全域自然村集中供水工程中的自动化控制技术

罗明

（广东平建建设集团有限公司，广东梅州 514011）

1 工程概况

某集中供水项目分两个阶段进行，第1 阶段，需建设3 口供水井，装配3 台抽水泵，2 座500 m3的水库，架设供水主要管道12.6 km，管理供水井房16 座，供水领域涉及24 个自然村，关联人口有33 637 人，面积达62.3 km2。水源井设立在西梁村吕梁山西山脚下，水井距水库3 km，将水库至调压水库架设12.6 km 的送水主要管道，水分至16 座管理井房供应到用水村，再分配到每户。第2 阶段，需建设供水井2 口，水库3 座，架设主要送水管道8.21 km，建造管理供水井房26 座，供水范围达26 个村庄，关系到用水人数达40 973 人，面积58.8 km2。架设送水主要管道8.21 km。

2 自动化控制系统建设的必要性

由于聚集供水送水点相对分散，且位置处于偏僻的山区，水库提水路程远，供水辐射范围广，送水管道长，分流管道多达40 条，水井房控制数据的统计是烦琐的。若根据过去供水项目控制，各供水村、各支管道、水源进水泵、水库水量、主要管道都应部署专人进行巡逻、抄表、开水泵、开阀门、进户收费等。按各村2 名村级管理人员计算，主要管道每5 km 需配置1名巡逻人员和4 名设施维修人员，水源地、水库、核心站都需要不同数量的报告、统计以及水泵管理等职位，至少需要120 名管理人员才能开展各项工作。根据各月或季度抄表收水费来看，快速结束1 次收费任务需要5～10 d，耗时长、精准度不高、收集数据不能及时汇总统计且不能按时提供。通过自动遥控智能技术，可满足节省人力、降低误差、高效率、评估及时、摄像监控、实时处理故障的需求[1，2]。所以，自动化控制系统的建设对合理有效管理供水具有重要意义。

3 自动化控制技术的组成及功能

3.1 自动化控制技术的组成

供水工程自动化管理技术主要包括：监控中心软件技术、水源水泵功率管理技术、水库水位管理技术、管网压力监测技术及水村闸阀流量控制技术。各子技术包括：控制器、被控目标、运行技术及变送器4 个枢纽，分别完成所需功能，合理配合，相互联系，最后通过GPRS 网络远程进行数据传输，将数据传至监控中心汇总展示。

3.2 自动化控制技术的主要功能

1）远程调度功能。应用自动化控制技术可以通过西门子6ES7212 型号的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在电脑显示屏上进行远程操控，对相关设备设施的运行状况进行了解，不再需要工作人员到现场巡视。

2）故障预警功能。利用数控压力表将数据进行遥控传输，当压力低于或高于预定数值时，发出预警信号并显示故障位置。按照显示器上显示的方位，操作人员可实时到现场处理。

3）数据统计分析功能。通过数据统计分析技术，可以通过水泵开机时数、用电量、出水量、供水效率、水费等参数，分析高峰低谷用水量变化情况、管网漏损率、水费回收率等，为决策管理提供资料。

4 自动化控制系统的实现

4.1 系统结构

供水系统的取水、输送功能的启动关闭由旋流沉淀池或蓄水池（清水池和高位调蓄池）控制，而旋流沉淀池或蓄水池（清水池和高位调蓄池）水位监测则采用超声波液位计和投入式液位计配合进行，以提高水位监测的准确性，为自动控制水厂调整加压水泵的启停和台数的确定提供可靠的数据参考。监测水泵站、配水泵站运行情况，确定水位数值，调整确定自动控制系统的状态阈值，自动化控制水泵，精细化管理。

为了保证供水工程的稳定性，水厂计算机自动化控制系统应用分布式结构，整个自动化控制系统主要由水厂主控层与设备现地层构成，前者组态软件为平台与基础，实现对自动化系统的控制与调整，而后者基于以太网，保证数据传输的有效性。操作人员在主控室监控服务器端进行操作，启动仪表仪器，依托直流24V 开关量信号及4～20 mA 模拟信号，连接PLC，将控制参数和内容传递至PLC。

4.2 系统设计

4.2.1 水厂自动化控制系统

主控层是水厂自动化控制系统的基础，由主控室监控服务器、路由器等部分构成，利用网络交换机实现与现地层的通信，将设备运行参数传递到PLC，输入指控命令，并监督命令的执行情况。现地层是水厂自动化控制系统的最后一级控制，主要构成部分是现地控制单元，对上负责接收主机与服务器工作站的命令，反馈现场情况，执行命令；对下负责接收各个测试控制点的运行参数与状态，收集信息（见图1）。

图1 自动化控制系统构成

自动化控制系统控制权限的切换采用软硬件闭锁相互配合的方式，为每一个控制分站配置一套现地控制单元（Local Conrtol Unit，LCU），并选择在LCU 内部设计“现地/远方”切换把手，将每一个分站的LCU 主屏布置在主控室内，实现现地/远方控制，提高控制效率。现地层的PLC 系统是整个水厂自动化控制系统的关键，通过PLC 内部的逻辑处理，不仅可以保证各项工艺平稳有序开展，实现测控的交互，还能清楚地显示设置在供水工程现场的各项设备的情况，采集测控点数据，确定仪表的运行参数，当各项设备运行参数超出上下限安全阀值后，还能在第一时间进行报警提示。

