城鄉(xiāng)一體化供水工程信息與自動化控制設(shè)計探討

張方慶

（永州市水利水電勘測設(shè)計院，湖南永州 425000）

前言

城鄉(xiāng)供水一體化是國家政策高度關(guān)注的公共設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，自2014年以來，在全國全面展開。由于目前沒有具體的城鄉(xiāng)供水、村鎮(zhèn)供水工程信息與自動化控制設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在信息與自動化系統(tǒng)設(shè)計過程中出現(xiàn)了系統(tǒng)功能過于龐大復(fù)雜至使部分功能不適用具體項目，或系統(tǒng)功能過于簡單，不能達(dá)到少人值守全自動化運營管理的要求。

本文通過探討日供水規(guī)模在5000m3及以上城鄉(xiāng)一體化供水工程信息與自動化控制系統(tǒng)整體設(shè)計思路、取水泵房信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計、凈水廠信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計、管網(wǎng)信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計、用戶端信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計、監(jiān)（集）控中心平臺設(shè)計等，為城鄉(xiāng)一體化供水工程信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計、施工、運維提供參考。

1.城鄉(xiāng)一體化供水工程信息與自動化控制系統(tǒng)整體設(shè)計思路及原則

城鄉(xiāng)一體化供水工程信息與自動化控制系統(tǒng)，應(yīng)對供水工程各環(huán)節(jié)（從取水、凈（制）水、輸水、配水、用水的全過程自動控制、監(jiān)測與管理，促進(jìn)一體化供水設(shè)施高效配置和利用，盡量減少人工操作與監(jiān)測，實現(xiàn)全自動化管理，確保飲水工程安全、可靠運行，提高農(nóng)村供水保證率、水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。系統(tǒng)應(yīng)采用分層、分布式的控制方式，在供水工程各個工藝環(huán)節(jié)設(shè)置現(xiàn)場控制單元（監(jiān)控子站），對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行全自動控制與監(jiān)測，各個現(xiàn)場控制單元（監(jiān)控子站）能獨立工作，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 城鄉(xiāng)一體化供水工程信息與自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場控制單元（監(jiān)控子站）通過相關(guān)數(shù)據(jù)鏈路可實時將現(xiàn)場采集到各種數(shù)據(jù)如開關(guān)量、數(shù)字量、模擬量等傳送至監(jiān)（集）控中心平臺進(jìn)行顯示、存儲、加工與管理，同時監(jiān)（集）控中心平臺可對現(xiàn)場控制單元（監(jiān)控子站）下達(dá)操作指認(rèn)，完成相關(guān)的遠(yuǎn)程控制與操作。

在系統(tǒng)設(shè)計過程應(yīng)遵循以下幾個主要原則：

1.1 規(guī)范性原則

依據(jù)國家、省部級相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足架構(gòu)統(tǒng)一、技術(shù)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)統(tǒng)一、平臺統(tǒng)一、界面統(tǒng)一、操作統(tǒng)一等規(guī)劃化建設(shè)要求。

1.2 實用性原則

以實用為第一準(zhǔn)則，切實滿足業(yè)主管理和業(yè)務(wù)需求，總體設(shè)計之前應(yīng)充分與業(yè)主溝通，了解其運營管理意圖，圍繞數(shù)字化、智能化、一體化和智慧化建設(shè)相適配的管控系統(tǒng)，面向執(zhí)行人員、管理人員、調(diào)度人員、決策人員和終端用戶提供滿足生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營決策和生活消費的各類應(yīng)用。

1.3 安全性原則

設(shè)計采用有效的軟件安全保護(hù)、防止非法入侵等措施，保證應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的運行安全；考慮數(shù)據(jù)的分級授權(quán)和安全保護(hù)，搭建綜合性軟硬件安全環(huán)境和建立安全運行維護(hù)體系，保證業(yè)務(wù)安全、控制安全、數(shù)據(jù)安全和信息保密。

1.4 先進(jìn)性原則

采用云計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、智能控制等先進(jìn)信息化技術(shù)，并考慮適度超前，適應(yīng)信息化技術(shù)的快速發(fā)展和提高平臺的隨需而變能力。

1.5 可靠性原則

采用成熟技術(shù)和工藝，集群化和冗余化部署，安全和備份措施并舉，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、長期運行。

1.6 完備性原則

設(shè)計功能全面、完整。

1.7 可擴(kuò)展性原則

系統(tǒng)應(yīng)具備跨平臺部署能力，支持主流的瀏覽器，支持模塊化的開發(fā)和增量集成，平臺具有良好的可擴(kuò)展性。

2.取水泵房信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

取水泵房的信息與自動化控制應(yīng)根據(jù)項目實際情況（如取水泵電機(jī)的額定電壓、取水泵的流量、運行方式等）進(jìn)行設(shè)計，在取水泵房可設(shè)置一塊自動控制屏，主要配置PLC、人機(jī)界面（觸摸屏）、溫度巡檢裝置、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電力逆變器、主令電器及控制繼電器等，通過配置PLC現(xiàn)場控制各水泵電機(jī)、電動閥、滲漏排水泵、排污泵的啟停，并在線監(jiān)視各電機(jī)、閥、泵的運行狀態(tài)，在線監(jiān)測各水泵的進(jìn)出口壓力、出口流量、取水口水位、泵房滲漏水集水井水位、配電變壓器及各水泵電機(jī)保護(hù)裝置狀態(tài)等，同時能過網(wǎng)絡(luò)通訊方式在線監(jiān)視各臺水泵電機(jī)、配電變壓器保護(hù)裝置的實時狀態(tài)信息及故障信息。自動測控裝置編寫水泵自動控制程序、水泵電機(jī)保護(hù)程序、滲漏排水泵自動控制程序、取水口水位監(jiān)測程序等，將主要設(shè)備狀態(tài)信息及故障信息通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)（集）控中心后臺。對于現(xiàn)場的主要重要故障信號能在監(jiān)（集）控中心后臺提供語音報警并儲存記錄故障信息，以及時提醒相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行故障分析處理。

