全域自然村集中供水工程中的自動化控制技術

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，供水領域涉及24 個自然村，關聯人口有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，關系到用水人數達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，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，水井房控制數據的統計是煩瑣的。若根據過去供水項目控制，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量的報告、統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。根據各月或季度抄表收水費來看，快速結束1 次收費任務需要5～10 d，耗時長、精準度不高、收集數據不能及時匯總統計且不能按時提供。通過自動遙控智能技術，可滿足節省人力、降低誤差、高效率、評估及時、攝像監控、實時處理故障的需求[1，2]。所以，自動化控制系統的建設對合理有效管理供水具有重要意義。

3 自動化控制技術的組成及功能

3.1 自動化控制技術的組成

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

3.2 自動化控制技術的主要功能

1）遠程調度功能。應用自動化控制技術可以通過西門子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，對相關設備設施的運行狀況進行了解，不再需要工作人員到現場巡視。

2）故障預警功能。利用數控壓力表將數據進行遙控傳輸，當壓力低于或高于預定數值時，發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場處理。

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

4 自動化控制系統的實現

4.1 系統結構

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

為了保證供水工程的穩定性，水廠計算機自動化控制系統應用分布式結構，整個自動化控制系統主要由水廠主控層與設備現地層構成，前者組態軟件為平臺與基礎，實現對自動化系統的控制與調整，而后者基于以太網，保證數據傳輸的有效性。操作人員在主控室監控服務器端進行操作，啟動儀表儀器，依托直流24V 開關量信號及4～20 mA 模擬信號，連接PLC，將控制參數和內容傳遞至PLC。

4.2 系統設計

4.2.1 水廠自動化控制系統

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

圖1 自動化控制系統構成

自動化控制系統控制權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地控制單元（Local Conrtol Unit，LCU），并選擇在LCU 內部設計“現地/遠方”切換把手，將每一個分站的LCU 主屏布置在主控室內，實現現地/遠方控制，提高控制效率。現地層的PLC 系統是整個水廠自動化控制系統的關鍵，通過PLC 內部的邏輯處理，不僅可以保證各項工藝平穩有序開展，實現測控的交互，還能清楚地顯示設置在供水工程現場的各項設備的情況，采集測控點數據，確定儀表的運行參數，當各項設備運行參數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 管網監測系統

官網監測系統的主要功能是收集各節點的流量、壓力參數，并通過GPRS 網絡傳輸機制，將各傳感器的采集數據傳輸至附近基站，而這些基站多設置在供水工程輻射范圍村落的中心位置，由基站對采集數據進行TCP/IP 封裝，再進一步將處理數據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據進行分析研究，確定管網運行狀態。采用ZigBee無線網絡傳感器采集各個控制性節點的流量與壓力參數，采用集成度優越的GPRS （GSM/DCS 雙頻模塊P1ML—900/1800）將采集數據傳輸到基站，進行數據的TCP/IP 封裝，能夠實現對供水工程全天候、高效率的自動化監測與數據傳輸，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 裝配在水庫內側壁，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 網絡連接監控控制中心。將井口出水處裝配1 塊遠程水表，控制模塊利用數字信號進行水流量統計，泵房里設置驅動柜、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 網絡接入監控控制中心。設置成自動管理時，控制中心站管理收集水庫水位，若水位比預定數據低，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的應用

壓力傳感器裝配在供水管網的主管道上，用于勘測輸水過程中管網的動態和非動態壓力值。裝配遠程計量水表，計量各村用水量。裝配可調節電動閘閥，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，控制器發出指令關閉電動閘閥，切斷該管線用水村的用水，待用戶續交水費后電動閘閥啟動供水。

4.3.3 自動報警數據統計等輔助功能的應用

中央監控軟件由北京三維力控PCAuto 組態軟件開發，監控軟件利用無線GPRS 網絡完成和水源技術、水庫水位技術及用水村遠程控制技術的遠程通信，收集傳送各管理點的設施參考值，集中監督、防盜報警，主動產生報告和歷史數據查看等輔助功能。可查看具體村、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，主控中心能夠對運行參數進行顯示，對所有重要設備進行監測，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后，PLC 單元根據運行參數的不同，計算機按照預定的程序和閾值，及時、精確地對設備進行優化管理，提高了設備性能。因為系統速度快、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。通過數據庫查詢運行時的故障數據，有助于對故障性質和原因進行分析，防止類似事故的再次發生，進一步降低維修維護費用。通過比較自動傳輸的管網實時采集數據和統計分析的用水過程，可以迅速確定各管段的供水狀況，從而為及時、準確地發現并處理工程運行中的問題，提供了可靠快速的技術支撐。

5.3 實現可視化操作

自動化控制系統運行過程中的各種參數，可以通過圖形用戶界面直觀顯示出來，提高了數據的全面、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、數據不準、時間滯后，而采用自動化探測技術能直觀顯示并且記錄。

5.4 實時統計和查詢

水廠運行過程中，自動化控制系統利用圖形、曲線、表格、趨向線等形式，主動創建實時數據庫和歷史數據庫，顯示、查看、打印數據庫中相關數據及信息，不僅能擺脫人工查抄二次儀表后整理統計的工序，還可根據需要定時段實現統計查詢和追憶，通過網絡或報表形式快速傳輸，為決策調度提供數據。

6 結語

為有效使用地下高質量水源，充分保證農村用水安全，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、無線通信傳送技術等，完成了對山區農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，實現自主上水和給水、及時操控、故障警示、數據計算等功能，使項目運轉控制便捷、科學合理，保證供水項目安全運行。