，大大增加了管理的便捷性。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到異常狀態(tài)時(shí)（即泵、閥門(mén)故障、壓力異常、水位過(guò)低、通信中斷等），會(huì)在系統(tǒng)主界面動(dòng)態(tài)顯示并發(fā)出聲音報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)處理。維修人員也可以通過(guò)實(shí)時(shí)衛(wèi)星地圖直接導(dǎo)航至故障點(diǎn)維修，降低運(yùn)行維護(hù)的時(shí)間成本；管理人員通過(guò)鼠標(biāo)直接選擇某測(cè)點(diǎn)可進(jìn)入測(cè)點(diǎn)詳細(xì)信息顯示界面查看該測(cè)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)操作界面直接對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行操作和設(shè)置，如調(diào)節(jié)泵的頻率、閥門(mén)的開(kāi)度等，中水回用監(jiān)控系統(tǒng)主頁(yè)如圖2所示。

圖2 中水回用遠(yuǎn)程智慧監(jiān)控系統(tǒng)主頁(yè)

3.2 智慧管理

葉城縣污水廠每日處理得到的中水量有限，無(wú)法完全覆蓋供應(yīng)整個(gè)縣城的保潔和灌溉所需水量，因此需要操作人員根據(jù)不同片區(qū)不同時(shí)間的供水量和實(shí)時(shí)管網(wǎng)流量、壓力、調(diào)節(jié)池水位等數(shù)據(jù)來(lái)綜合判斷，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵頻率，閥門(mén)開(kāi)度來(lái)科學(xué)有效地保證中水的可靠調(diào)度，后續(xù)在積累了對(duì)每日不同地段用水量以及相應(yīng)的供水策略的數(shù)據(jù)、曲線、報(bào)表后，還可以在監(jiān)控系統(tǒng)中加載具有不同功能的自動(dòng)化程序模塊，如通過(guò)檢測(cè)中水流量和壓力來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)供水量大小的供水模塊，或是通過(guò)檢測(cè)土壤潮濕度來(lái)判斷管道是否爆管的預(yù)警模塊等，以便不斷提高自動(dòng)化程度，減少人工管理成本。

4 結(jié)語(yǔ)

葉城縣中水回用在線監(jiān)控系統(tǒng)自2021年12月建成使用以來(lái)，初步實(shí)現(xiàn)了中水回用的智能化，和傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比更為安全、可靠、便捷。通過(guò)檢測(cè)，目前中水回用的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)家要求，中水的利用率也有所提高，達(dá)到了預(yù)期的目的。未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛使用是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，唯有通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的應(yīng)用，不斷提升自己的服務(wù)水平，各行各業(yè)才能在市場(chǎng)洪流中站穩(wěn)腳跟。