第十七讲：信息技术在农村饮水工程建设管理中的应用

主讲人：刘树波

一 概述

随着信息技术的发展，传感器技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通信网络已逐步成熟，并且在城市供水工程中得到了相关应用。自动监控系统在国内外城市供水中应用广泛，管网监测系统在国外已有应用，国内刚刚起步。

信息技术在农村饮水工程中的应用特点是系统的集成度高、建设规模较小、造价低。主要目标是建设水厂工艺流程的自动监控监视和基于GIS的监测与管理系统，能够在计算机屏幕上准确监控监视生产流程，及时准确掌握供水的运行信息，包括生产流程中各环节的工作模拟，取配水泵的自动控制，设备运行各种参数监视，厂区安全生产监视，管道压力、余氯、浊度、流量、水位在线监测；监测数据实时显示和历史数据查询；管网资料的地图管理和查询；设备基础资料的管理和查询等。

信息技术为传统管理向现代化管理转变提供了科学手段，达到可视、可控、可调的现代管理水平，保证供水安全和供水质量。

二 信息系统集成

信息技术可以渗透到水厂的整个工艺流程中，从取水泵自动控制，到加药混凝控制，再到清水池水位监测，最后到配水泵、辅机控制，还可以延伸到管道压力、流量、水量、水质监测、泵等的运行参数监测、日常管理等各个环节。按照工艺流程可以将多个系统进行集成，如恒压变频供水系统与计算机监控系统整合对水厂的工艺流程进行监控，自动监测系统与管理系统整合对水厂运行管理，收费系统和视频监视系统可以利用计算机监控系统的网络传输数据和视频图像，如图1。

三 变频恒压供水系统

1.系统原理

变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。

图1 水厂信息系统集成框架

设备采用单泵或多泵并联的供水方式，用户用水量的大小决定了投入运行的水泵数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。当用水量降至某一程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由辅泵及小型气压罐供水。见图2。

2.关键设备

变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

实现电机变速运行，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

变频器的主要考核指标为：

（1）变频器的输入电源的电压和频率；

（2）变频器的连续额定输出电流；

（3）变频器过负荷能力；

（4）变频器的输出频率范围；

（5）变频器的载频频率范围；

（6）加减速时间范围；

（7）再生制动力矩；

（8）变频器的控制方式；

（9）为了提高变频器的运行特性和运行可靠性，变频器还应具有很多其他功能，如直流制动、失速保护、过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护及瞬时停电保护、定速运行、点动运行及避开谐振点等等。

四 计算机监控系统

典型的水厂计算机监控系统是在变频系统的基础上对生产工艺流程进行监控，涉及取水、水处理和配水整个生产过程。农村水厂由于规模较小可以对生产监控过程进行整合，将水厂取水、水处理和配水整合成一套监控系统完成。见图3。

图3 计算机监控系统构成

主要监控内容为：

（1）清水池液位监测；

（2）根据清水池液位高低控制取水泵软启动柜启停；

（3）消毒、混凝设备控制；

（4）变频恒压供水系统控制及参数采集；

（5）电磁阀、电动阀控制；

（6）电压、电流、电量监测；

（7）流量、水量、压力、水质监测；

（8）设备投运情况和运行状况，各点的运行参数；

（9）实时生产过程的图形化模拟。

监控计算机建议采用工业计算机，PLC（Programmable logic Controller）建议采用中小紧凑型PLC。

五 视频监视系统

视频监视系统是建设一套意外事件可追溯的可视系统，即可实时监看又可录像回放，主流是以嵌入式硬盘录像机（DVR）设备为核心，配摄像机、红外灯、云台、解码器等设备。目前该技术比较成熟。见图4。

图4 视频监视系统构成

六 基于GIS的监测与管理系统

农村供水管网管线较长，管道铺设路径多样，管线图一般不够详细，管线和设备的资料记录不够翔实，随着时间的推移，多数资料会缺失。通过管网管理系统的建设可以建设图形化的工程及设备管理，显示管道、设备等的技术参数、历史数据、地理坐标等，能够方便地进行数据查询等管理工作，若干年后也不会缺失。

通过压力、水质、供水量、设备运行等数据的实时采集、处理和传输，水厂可以实时监测工艺流程及管网的运行状况、供水质量、远程监控供水泵等。

1.实现功能

（1）基于GIS的管网布置和设备参数管理；

（2）设备基本资料查询；

（3）管网基本资料查询；

（4）供水管网管道压力实时监测；

（5）水量监测；

（6）余氯、浊度监测；

（7）管道设计更改等。

2.系统构成

基于GIS的监测与管理系统包括硬件和软件两部分，硬件由传感器、遥测采集终端（RTU）、供电单元、通信单元、管理计算机等组成。传感器包括管道压力传感器、氯传感器（二氧化氯传感器）、浊度传感器；RTU完成传感器信号的采集、处理、短时存储、发送功能；供电单元为信息采集点设备供电，以太阳能供电为主，包括太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器；通信单元采用超短波、GSM短信、GPRS、3G等。 见图5。

图5 基于GIS的监测与管理系统构成

3.关键设备

传感器包括：液位传感器、管道压力传感器、流量传感器（表）、余氯传感器、浊度传感器、pH传感器等。

RTU建议采用国产经过检测的设备。

电源包括太阳能电池板、充电控制器、蓄电池。

GIS平台建议采用国内或国外的成熟平台，小型应用优选国内平台。

七 系统建设中需要考虑的几个问题

（1）网络接入方式的选择；

（2）网络安全采取的措施；

（3）机房、电源、防雷接地等环境安全问题。

农村饮水工程中的信息技术不易采用过于复杂的技术，建设目标是集成度高、简单实用、低造价、低运行成本。