浅谈物联网技术在叶城县中水回用系统中的应用

孙 骁，肖文云，谢智海，普 昕

（甘肃省膜科学技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730020）

1 概述

随着人类社会的进步和大数据、云计算、人工智能等尖端技术的不断发展，物联网技术在日常生活的应用范围也越来越广泛，医疗设备、交通运输、工业制造、环境保护等行业中物联网的应用也越来越普遍。物联网（Internet of Things）技术的核心理念是“万物互联”，是对互联网技术的拓展和延伸运用，它通过不同类型的传感器来对物理世界中真实存在的物体进行感知和识别，并通过网络作为介质对所识别的信息进行监视、定位、处理和控制，实现了对现实世界精准感知和科学管控的目的。

叶城县地处新疆维吾尔自治区西南部，近年来为响应国家保护环境，改善水生态环境的号召，专门建设了排水防涝、中水回用的工程项目，目的是将经叶城县污水厂处理后而形成的中水，根据实际情况通过管网用于县城不同区域的园林灌溉和道路保洁，既可以实现水资源的再生利用，同时还能产生经济和社会效益。为了保证整套设备的稳定运行，中水回用系统内设有若干变频水泵、比例调节阀以及压力变送器、电磁流量计、液位计等仪表，这些水泵、阀门的实时状态和仪表反馈的数据是供水调度系统中重要的监控内容，传统PLC（可编程逻辑控制器）+上位机（计算机）控制系统[1]能实现的监视和控制功能已经无法满足调度系统的日常工作需求，为增强供水管网运行安全性，准确把握供水管网的运行状况，需要建立一套基于物联网技术的“中水回用远程智慧监控系统”，从而提高中水调度的工作效率和科学管理水平。

2 中水回用监测系统构成

叶城县中水回用系统主要由三座加压泵站、管网上安装的电动比例调节阀以及压力、流量、液位等仪表构成，1号、2号加压泵站位于污水厂内，污水厂处理过的中水同时输送到1号、2号加压泵站内的调节水池，2号泵站通过变频泵向远在叶城县郊外的400万方中水库输送中水；1号泵站则负责为泵站至火车站沿线的道路保洁和园林灌溉供水的同时向3号泵站内的调节水池蓄水，3号泵站则作为中继加压泵站向距离更远的开发区沿线的道路保洁和园林灌溉供水。其中所有泵站内的加压泵已经通过变频器、PLC和安装在调节水池的液位计实现自动控制，系统可以根据调节水池的液位高低自动调节水泵的频率，从而满足县城不同区域不同时段的供水需求，整套系统的流程图见图1，图中字母A代表电动比例调节阀、字母B代表加压泵站、字母C代表电磁流量计、字母D代表压力变送器。

图1 中水回用监控系统流程图

下面从感知层、网络层、应用层[2]3个层面来详细介绍中水回用远程智慧监控系统的构成。

2.1 感知层

在物联网系统中，首先需要做的就是对外界环境信息的识别和收集，而负责此类功能的工具就是感知层，它通过传感器来实现对设备状态和运行情况等信息的采集，传感器可以及时将外界信息传递回调度中心来进行分析处理。

叶城县中水回用监控系统中的感知层由3个液位计、5个压力传感器、2个电磁流量计和15个阀门执行器（用于反馈电动调节阀的实时开度和故障信号）组成，3个液位计安装在加压泵站内，其他传感器和阀门则根据实际不同的地理安装位置设计了相应的数据采集箱和就地控制箱，由于电动阀门和部分传感器安装于阀门井内，有被水浸泡和返潮的风险，故本项目中所用电动阀门和传感器防护等级均选择IP68等级，以保证极端情况下设备的正常使用，减少维护成本，阀门、水泵就地控制箱和传感器数据采集箱具体位置见表1。

表1 中水回用监控系统传感器位置

2.2 网络层

数据被采集到传感器之后，可通过传输介质将感知层采集的数据传送到应用层，而这个传输介质就是所谓的网络层，网络层核心功能就是传输。常用的网络层传输方式分为有线和无线两种，有线包括信号电缆、网线等等，无线则包括家庭局域网、电台以及移动通信网等。由于叶城县中水在线监控系统的远端设备地理位置都在县内且较为分散，有线通信成本较高，故采用无线移动通信网（即GPRS/4G网络[3]）来实现数据的远程传输。

