自動控制技術在農村供水中的應用
——以大村鎮駐地水廠改造為例

李峪，劉堯

（1.青島青咨工程咨詢有限公司，山東 青島 266100；2.青島空間信息技術系統性應用研究院，山東 青島 266000）

“十三五”期間，隨著我國現代信息技術的蓬勃發展，信息化建設模式發生了翻天覆地的轉變,一場以云計算、大數據、物聯網、區塊鏈、智能AI等技術為核心的“新IT”浪潮風起云涌，信息化應用進入一個“新常態”。水利部門也積極應對“互聯網+”和大數據時代的機遇和挑戰，為適應農村供水情況及農村發展與改革要求，自動化控制技術在水利行業的應用越來越普及。農村供水是一項民生工程，需要各個部門進行重點關注。在農村供水工程中應用自動控制技術可以實現供水過程無人值守，提高供水工程的自動化水平，降低管理成本，為將來的信息化應用奠定基礎。

1 大村鎮供水及水廠現狀

1.1 項目區概況

大村鎮總面積151平方千米，人口5.1萬人，是青島西海岸面積最大，山水資源、砂石資源、土地資源、木材資源、人文資源最豐富的鄉鎮，距青島前灣港50千米，距日照石臼港70千米，距青島機場80千米，距204國道10千米，距“同三”高速公路泊里出入口10千米，距膠州火車站80千米，距黃島火車站55千米，交通方便，是鄉村旅游、休閑養生的好地方。大村鎮不僅有美麗的自然風光和豐富的農業資源，還是青島西部工業基礎比較好的工業大鎮。

1.2 供水現狀

其一，人口居住分散，供水工程規模小，點多、面廣、量大。由于供水規模小、數量大、效益低，難以實現專業化管理。其二，供水水源往往是就地選擇，水源類型多、規模小，保護性差，供水保證率低。有的水廠自建成后由于水源得不到保證，至今沒有投入使用。其三，水處理設備建設標準不統一，出水質量得不到保證。有的水廠采用的無動力虹吸過濾，過濾效果差；有的水廠絮凝設施和過濾設施受到了損壞；有的水廠采用工業鹽酸制備二氧化氯消毒，但由于工業鹽酸是危險化學品，供應得不到保證，有時會沒有消毒流程。其四，信息化建設不統一。有的水廠沒有進行自動化控制，完全靠人工控制；所有水廠都沒有進行水質在線監測，供水水質狀況無法獲?。凰吹貨]有視頻監控等安保措施。其五，工程建設與管理人員缺乏。水廠管理人員均為普通農民，管理水平和綜合素質均得不到保證。而且農村基礎設施薄弱，經濟發展滯后，農民收入和管理水平低，需要經濟適用、操作簡單、管理方便的農村供水技術和設備。其六，部分農村居民的飲水安全意識薄弱，對水價政策不理解，存在用水量少、私自挖井、不愿交水費等問題，影響工程正常運行。

1.3 大村鎮駐地水廠現狀

大村鎮駐地水廠位于大村鎮藏馬山路與龍馬路交界處。設計處理規模為5000立方米／天，目前實際用水量約2000立方米／天。水廠有一個清水池，容積1500立方米。水廠水源地離水廠直線距離約2千米，位于白馬河岸邊。離水廠1千米處還有一個高位水池。

水廠目前工藝流程見圖1。經過現場考察發現，水廠建設時標準較低，制水供水設備沒有實現自動化控制，部分加壓水泵、真空泵需要人工控制；水泵出水管沒有壓力檢測設備，沒有水位檢測設備。同時，各種設備的運行狀態也沒有監測，且沒有進行水質檢測。

圖1 大村鎮駐地水廠工藝流程

目前水廠出的水水質較差，混濁、有異味。經過現場考察，發現水質差的主要原因是：絮凝時間太短，反應時間不夠；沉淀區斜管選型錯誤和斜管老化；過濾區的石英砂材質低劣和虹吸效果差；凈化后的清水入清水池之前未進行消毒。目前采用的消毒方式為二氧化氯消毒，采用工業鹽酸制備的消毒溶液，但鹽酸是危險化學品，運輸、存儲均不方便，因此雖然有設備但沒有使用，從而導致清水池的水質沒有經過消毒。另外，現場只有一個清水池，清水池也沒有進行分格，造成清水池清理時只能停水，給用戶帶來不便。

2 大村鎮駐地水廠改造建設方案

自動控制技術是指能夠在沒有人員直接參與的情況下，利用附加裝置使生產過程或生產機械自動地按照某種規律運行，使被控對象的一個或幾個物理量（如溫度、壓力、流量、位移和轉速等）或加工工藝按照預定要求變化的技術。利用自動控制技術改造大村鎮駐地水廠，從而在滿足出水水質要求的情況下實現無人值守。自動控制技術可以根據出水水質參數自動控制加藥量（絮凝劑、助凝劑和消毒溶液），從而使水質達到國家標準。此外，自動控制技術除了可以實現閉環控制外，還具備通信功能，可以對采集的水質參數和運行數據進行傳輸。

2.1 水質在線監測系統建設

水質在線自動監測系統是一個以在線分析儀表自動監測水質參數為服務目標，提供具有代表性、及時性和可靠性的水質參數為核心任務，運用自動控制技術、計算機技術并配以專業軟件，組成一個從取樣、預處理、分析到數據處理及存貯的完整系統，從而實現對水質的在線自動監測。大村鎮駐地水廠清水池沒有設置水質在線檢測系統，出水水質化驗參數無法獲取，也沒有人工實驗設備進行水質化驗。根據項目的特點，對入水和出水水質進行濁度和余氯檢測，將在線監測系統安裝于二級泵房。