對有高壓配電裝置的取水泵房，為確保水泵房安全、可靠、無人值守運行，應(yīng)配置一套一體化的直流充饋電裝置，為自動?？刂?、繼電保護(hù)、自動化元件、視頻監(jiān)控裝置提供可靠的直流電源。

同時根據(jù)現(xiàn)場內(nèi)外環(huán)境的實際情況設(shè)計一定數(shù)量的視頻監(jiān)控攝像機(jī)及圖像存儲設(shè)備，配置技術(shù)成熟的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)及硬盤錄像機(jī)。攝像機(jī)的設(shè)計應(yīng)同時兼顧安防和生產(chǎn)需要，要使監(jiān)（集）控中心能實時監(jiān)視到主要設(shè)備及環(huán)境（水泵、取水口、出入口等）狀況。從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面考慮取水泵房自動化元件按下表1所示要求進(jìn)行配置。

表1 水泵房自動化元件配置一覽表

取水泵房自動測控裝置需監(jiān)測的主要開關(guān)量數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 取水泵房需監(jiān)測的主要開關(guān)量數(shù)據(jù)表

表3 取水泵房需監(jiān)測的主要模擬量數(shù)據(jù)表

3.凈水廠信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

凈水廠信息與自動化控制應(yīng)根據(jù)水廠實際情況（如送水泵電機(jī)的額定電壓、單臺送水泵的流量、運行方式等）進(jìn)行設(shè)計，在送水泵房可設(shè)置一塊自動控制屏，主要配置自動控制裝置、人機(jī)界面、溫度監(jiān)測裝置、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、UPS電源、控制電器等，通過自動控制裝置對各水泵、閥門、加藥設(shè)備、消毒設(shè)備及輔助設(shè)備的啟?？乜?，并在線監(jiān)視其運行狀態(tài)，在線監(jiān)測凈水廠出口壓力、出口流量、監(jiān)測調(diào)節(jié)水池、清水池等水位、在線監(jiān)測水廠出水水質(zhì)、配電變壓器及各水泵電機(jī)保護(hù)裝置狀態(tài)等，將主要狀態(tài)信息及故障信息通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)（集）控中心后臺，對重要故障信號在監(jiān)（集）控中心后臺提供語音報警并儲存記錄故障信息，以及時提醒相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行故障分析處理。

在凈水廠的調(diào)節(jié)水池、濾池、清水池、加藥間內(nèi)外、消毒設(shè)備、配電間內(nèi)外、自動控制屏、集控中心、加壓泵房內(nèi)外等生產(chǎn)設(shè)施處及凈水廠的入口處配置視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，在凈水廠廠界處設(shè)置電子圍欄。視頻監(jiān)控兼顧安防和生產(chǎn)需要，并在控制中心配置硬盤錄像機(jī)，錄像機(jī)的儲存容量需滿足保存歷史記錄30天以上。對于重要的凈水廠，儲存容量需滿足保存歷史記錄90天以上的反恐要求。

從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面考慮凈水廠主要自動化元件按表4所示要求進(jìn)行配置。

表4 凈水廠主要自動化元件配置一覽表

凈水廠自動測控裝置需監(jiān)測的主要開關(guān)量數(shù)據(jù)和模擬量數(shù)據(jù)如表5、表6所示。

表5 凈水廠需監(jiān)測的主要開關(guān)量數(shù)據(jù)表

表6 凈水廠需監(jiān)測的主要模擬量數(shù)據(jù)表

除以上主要數(shù)據(jù)表外，應(yīng)根據(jù)各個項目凈水工藝不同，配置相關(guān)自動化測控裝置，實現(xiàn)對凈水工藝全過程的遠(yuǎn)程在線監(jiān)視與控制。

4.輸配水管網(wǎng)信息與自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

為便于輸配水管網(wǎng)的運行與維護(hù)，以村（鎮(zhèn)）為供水單元的分支處宜配置控水裝置和量水裝置，設(shè)計與水管相適應(yīng)的電動蝶閥和流量計，對各供水單元進(jìn)行監(jiān)測與控制。在各加壓站除配置自動控制加壓設(shè)備外，還應(yīng)配置相應(yīng)數(shù)量的壓力變送器、流量計；根據(jù)管網(wǎng)水力計算結(jié)果，在壓力最不利點配置壓力變送器。將管網(wǎng)加壓設(shè)備、電動閥等各設(shè)備的狀態(tài)及管網(wǎng)中的流量、壓壓等數(shù)據(jù)通過無線傳輸裝置實時傳送至水廠集控中心，相關(guān)數(shù)據(jù)越限或報警時應(yīng)在集控中心發(fā)出警告信號，及時提醒值班人員進(jìn)行處理。

5.結(jié)束語

全面推進(jìn)城鄉(xiāng)供水一體化是國家統(tǒng)籌布局農(nóng)村飲水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、提高農(nóng)村供水保障水平，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的重要戰(zhàn)略，而供水工程信息與自動化控制是確保農(nóng)村飲水安全、可靠，減少供水工和運維壓力的重要工程技術(shù)措施。通過明確系統(tǒng)整體思路和原則，規(guī)范在各工藝環(huán)節(jié)的信息與自動化系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容和注意事項，可確保城鄉(xiāng)供水一體化項目信息與自動化系統(tǒng)在確保經(jīng)濟(jì)性的前提下安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、方便運行。