洛川县农村饮水安全自动化监控系统的构建与应用

胡 孟 ，李 瑛 ，李晓琴 ，邵北涛 ，韩刘刚

（1．中国水利水电科学研究院，100048，北京；2．陕西省水利厅，710004，西安；3．陕西省洛川县水务局，727400，延安）

农村饮水安全工程是一项重大的民生工程。随着农村饮水安全建设力度的加快，农村饮水安全的工作重心不可避免地要转移到运行管理上来。传统依靠人工现场操作和监管的模式已越来越不适应今后农村供水的发展要求。为实现安全、可靠、经济和高效供水，丰富行业监管手段，提升农村饮水安全现代化水平，迫切需要使用自动化和信息化手段，建立适宜的农村供水监控系统。

一、系统建设概况

洛川县位于陕西省延安市南部，地处渭北黄土高原沟壑区，村民居住分散。1994年，严重缺水的洛川县将水利局改建为水务局，建立了全国第一个县级水务局，实现了一龙管水。2007年以来，洛川县根据地理条件，结合省市提出的板块推进和三年实现饮水安全的总体要求，实施了“七大、五小、四十五个单村”的工程建设格局，形成了全县农村供水统一水价的整体局面。

2011年开始，为进一步提高农村饮水安全工程的精细化管理水平，推动农村饮水安全现代化，在相关项目的大力支持和省水利厅协调配合下，选择洛川县的吴家河和老庙水厂，建立了水厂自动化监控系统及洛川县农村饮水安全自动化监控中心。

1.吴家河水厂

水源为吴家河水库，设计规模1 480 m3/d，设计人口2.7万人，覆盖3个乡镇。采用一体化净水器水处理和二氧化氯消毒。水库水通过自流输送至吴家河净水厂，净化消毒后进入清水池；通过第一次加压输送至师家塬加压站；通过单独加压系统输送至上圪崂蓄水池。通过师家塬加压站二次加压输送至吴家河供水总站，第三次加压输送至纸村加压泵站，第四次加压输送至靳家塬加压站，再次加压输送至上洪福高位蓄水池。在吴家河供水总站、靳家塬加压站、上洪福高位水池均通过重力自流的方式为附近村庄供水。

2.老庙水厂

水源为拓家河水库，设计规模1 480 m3/d，设计人口2.8万人，覆盖3个乡镇。采用一体化净水器水处理和次氯酸钠消毒。水库水通过水泵提升到输水沟道，自流至北高阳泵站，加压抽送到老庙净水厂，净化消毒后进入清水池。二次加压送至槐柏配水厂，经过加压输送至统将供水站，再次加压至南两坑高位水池。灵王及白草灵减压调蓄池、南两坑高位水池等通过自流方式为附近村庄供水。

二、系统总体架构与功能设计

1.系统总体架构设计

吴家河和老庙水厂供水监控系统包含自动化监控和视频安防两个部分，通过多种通信手段汇总到水厂中控室，再向县级监管中心上传实时数据。对吴家河和老庙水厂组建自动化监控系统和视频安防系统，同时在洛川县水务局建立区域级自动化监管中心。水厂级监控系统通过传感器和控制器对水厂相关设备、设施和参数进行采集和控制，并通过适宜的通信方式上传汇总到水厂中控室。

水厂监控系统，主要由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括：控制（配电）柜（箱）、传感器、工控机（服务器、PC）等。这些设备通过适宜的通信方式与监控系统相连，并通过专用软件进行水厂运行状态的监控。

县级监管系统，实时汇总水厂监控信息，进行区域地图编辑管理、组态设计等，并尽可能整合其他水厂的既有自动化系统。县级监管系统在水厂监控系统之上，一般只做数据的收集，并不往下控制。

2.系统功能设计

（1）水厂监控系统

①通过PLC控制柜对净水厂、泵站的主要参数和设备运行状态实时监测；包括水位、压力、流量、水质、电量等参数以及水泵运行状态等。

②通过PLC控制柜使多级泵站之间按照设定的水位限值完成联动控制。

③通过管网中间点和末梢点的数据采集，完成压力、流量、水质等参数的实时监测和上传。

④通过组态软件显示净水厂、泵站、管网中间点和末梢点的实时数据，完成数据统计、报表制作以及报表输出等。

⑤监控系统能对内部信号、外部信号、故障等作出及时响应，并完成预定操作；系统自动记录设备故障信息，具备完善的报警功能。

⑥系统能保存必要的历史数据，并对历史数据进行分析、处理、统计和存储，具有趋势图、日志管理、历史数据查询等功能。

（2）县级监管系统

①基于GIS地图的设施管理及相关业务数据展示。基于多种地图格式展示所辖区域范围内供水工程的相关信息。利用GIS、WebGIS技术，建立面向多个层次的区域监管地理信息系统，实现基础地理数据、工程信息、覆盖范围、管网分布、相关设施资料及项目管理数据的入库、编辑、查询、统计等，实现数据共享。