入水濁度在線監測系統是在源水進入絮凝池前增加在線濁度檢測設備，可以實時將濁度信號傳輸給PLC，通過PLC給出的信號使全自動PAC投加系統準確地調整加藥量。

出水濁度在線監測是指在清水池設置在線濁度檢測設備，可以實時將濁度信號傳輸給PLC控制系統，通過PLC輸出的反饋信號控制過濾池中氣水沖洗的頻次，從而使清水池出水濁度達到標準要求。另外濁度在線檢測數值也可以同時傳到調度中心，供管理人員判斷供水水質。氣水沖洗的頻次也同時通過檢測濾池水位來控制。

余氯在線監測同濁度監測類似，在二級泵房出水管處設置余氯在線檢測設備。余氯在線監測儀可以在線監測清水池余氯含量，如果余氯含量不達標，則通過自控系統可以反饋到次氯酸鈉發生器，自動調整次氯酸鈉溶液的投加量，從而使清水池出水的余氯含量達到國家標準（GB5749-2006）。

2.2 設備自控系統建設

為了更好地統籌、管理水廠制水工程的泵、閥門、電機等設備，并實現全線制水科學、智慧化的調配和輸送管理，建立一套自動化控制系統，從而對水廠的各種水泵、真空泵、閥門進行自控控制和連鎖控制，同時采集水廠的各工藝運行參數，實現對制水的全過程監管。自控系統還可以監測各水泵的出水壓力、總管水流量、吸水井和清水池的液位等參數。

自動化控制系統是以PLC控制為基礎的集散型控制系統。正常運行時現場不需要人員值守，由控制中心集中管理。

系統設備控制分四級實現，即運行管理調度級（后期）、水廠駐地控制級PLC主站控制級、就地PLC從站控制級和就地手動控制級。上、下控制級之間，下級控制的優先權高于上級。對應主要設備控制模式分為三種：聯動控制方式、點動控制方式和手動控制方式。

2.3 調度中心建設

在大村鎮駐地水廠設置調度中心，具體就是對原有監控中心進行升級改造，對墻面、配電、空調及防雷接地等進行升級。調度中心設置服務器1臺，管理工作站1個，服務器機柜1臺。

2.4 絮凝池改造

現有絮凝池為六格式旋流結構，根據計算，不滿足絮凝反應的需求時間，需要在原來6格的基礎上增加絮凝時間，把6格分為12格，這樣絮凝時間增加了1倍，能滿足絮凝的時間要求。

2.5 濾池改造

駐地水廠的設備間空間受到限制，過濾區域空間也受限，不適合新建V型濾池和普通快速濾池，原來的虹吸的力量不能將砂層淤泥及堵塞物排出，而氣水混合動力反洗可以徹底地洗干凈砂層，因此把原來的無閥虹吸濾池改為氣水動力沖洗濾池，以達到最好的過濾效果。

2.6 消毒系統改造

大村鎮駐地水廠采用的消毒設備，是采用工業鹽酸制備的二氧化氯進行消毒，但鹽酸是危險化學品，運輸、儲藏均不方便，因此造成目前雖然有消毒設備但卻沒有消毒原料的情況，從而造成清水池的水無法進行消毒。

目前國內除了采用二氧化氯消毒溶液消毒外，還可以采用次氯酸鈉溶液對飲用水進行消毒。這種消毒有兩種方式，一種是采用成品次氯酸鈉溶液，另一種是通過常用的氯化鈉水溶液進行制備。成品次氯酸鈉溶液運輸和儲藏都需要成本，雖然前期投資較小，但長期來說不是很方便；通過氯化鈉水溶液進行制備的方式雖然前期投資較大，但后期成本很小，適用長期使用。

本項目在加藥間建設一套次氯酸鈉發生設備，通過氯化鈉進行制備的方式進行消毒。

2.7 絮凝劑投加系統改造

現有的PAC制配和投加系統均為人工手動操作，絮凝劑數量投加不準確，從而會影響絮凝效果。如果絮凝劑投加多了的話，水中會有很多泡沫，失去了絮凝效果，如果絮凝劑投加少了就不會產生礬花，也起不到絮凝的效果。更換全自動PAC制配和投加系統，通過PLC根據產水量自動控制絮凝劑使用量。

2.8 提升泵房改造

大村鎮駐地水廠的提升泵房位于水源地（白馬河）西岸，與水廠的直線距離為2000米左右。由于水廠在初建時沒有考慮自動化控制和數據采集等系統，提升泵房與水廠沒有通信線路。目前提升泵房的控制完全由人工控制，浪費了人力資源，因此設置PLC自控系統，并通過運營商無線信號（如GPRS、4G）與水廠調度室進行通信，從而實現整個制水設備、系統的閉環控制。

3 結語

本改造工程建成后，能徹底解決大村鎮幾萬人的飲水困難問題，還能供大中型鄉鎮企業生產用水，對促進地方農業的發展和加快該地區城鎮化建設的步伐具有重要意義。本項目是農村供水環節中的典型工程，通過本項目的實施，可以為青島市農村供水改革提供實踐經驗，為后期水利大數據平臺提供基礎。

農村供水工程與農村人民的生活及農業的發展息息相關，不可分割。而農村人民的生活質量是農村發展的風向標，所以農村供水工程改造更應該得到全社會的重視。對農村供水工程的改進和發展，在很大程度上能夠促進農業發展和農村人民的生活和諧。