全域自然村集中供水工程中的自動化控制技術(shù)

羅明

（廣東平建建設集團有限公司，廣東梅州 514011）

1 工程概況

某集中供水項目分兩個階段進行，第1 階段，需建設3 口供水井，裝配3 臺抽水泵，2 座500 m3的水庫，架設供水主要管道12.6 km，管理供水井房16 座，供水領(lǐng)域涉及24 個自然村，關(guān)聯(lián)人口有33 637 人，面積達62.3 km2。水源井設立在西梁村呂梁山西山腳下，水井距水庫3 km，將水庫至調(diào)壓水庫架設12.6 km 的送水主要管道，水分至16 座管理井房供應到用水村，再分配到每戶。第2 階段，需建設供水井2 口，水庫3 座，架設主要送水管道8.21 km，建造管理供水井房26 座，供水范圍達26 個村莊，關(guān)系到用水人數(shù)達40 973 人，面積58.8 km2。架設送水主要管道8.21 km。

2 自動化控制系統(tǒng)建設的必要性

由于聚集供水送水點相對分散，且位置處于偏僻的山區(qū)，水庫提水路程遠，供水輻射范圍廣，送水管道長，分流管道多達40 條，水井房控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)計是煩瑣的。若根據(jù)過去供水項目控制，各供水村、各支管道、水源進水泵、水庫水量、主要管道都應部署專人進行巡邏、抄表、開水泵、開閥門、進戶收費等。按各村2 名村級管理人員計算，主要管道每5 km 需配置1名巡邏人員和4 名設施維修人員，水源地、水庫、核心站都需要不同數(shù)量的報告、統(tǒng)計以及水泵管理等職位，至少需要120 名管理人員才能開展各項工作。根據(jù)各月或季度抄表收水費來看，快速結(jié)束1 次收費任務需要5～10 d，耗時長、精準度不高、收集數(shù)據(jù)不能及時匯總統(tǒng)計且不能按時提供。通過自動遙控智能技術(shù)，可滿足節(jié)省人力、降低誤差、高效率、評估及時、攝像監(jiān)控、實時處理故障的需求[1，2]。所以，自動化控制系統(tǒng)的建設對合理有效管理供水具有重要意義。

3 自動化控制技術(shù)的組成及功能

3.1 自動化控制技術(shù)的組成

供水工程自動化管理技術(shù)主要包括：監(jiān)控中心軟件技術(shù)、水源水泵功率管理技術(shù)、水庫水位管理技術(shù)、管網(wǎng)壓力監(jiān)測技術(shù)及水村閘閥流量控制技術(shù)。各子技術(shù)包括：控制器、被控目標、運行技術(shù)及變送器4 個樞紐，分別完成所需功能，合理配合，相互聯(lián)系，最后通過GPRS 網(wǎng)絡遠程進行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心匯總展示。

3.2 自動化控制技術(shù)的主要功能

1）遠程調(diào)度功能。應用自動化控制技術(shù)可以通過西門子6ES7212 型號的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在電腦顯示屏上進行遠程操控，對相關(guān)設備設施的運行狀況進行了解，不再需要工作人員到現(xiàn)場巡視。

2）故障預警功能。利用數(shù)控壓力表將數(shù)據(jù)進行遙控傳輸，當壓力低于或高于預定數(shù)值時，發(fā)出預警信號并顯示故障位置。按照顯示器上顯示的方位，操作人員可實時到現(xiàn)場處理。

3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù)，可以通過水泵開機時數(shù)、用電量、出水量、供水效率、水費等參數(shù)，分析高峰低谷用水量變化情況、管網(wǎng)漏損率、水費回收率等，為決策管理提供資料。

4 自動化控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供水系統(tǒng)的取水、輸送功能的啟動關(guān)閉由旋流沉淀池或蓄水池（清水池和高位調(diào)蓄池）控制，而旋流沉淀池或蓄水池（清水池和高位調(diào)蓄池）水位監(jiān)測則采用超聲波液位計和投入式液位計配合進行，以提高水位監(jiān)測的準確性，為自動控制水廠調(diào)整加壓水泵的啟停和臺數(shù)的確定提供可靠的數(shù)據(jù)參考。監(jiān)測水泵站、配水泵站運行情況，確定水位數(shù)值，調(diào)整確定自動控制系統(tǒng)的狀態(tài)閾值，自動化控制水泵，精細化管理。

