探析城市供水管網管壓多級調控體系的建立與優化

唐顯喆

摘? ? 要：針對城市供水管網容易產生漏損問題的現狀，提出一套智能化的管壓多級調控體系，對體系的框架、原理、硬件和通信系統及其優化進行深入分析，為這一體系的大范圍推廣應用提供參考依據。

關鍵詞：城市供水管網;管網壓力調整

1? 引言

漏損為城市供水管網常見問題，而引起漏損的重要原因為管網壓力波動。因此，在實際工作中，應在思想上予以高度重視的同時，采取有效方法對管網的壓力進行管理和控制。

2? 概述

當前供水網管漏損問題普遍存在，漏損的控制因此變成很多國家及地區關注的焦點問題。減小或避免漏損，除了能節約成本，還能提高水資源利用率，避免浪費，并起到保護環境的作用。此外，伴隨城市范圍日益擴大，城市人口數量不斷增長，因對自來水資源的需求量超出現有供應水平，很多人口較為密集的區域，在用水高峰時，位于管網下游的用水戶時常出現水平不足等問題，但是在用水的低峰，由于管網當中富余一定高壓，易引發爆管等事故，出現斷水情況。

引發漏損的因素有很多，但對漏損量而言，主要和三個因素有直接關系：（1）管道漏損已經出現一段時間;（2）漏損點數量、形狀及大小;（3）供水壓力。經實驗研究可知，供水壓力和漏損存在十分緊密的關系，對管網壓力進行合理的管控能有效降低漏損概率，防止爆管。對網管壓力進行有效管理和控制，是一項行之有效且經濟合理的降損方式，無論是對漏損的防止、爆管的預防，還是延長撿漏的周期都有著十分重要的作用與意義。相關人員經研究得出，通過壓力的管理和控制來降低漏損是一種具有很高性價比的做法，同時通過對壓力發生的波動的有效平緩，能進一步降低泄漏。

就目前而言，對供水節點進行監控主要存在下列實際問題： （1）壓力參數的實時采集較為困難，實際采集得到的數據往往不全面，缺乏實效性;（2）壓力的調節需要由人工在野外進行。由此可以看出，供水壓力控制需要實現系統化，借助物聯網等技術，建立專門的管控體系。

3? 體系建立與優化

3.1? 框架和原理

控制器主要對V型大閥門進行控制，由Web服務器實施監控。體系核心部分對應的控制器終端，它將單片機作為體系的中央處理器。外圍輸入和輸出接口與控制器中的液壓系統相連，和減壓閥形成完整閉環。液壓系統為終端設備重要組成部分。它運用上游處于穩定狀態的高壓水，使膜片活塞桿發生動作，對減壓閥上的彈簧彈力進行改變，最終實現對閥芯開口度變化。體系通過控制算法來實現對下游出水口實際壓力的準確設定，并通過與互聯網絡的相連來實現動態監控。

3.2? 硬件設計

該體系微處理器為MSP430單片機，將SIM300芯片作為無線通信模塊，此外還配置了其它功能模塊，包括液晶顯示模塊、協議儲存模塊、操作按鍵和電源及其監控功能模塊.

3.3? 硬件接口

該體系壓力數據采集的精度無需提高，所以可對信號調理電路進行簡化;將電流為4mA～20mA的信號輸入，由變送器采集得到的信號，通過電阻可變成電壓信號。此時，為減小或避免采樣的偏差，電阻精度應達到1%。在電路中，設置二極管作為保護電路。另外還采用電容濾波方法，將信號中的毛刺濾除干凈，避免信號干擾。輸入信號的電流在4～mA20mA范圍內，當電阻為150Ω時，信號的電壓在0.6V～3.0V范圍內;而模擬電壓將3.3V和AGND作為參考源;對于壓力變送器，其最大水壓取25bar，控制器采用12位ADC，其數字量的滿偏、零偏差及滿偏差分別為4096、745和372。外圍的接口和電磁閥相接，信號通過三極管輸出，繼電器的線圈與集電極相接，由繼電器對高、低電壓進行隔離，形成電氣連接。由于繼電器線圈與電磁閥磁鐵均屬于感性負載，所以為避免產生誤動作，需要在線圈與磁鐵部位沿反向布置二極管，以此防止過電壓。通過對上述體系的實驗和測試，可知本方案設計科學合理，體系的運行十分穩定且可靠。