为此先在供水公司调度中心配置专线网络，申请固定的IP地址，并在调度中心安装工控机，通过工控机访问云端服务器上的物联网监控软件，其次在表1中的水泵、阀门控制箱以及仪表数据采集箱中安装远程测控终端RTU[4]（Remote Terminal Unit），RTU是基于无线通信网络实现远程数据采集、传输及控制的智能终端设备，每个测控终端内安装一张开通了GPRS/4G业务和短消息业务的SIM卡，通过公网组网将采集的传感器数据传送至调度中心，通过监控软件显示出来，并根据反馈回来的数据实施不同的供水策略，真正实现中水回用系统的远程监控。不仅解决了城区供水点分散、数据采集困难的问题，而且降低了建设期的投资成本和建成以后的运行成本。水泵、阀门控制箱和仪表数据采集箱的规格、远传硬件配置和具体功能见表2。

表2 中水回用监控系统远程控制终端配置详情

2.3 应用层

应用层顾名思义，就是对通过网络层传输过来的感知层数据的应用，具体包括对采集来的数据进行监视、控制、优化和自治。在叶城县中水回用项目中的应用层指的就是配置在供水公司调度中心的工控机以及安装在云端服务器上物联网监控软件，云端服务器采用在主流平台上购买的云服务器（4核8 GB企业级实例C6系列V），监控系统所有用户数据都存储在云端服务器上，不仅增加了数据的安全性、也降低了对调度中心的硬件配置要求；物联网监控软件采用B/S[5]（Browser/Server，浏览器/服务器）结构，具有良好的扩充性，用户使用浏览器或手机APP即可使用，操作简单，维护方便。应用层为各职能工作人员提供相关信息服务，工作人员可以在软件上对整个中水回用系统运行情况进行统一监管，并可对各项监测内容进行分析、存储和决策。

3 中水回用监测系统实现的功能

中水供水调度中心设置在水厂调度室，实现对泵站水泵频率、调节池液位、供水管线压力、流量、阀门开度等数据的实时接收，并通过屏幕进行动态显示，以便对数据进行分析、存储与管理，为供水调度工作的合理决策提供支撑，具体可实现以下几方面的功能。

3.1 实时监控

监测系统以管网分布卫星地图为背景对各测点进行定位显示，基于卫星地图直观显示各测点位置的分布情况，流量、电动阀状态信息及警戒（流量、压力、电动阀故障）信息；泵站总览界面以三维组态形式展现水泵运行状态，运行电压、电流、电量，出水压力、流量、水池液位等相关数据，操作管理人员可通过不同终端（工控机、手机、平板）随时随地访问监控系统，大大增加了管理的便捷性。

当系统检测到异常状态时（即泵、阀门故障、压力异常、水位过低、通信中断等），会在系统主界面动态显示并发出声音报警，提醒操作人员及时处理。维修人员也可以通过实时卫星地图直接导航至故障点维修，降低运行维护的时间成本；管理人员通过鼠标直接选择某测点可进入测点详细信息显示界面查看该测点的详细数据，也可以通过操作界面直接对远程设备进行操作和设置，如调节泵的频率、阀门的开度等，中水回用监控系统主页如图2所示。

图2 中水回用远程智慧监控系统主页

3.2 智慧管理

叶城县污水厂每日处理得到的中水量有限，无法完全覆盖供应整个县城的保洁和灌溉所需水量，因此需要操作人员根据不同片区不同时间的供水量和实时管网流量、压力、调节池水位等数据来综合判断，通过调节水泵频率，阀门开度来科学有效地保证中水的可靠调度，后续在积累了对每日不同地段用水量以及相应的供水策略的数据、曲线、报表后，还可以在监控系统中加载具有不同功能的自动化程序模块，如通过检测中水流量和压力来自动调节供水量大小的供水模块，或是通过检测土壤潮湿度来判断管道是否爆管的预警模块等，以便不断提高自动化程度，减少人工管理成本。

4 结语

叶城县中水回用在线监控系统自2021年12月建成使用以来，初步实现了中水回用的智能化，和传统的监控系统相比更为安全、可靠、便捷。通过检测，目前中水回用的各项指标均满足国家要求，中水的利用率也有所提高，达到了预期的目的。未来物联网技术的广泛使用是社会发展的必然趋势，唯有通过物联网等新技术的应用，不断提升自己的服务水平，各行各业才能在市场洪流中站稳脚跟。