為了保證供水工程的穩(wěn)定性，水廠計算機自動化控制系統(tǒng)應用分布式結(jié)構(gòu)，整個自動化控制系統(tǒng)主要由水廠主控層與設備現(xiàn)地層構(gòu)成，前者組態(tài)軟件為平臺與基礎(chǔ)，實現(xiàn)對自動化系統(tǒng)的控制與調(diào)整，而后者基于以太網(wǎng)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴２僮魅藛T在主控室監(jiān)控服務器端進行操作，啟動儀表儀器，依托直流24V 開關(guān)量信號及4～20 mA 模擬信號，連接PLC，將控制參數(shù)和內(nèi)容傳遞至PLC。

4.2 系統(tǒng)設計

4.2.1 水廠自動化控制系統(tǒng)

主控層是水廠自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由主控室監(jiān)控服務器、路由器等部分構(gòu)成，利用網(wǎng)絡交換機實現(xiàn)與現(xiàn)地層的通信，將設備運行參數(shù)傳遞到PLC，輸入指控命令，并監(jiān)督命令的執(zhí)行情況。現(xiàn)地層是水廠自動化控制系統(tǒng)的最后一級控制，主要構(gòu)成部分是現(xiàn)地控制單元，對上負責接收主機與服務器工作站的命令，反饋現(xiàn)場情況，執(zhí)行命令；對下負責接收各個測試控制點的運行參數(shù)與狀態(tài)，收集信息（見圖1）。

圖1 自動化控制系統(tǒng)構(gòu)成

自動化控制系統(tǒng)控制權(quán)限的切換采用軟硬件閉鎖相互配合的方式，為每一個控制分站配置一套現(xiàn)地控制單元（Local Conrtol Unit，LCU），并選擇在LCU 內(nèi)部設計“現(xiàn)地/遠方”切換把手，將每一個分站的LCU 主屏布置在主控室內(nèi)，實現(xiàn)現(xiàn)地/遠方控制，提高控制效率?，F(xiàn)地層的PLC 系統(tǒng)是整個水廠自動化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過PLC 內(nèi)部的邏輯處理，不僅可以保證各項工藝平穩(wěn)有序開展，實現(xiàn)測控的交互，還能清楚地顯示設置在供水工程現(xiàn)場的各項設備的情況，采集測控點數(shù)據(jù)，確定儀表的運行參數(shù)，當各項設備運行參數(shù)超出上下限安全閥值后，還能在第一時間進行報警提示。

4.2.2 管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

官網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是收集各節(jié)點的流量、壓力參數(shù)，并通過GPRS 網(wǎng)絡傳輸機制，將各傳感器的采集數(shù)據(jù)傳輸至附近基站，而這些基站多設置在供水工程輻射范圍村落的中心位置，由基站對采集數(shù)據(jù)進行TCP/IP 封裝，再進一步將處理數(shù)據(jù)反饋到水廠控制中心，水廠控制中心借助分析設備對處理數(shù)據(jù)進行分析研究，確定管網(wǎng)運行狀態(tài)。采用ZigBee無線網(wǎng)絡傳感器采集各個控制性節(jié)點的流量與壓力參數(shù)，采用集成度優(yōu)越的GPRS （GSM/DCS 雙頻模塊P1ML—900/1800）將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?，進行數(shù)據(jù)的TCP/IP 封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)對供水工程全天候、高效率的自動化監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸，提升水廠管理的自動化管理水平。

4.3 自動化控制技術(shù)在供水管理中的應用

4.3.1 自動上水裝置的應用

水泵與高位水庫水位相連，輸入水位傳感器三向力原裝DC26 裝配在水庫內(nèi)側(cè)壁，距池底3～5 cm。上限水位通常設置為3 m，通過信號線連接采集控制器，采取GPRS 網(wǎng)絡連接監(jiān)控控制中心。將井口出水處裝配1 塊遠程水表，控制模塊利用數(shù)字信號進行水流量統(tǒng)計，泵房里設置驅(qū)動柜、智能遙控器以及收集管理設施，將信號線、控制線接入收集設施組，利用GPRS 網(wǎng)絡接入監(jiān)控控制中心。設置成自動管理時，控制中心站管理收集水庫水位，若水位比預定數(shù)據(jù)低，可以自動檢驗水泵的電流、電壓和水位。滿足啟動要求時，自動控制水泵開啟，并自動將水庫的電流、電壓、出水量、水位輸送回總控制室。