3.4? 通信系統

控制器和上位機之間利用SIM300實現無線通信，對于SIM300，它是可在三網使用的GMS及GPRS功能模塊，這一功能模塊同樣為低功耗芯片，在睡眠模式下，其電流消耗不超過2.5mA;芯片的尺寸為 （40×33×2.85） mm，在芯片的內部集成有協議棧，同時對AT與TCP/IP等指令予以了擴展，借助該模塊進行數據開發和傳輸十分簡便，無需編寫底層協議等復雜的程序，可滿足很多工業領域的通信要求。對于SIM300，它是一個獨立模塊，將電話卡插入即可進行上網，并由單片機的串口向外發送控制指令，以此實現和外網相通信的根本目標。此時單片機主要利用的是AT指令進行控制，同時把待發送數據封裝至相應的模塊，利用功能模塊把數據處理成數據包，并發送至遠端服務器。網絡中數據的傳輸完全透明，實際應用操作十分方便。

對于監控該軟件，它是將B/S模式作為基礎與Web服務器相搭接，并在后臺利用MVC或Java實現數據庫的搭建，這是一個有著企業級構架的控制軟件，其后臺將終端ID作為主要標識，以ID節點號所傳輸的信號為依據，實施數據庫操作，然后通過對數據庫的正確操作，使前臺頁面顯示不斷刷新，此時外網用戶可在瀏覽器上利用已經授權的賬戶來監測，并根據實際情況產生并下方相應的指令。這一軟件能支持多種智能終端，可對異步數據進行良好處理，同時為第三方軟件實時提供協議規范及接口。在無線通信模塊中，嵌有強大協議棧，所以控制器和Web之間的通信主要使用的是Socket。該智能終端主要用于野外地下，在這種環境下，信號十分微弱且不穩定，易產生誤碼及掉線。對此，基于TCP通信，應搭接專門用于本體系的通信協議，即為PRV協議，這樣能有效保證數據接收和發送的完整性及可靠性。

對通信協議進行設計時，應將智能終端的主要功能作為依據而確定，常見的包括設備鏈接身份綜合驗證、參數下方控制與數據上傳方面的協議。協議形式主要為命令和響應包，在發送方向主要是對命令包進行接收，而在接收方向主要是對響應包進行發送，為滿足擴充要求，在編寫程序的過程中，應為升級保留足夠余地。體系能把協議分為接收與發送任務，不同任務能實現各司其職，系統換代和升級過程中可對協議的添加及加密進行充分考慮。對于通信的雙方，通過數據信號的響應機制能確認數據的接收及發送是否成功。其中，對于命令包，其格式為：包頭采用ESC標志，1字節;包長采用LEN標志，1字節;命令代碼采用CMD標志，1字節;通信數據采用[DATA]標志，n字節;校驗采用CRC標志，2字節。對于響應包，其格式為：包頭采用ESC標志，1字節;包長采用LEN標志，1字節;響應代碼采用RES標志，1字節;通信數據采用[DATA]標志，n字節;校驗采用CRC標志，2字節。

4? 結束語

上述壓力控制體系不僅原理簡單、功能齊全，而且造價很低。經試運行可知，這一體系可以對各個關鍵節點實施動態且智能化的監測及控制。所以能有效減少野外作業，大幅節省人力及維護方面的成本。系統的進一步優化與完善能在服務器端以監測得到的數據為依據，采用智能算法對調壓算法對應的控制參數進行計算，再對控制參數實施遠程的動態整定，也可在硬件端進行DSP的添加，通過動態調參算法的本地建立實現對參數的實時整定。

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