②水厂实时监控。对已实施自动化监控的水厂，可对所属区域水厂的运行状态、水源、取供水量、水质、输配水管网状态以模拟现场环境的方式进行实时展示和视频查看，远程实时动态了解水厂的运行状况。

③供水信息管理。对未实施自动化监控的水厂，通过水厂静态数据的录入和及时更新，实现信息化功能。对工程概况、运行管理、档案资料、历史数据等进行统一管理。

④系统管理。包括组织机构管理、用户、权限、系统帮助和意见反馈。

⑤通过智能移动终端，随时随地了解水厂的运行状况。监控系统支持智能移动终端登录访问的功能，通过自主研发的软件嵌入到移动终端，用户可以随时随地了解管辖区域内水厂的运行情况。

三、硬件选型与制作

1.选型要求

水厂自动化监控相关传感器、通信模块、控制器和相关配套模块均采购现有的成熟设备。对于压力、流量、水位和电量等传感器，优先考虑国产设备，尤其是内部关键零件进口、整体国内组装生产的传感器。对于流量计，考虑到现场施工方便，优先选用超声波流量计。

水质传感器考虑到一次性价格及后期维护管理，优先采购国产设备，通过对水质监测柜的综合设计，尽可能消除相关仪表的一些限制，如根据电极定制流通槽，控制水流速度提升监测效果。

对于关键部位和环节的控制器（PLC）、重要通信模块，则考虑选用进口设备。对于重要的电源转换模块，首先考虑稳定性，再考虑经济性。

2.监控柜设计

根据实施要求，专门设计了水源、水厂（泵站）控制柜以及水质、管网（末梢）数据采集柜。水厂、泵站控制柜集中汇集水厂、泵站的供水信息；管网、末梢数据采集柜以数模转换模块为核心，将所测信息上传至水厂监控系统。

水源控制柜，由AC-DC电源、PLC、模拟量与数字量采集模块、通信模块、继电器和辅助配件等组成。支持接入水位计、流量计、压力与电量传感器和水泵开关状态信号；对水泵的启停输出控制信号，具备向上位系统通信的功能。

水厂（泵站）控制柜，其组成与水源控制柜相同，支持本地接入水厂流量计、清水池水位计、压力与电量传感器和水泵的开关状态信号，对水泵启停输出控制信号。对于吴家河和老庙供水总站控制柜，不仅支持本地相关设备的接入，同时还要支持子站的数据接入汇总。

水质监测柜，由AC-DC电源、水质监测传感器表头、微控制器、断路器和辅助配件组成。通常安装在水厂内部，通过微控制器的数字通信接口，直接接入现场总线。支持接入pH值、电导率、浊度和消毒剂余量等传感器信号。水质监测柜还具备遥测、招测等功能。

管网（末梢）监测柜，由AC-DC电源、模拟量与数字量采集模块、通信模块和辅助配件组成。主要提供对管网的压力、流量和部分水质传感器的接入，具备向上位系统通信的功能。

四、通信网络设计

1.通信模式

水厂监控系统，通常包括有线和无线两种通信方式。对于传感器到控制柜的局部通信，由于距离短，一般采用有线方式。对于控制器（子站）到水厂中控室，则需要根据实际情况选择。如果距离在100 m以内，可使用双绞线方式的工业以太网。如果距离较长且现场布线较易，可考虑主干网络使用光纤、局部使用双绞线的工业以太网。如果距离虽短但布线不便或距离较远时，可考虑使用无线通信方式。

2.水厂通信

水厂系统主要以主控制柜作为汇总中心，向下采集下位系统或传感器的数据，必要时发送控制指令；向上发送实时数据或接收控制指令。

吴家河、老庙水厂监控系统以供水总站为中心，以净水厂、多级泵站为子站，建立总站和子站之间的无线通信网络。供水总站通过轮询方式，扫描每个子站的运行状态或下达控制指令。吴家河水库由于阻挡原因，无法与总站直接通信，实施改造后由吴家河净水厂的一个子站通过局部无线通信，数据汇总到净水厂的控制器中。

对于吴家河管网及末梢监控，则是独立的无线轮询扫描，使通信更加稳定，缩短通信周期，增大数据更新频率。

每个子站内部，传感器到控制器的通信，通过有线的现场485总线方式进行。其中部分模拟量传感器（如压力、水位等），通过4～20 mA电流信号传到模数转换模块进行采集。

吴家河或老庙供水总站内部，建立了一个基于以太网络的通信系统。不仅可将总控制柜的供水信息汇总到水厂中控室，还可汇总视频监视信号。

3.水厂级系统到县级系统的通信

水厂级监控系统到区域监管中心的通信，由于距离远，通信一般基于互联网系统。洛川县农村饮水安全监管中心设有光纤接入分配的固定IP地址的网络环境，可汇总吴家河和老庙供水系统的监控信息。