4.2.2 管网监测系统

官网监测系统的主要功能是收集各节点的流量、压力参数，并通过GPRS 网络传输机制，将各传感器的采集数据传输至附近基站，而这些基站多设置在供水工程辐射范围村落的中心位置，由基站对采集数据进行TCP/IP 封装，再进一步将处理数据反馈到水厂控制中心，水厂控制中心借助分析设备对处理数据进行分析研究，确定管网运行状态。采用ZigBee无线网络传感器采集各个控制性节点的流量与压力参数，采用集成度优越的GPRS （GSM/DCS 双频模块P1ML—900/1800）将采集数据传输到基站，进行数据的TCP/IP 封装，能够实现对供水工程全天候、高效率的自动化监测与数据传输，提升水厂管理的自动化管理水平。

4.3 自动化控制技术在供水管理中的应用

4.3.1 自动上水装置的应用

水泵与高位水库水位相连，输入水位传感器三向力原装DC26 装配在水库内侧壁，距池底3～5 cm。上限水位通常设置为3 m，通过信号线连接采集控制器，采取GPRS 网络连接监控控制中心。将井口出水处装配1 块远程水表，控制模块利用数字信号进行水流量统计，泵房里设置驱动柜、智能遥控器以及收集管理设施，将信号线、控制线接入收集设施组，利用GPRS 网络接入监控控制中心。设置成自动管理时，控制中心站管理收集水库水位，若水位比预定数据低，可以自动检验水泵的电流、电压和水位。满足启动要求时，自动控制水泵开启，并自动将水库的电流、电压、出水量、水位输送回总控制室。

4.3.2 用水村闸阀自动开关的应用

压力传感器装配在供水管网的主管道上，用于勘测输水过程中管网的动态和非动态压力值。装配远程计量水表，计量各村用水量。装配可调节电动闸阀，通过总控制中心计算机，将安装在用水村分水控制室内的智能控制器进行预置水量，并及时收集远传水表的脉冲信号，当预置水量不足时，控制器发出指令关闭电动闸阀，切断该管线用水村的用水，待用户续交水费后电动闸阀启动供水。

4.3.3 自动报警数据统计等辅助功能的应用

中央监控软件由北京三维力控PCAuto 组态软件开发，监控软件利用无线GPRS 网络完成和水源技术、水库水位技术及用水村远程控制技术的远程通信，收集传送各管理点的设施参考值，集中监督、防盗报警，主动产生报告和历史数据查看等辅助功能。可查看具体村、具体时间的用水量，用水量高峰在哪个月，计算每人用水量，分析取水和用水量比例等。

5 自动化控制系统效果分析

5.1 降低管理费用

原供水工程管理运行人员有15 人，实施本项目后，主控中心能够对运行参数进行显示，对所有重要设备进行监测，因此管理、值守、巡检人员降低到6 人，降低了劳动强度，年管理费用减少20 万元人民币。

5.2 提高供水保证率

应用自动化控制系统后，PLC 单元根据运行参数的不同，计算机按照预定的程序和阈值，及时、精确地对设备进行优化管理，提高了设备性能。因为系统速度快、智能化，能及时察觉故障征兆，并能迅速、自主地移除故障设备，执行报警功能，防止故障恶化扩大，使设备得到及时维修和更换，有效减少了设施故障以及修理维护费用。通过数据库查询运行时的故障数据，有助于对故障性质和原因进行分析，防止类似事故的再次发生，进一步降低维修维护费用。通过比较自动传输的管网实时采集数据和统计分析的用水过程，可以迅速确定各管段的供水状况，从而为及时、准确地发现并处理工程运行中的问题，提供了可靠快速的技术支撑。

5.3 实现可视化操作

自动化控制系统运行过程中的各种参数，可以通过图形用户界面直观显示出来，提高了数据的全面、准确与实时性。如水泵、电机运行时轴承温度，人工用温度计测量困难、数据不准、时间滞后，而采用自动化探测技术能直观显示并且记录。

5.4 实时统计和查询

水厂运行过程中，自动化控制系统利用图形、曲线、表格、趋向线等形式，主动创建实时数据库和历史数据库，显示、查看、打印数据库中相关数据及信息，不仅能摆脱人工查抄二次仪表后整理统计的工序，还可根据需要定时段实现统计查询和追忆，通过网络或报表形式快速传输，为决策调度提供数据。

6 结语

为有效使用地下高质量水源，充分保证农村用水安全，有效保证供水率，降低人工劳动强度，增强科学智能控制，利用计算机软件控制中心、自动管理技术、无线通信传送技术等，完成了对山区农村集体供水项目的远程智能控制，在确保用户及时用水的前提下，提升了供水点智能化控制程度，实现自主上水和给水、及时操控、故障警示、数据计算等功能，使项目运转控制便捷、科学合理，保证供水项目安全运行。