4.3.2 用水村閘閥自動開關(guān)的應用

壓力傳感器裝配在供水管網(wǎng)的主管道上，用于勘測輸水過程中管網(wǎng)的動態(tài)和非動態(tài)壓力值。裝配遠程計量水表，計量各村用水量。裝配可調(diào)節(jié)電動閘閥，通過總控制中心計算機，將安裝在用水村分水控制室內(nèi)的智能控制器進行預置水量，并及時收集遠傳水表的脈沖信號，當預置水量不足時，控制器發(fā)出指令關(guān)閉電動閘閥，切斷該管線用水村的用水，待用戶續(xù)交水費后電動閘閥啟動供水。

4.3.3 自動報警數(shù)據(jù)統(tǒng)計等輔助功能的應用

中央監(jiān)控軟件由北京三維力控PCAuto 組態(tài)軟件開發(fā)，監(jiān)控軟件利用無線GPRS 網(wǎng)絡完成和水源技術(shù)、水庫水位技術(shù)及用水村遠程控制技術(shù)的遠程通信，收集傳送各管理點的設施參考值，集中監(jiān)督、防盜報警，主動產(chǎn)生報告和歷史數(shù)據(jù)查看等輔助功能?？刹榭淳唧w村、具體時間的用水量，用水量高峰在哪個月，計算每人用水量，分析取水和用水量比例等。

5 自動化控制系統(tǒng)效果分析

5.1 降低管理費用

原供水工程管理運行人員有15 人，實施本項目后，主控中心能夠?qū)\行參數(shù)進行顯示，對所有重要設備進行監(jiān)測，因此管理、值守、巡檢人員降低到6 人，降低了勞動強度，年管理費用減少20 萬元人民幣。

5.2 提高供水保證率

應用自動化控制系統(tǒng)后，PLC 單元根據(jù)運行參數(shù)的不同，計算機按照預定的程序和閾值，及時、精確地對設備進行優(yōu)化管理，提高了設備性能。因為系統(tǒng)速度快、智能化，能及時察覺故障征兆，并能迅速、自主地移除故障設備，執(zhí)行報警功能，防止故障惡化擴大，使設備得到及時維修和更換，有效減少了設施故障以及修理維護費用。通過數(shù)據(jù)庫查詢運行時的故障數(shù)據(jù)，有助于對故障性質(zhì)和原因進行分析，防止類似事故的再次發(fā)生，進一步降低維修維護費用。通過比較自動傳輸?shù)墓芫W(wǎng)實時采集數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析的用水過程，可以迅速確定各管段的供水狀況，從而為及時、準確地發(fā)現(xiàn)并處理工程運行中的問題，提供了可靠快速的技術(shù)支撐。

5.3 實現(xiàn)可視化操作

自動化控制系統(tǒng)運行過程中的各種參數(shù)，可以通過圖形用戶界面直觀顯示出來，提高了數(shù)據(jù)的全面、準確與實時性。如水泵、電機運行時軸承溫度，人工用溫度計測量困難、數(shù)據(jù)不準、時間滯后，而采用自動化探測技術(shù)能直觀顯示并且記錄。

5.4 實時統(tǒng)計和查詢

水廠運行過程中，自動化控制系統(tǒng)利用圖形、曲線、表格、趨向線等形式，主動創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，顯示、查看、打印數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)及信息，不僅能擺脫人工查抄二次儀表后整理統(tǒng)計的工序，還可根據(jù)需要定時段實現(xiàn)統(tǒng)計查詢和追憶，通過網(wǎng)絡或報表形式快速傳輸，為決策調(diào)度提供數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

為有效使用地下高質(zhì)量水源，充分保證農(nóng)村用水安全，有效保證供水率，降低人工勞動強度，增強科學智能控制，利用計算機軟件控制中心、自動管理技術(shù)、無線通信傳送技術(shù)等，完成了對山區(qū)農(nóng)村集體供水項目的遠程智能控制，在確保用戶及時用水的前提下，提升了供水點智能化控制程度，實現(xiàn)自主上水和給水、及時操控、故障警示、數(shù)據(jù)計算等功能，使項目運轉(zhuǎn)控制便捷、科學合理，保證供水項目安全運行。