由于此通信网络基于电信基础设施，要考虑通信中断或其他异常情况。因此，从数据层面，水厂级监控系统有自身的内部数据库进行本地数据的存储。而水厂级到县级系统之间，通过专门的通信中间件进行数据安全可靠传输，并能在异常恢复时自动补偿历史数据。

五、系统技术特点

洛川县农村饮水安全自动化监控系统，由于覆盖范围广、地形起伏大、供水工艺复杂，且自动化程度要求高，因此在设计和实施过程中，采取并形成了多项专有技术。

1.专门设计了一体化监测柜

对多种指标水质监测仪器 （浊度、pH值、电导率、余氯）和其他参数监测传感器（水量、水压等）进行了集成汇总，形成专门的一体化监测柜。支持统一的标准通信接口，支持远程招测，安装维护方便，经济性能好。

2.攻克“泵宝”远程控制接口

吴家河水厂的靳家塬加压站，水泵驱动使用了一种集成控制器 “泵宝”。这与其他泵站使用的软启动柜完全不一样，“泵宝”体积小，使用触点的方式进行控制，并且做了明显的接入防护，外界接入控制开关接通电阻要小于0.1 Ω。通过现场多次测试和实验，最终通过改造“泵宝”电路板实现本地PLC控制的接入，使靳家塬加压站的远程控制得以实现。

3.水厂中控室工控机的网络隔离

水厂中控室的组态监控，是整个水厂唯一可以下达远程控制指令的监控系统，但又要与县级监管系统进行数据汇总。为使系统安全可靠，同时数据又可往上传输，在水厂中控室建立了两个互相隔离的网络，一个是自动化监控网络，另一个是接入办公网络并可以访问互联网。两个网络通过中间一台双网卡计算机，并定制专门的隔离软件对自动化实时数据进行转发，既实现水厂监控系统到县级监管系统的安全通信，又满足本地网络的安全。

4.县级监控中心的多个投影图像无缝融合

为达到更好的检测效果，区域监管中心需要大屏幕显示。传统的电视墙及配套图像控制系统成本高昂，不适合农村供水。本系统使用多个投影仪配合专门的视频融合技术，在显示效果很好的同时大幅度降低了实施成本。

县级监管系统还可以支持智能移动终端设备，远程实时监测各个水厂。

5.利用多种通信技术和自主研制的通信中间件

系统用到了不同频段的无线通信，电压、电流传感器模拟量信号和基于双绞线和光纤的工业以太网通信。水厂级监控系统到县级监管系统，通过互联网实现。为使通信安全可靠，同时考虑到通信有中断的可能，专门研制了安全可靠的通信中间件。不仅对数据进行加密发送，同时还考虑到通信中断时，本地变化数据的临时保存。当网络恢复正常时，自动恢复通信链路，并且在实时数据优先发送的间隙，补充通信中断时记录下来的历史数据。

6.自主研发农村饮水安全监控组态软件

自主研发的农村饮水安全监控组态软件，组态搭建更加便捷；涵盖了大量的农村供水工程图件，界面更加友好美观；支持工业自动化标准接口，不仅具有传统工业组态软件功能，同时还具有Web方式的实现和访问。允许用户在线编辑组态界面，可接入无限多的监控点。理论上而言，通过系统的软硬件扩展，可支持全国所有水厂自动化实时数据的接入。本组态软件不仅支持PC方式访问，还支持智 能移动终端的访问。

六、结 语

随着农村饮水安全工程建设任务的实施和加快，农村供水工程管理工作的重要性日益凸显。为实现安全、可靠、经济和高效供水，丰富行业监管手段，提升农村饮水安全现代化建设水平，对适度规模（如千吨万人）的供水工程实施自动化监控已势在必行。随着自动化技术的发展和人们认识水平的进一步提高，自动化监控技术必将稳步发展成为农村供水的核心技术，其他供水技术在自动化、信息化的统一监管和整体布局下，才能发挥更大的作用。

自动化监控专业性相对较强，为提高系统的实用性、经济性、可操作性，在农村水厂监控系统构建前，应明确项目建设目标和实际需求，在此基础上，做好系统的总体架构设计和功能设计，选择适合当地需求的传感器等硬件，结合当地的地形地质条件和通信基础设施，选择适宜的网络通信方式。

系统实施后，要加强技术培训，使懂计算机操作的基层人员能运行操作系统并简单维护。同时，要定期更新维护升级系统，使系统能长效发挥作用。

[1]中国水利水电科学研究院，陕西省水利学会，北京讯源科技有限公司，等．陕西省洛川县饮水安全工程自动化监控系统推广应用项目实施方案[R]．2012．

[2]胡孟，等．农村饮水安全工程自控系统设置标准研究[J]．给水排水，2010（2）.