自动化技术在农村饮水安全集中供水工程中的应用

杜和景 尹国杰

（河北省南宫市水务局 河北南宫 055750）

随着自动化控制和信息化管理技术的不断发展，自动化控制和信息化技术正在工业生产、生活、公共事业管理等各个领域逐步推广应用。南宫市水务局在农村饮水安全工程项目中，率先采用了自动化控制和信息化管理技术，取得了明显成效。

1 南宫市农村饮水安全工程概况

南宫市位于河北省东南部，介于太行山至渤海之间，属黑龙港流域，为湖积冲积泛滥平原区。地处东经 115°15′～115°45′，北纬 36°06′～37°27′，东与故城、清河县以清凉江相隔、西与巨鹿为邻、南与广宗、威县相连、北与新河、冀州、枣强接壤。全市呈东南—西北长条形，长约 60km，南北平均宽15km，全市总面积854km2。

南宫市现辖有 15个乡镇办事处，共有 464个村（居）委会，人口 48万人，其中农业人口39.5万人，占人口总数的82.29%。

南宫市属于饮用水氟化物严重超标的地区，全市农村饮用水不安全人口最高达到 38万人，占农业总人口的96.2%。

为了彻底解决农村人口饮水安全问题，南宫市于 2006年委托河北省水利水电勘测设计研究院，编制完成了《河北省南宫市农村饮水安全“十一五”规划》。2007年底，经国家发改委、水利部批准，南宫市建设全国农村饮水安全项目示范县。2008年再次委托河北省水利水电勘测设计研究院，依据《河北省南宫市农村饮水安全“十一五”规划》，编制完成了《河北省南宫市农村饮水安全总体规划》。按照《总体规划》全市建成了 12座高标准联村集中供水厂，每座水厂供水范围 3-5万人，供水规模 0.24-0.4万 m3/天，全部采用了自动化控制技术和信息化管理技术，全天 24小时不间断供水。截止目前，较好地解决了346个村30万人的饮水不安全问题。2012年7月13日，南宫市被国家发改委、水利部正式命名为全国饮水安全示范县。

2 自动化控制系统

自动化控制系统由水源控制系统、二级供水控制系统、消毒控制系统和安全监控系统等组成。

2.1 水源控制系统

根据供水规模不同，每座水厂建有3-5眼水源井和1-2座500m3的调节池。每眼井配备一台200QJ50-130/10深井潜水泵和一台可控硅控制柜（功率 45千伏安），由调节池水位控制潜水泵启动、停止。最高液位时全部停泵，在运行中每台潜水泵根据预设液位依次启动。控制柜由变频柜附带液位控制装置，可自动控制，也可手动控制，同时具有短路、过流、过压、过载等多种保护功能。

2.2 二级供水控制系统

每座水厂安装6台二级200QJ32-39/3潜水泵，用一台恒压变频控制柜控制（11千伏安）。恒压变频控制柜可以实现手动与自动、变频与工频切换，手动工频可实现软启动；实现多时段、多压力供水功能以及对应时段的压力设定，实现定时开、停机，多时段不同压力供水；可以设定水位控制和最低水位保护，输出干节点控制深井潜水泵运行，实现多台泵的轮换选择功能。同时具备就多变频器故障指示及复位，工频故障及复位功能；配备标准通讯功能接口，实现远程开停机、远程设定压力、远程故障报警及复位功能。

供水系统为普通生活供水控制模式，可以完成系统中变频泵、工频泵的设定及自动切换逻辑，同时可以实现多时段恒压供水、定时换泵、故障泵的判断、报告及自动退出逻辑。

供水系统自动运行时通过 PID调节实现恒压供水，各加压泵循环变频软启、其中一台为变频泵，在不满足切换条件时该泵作为整个恒压供水系统的变量调节泵，由变频器控制运行并根据系统的实际流量，自动调节该泵的转速，以维持系统压力的恒定；当达到切换条件时，如果还有其它待机变频泵，该泵自动切换到工频运行，启动待机变频泵变频运行；如果没有待机变频泵，该泵保持变频运行，不作切换工频动作。当变频出现故障时，可以通过转换开关切换到手动状态，通过按钮工频启动任意一台或多台泵工频运行，这时可以通过启动泵的台数调节供水压力，以保证正常供水。

供水系统还可以设定休眠状态，当系统达到所设定的休眠条件时，系统进入休眠运行，并根据设定的项目压力以及偏差容量，自动进入或者唤醒休眠。同时供水系统设计了最完善的保护功能，包括热过载保护、断相保护、相序保护、相压不平衡保护、过流保护、水池水位过低保护、过高保护等，供水系统最大限度地考虑了各种保护措施，提高其可靠性。

2.3 消毒控制系统

二氧化氯消毒设备包括供料系统、反应系统、反冲洗系统、自动控制系统、真空吸收系统、安全系统及残液自动处理系统。

该系统具有反冲洗装置，反应器可随时、自动的进行反冲洗工作，防止反应器内有结晶或杂质的出现，确保了设备的安全性。设备配备了标准通讯接口，可以连接计算机联网监控，包括原料液位、反应罐温度、计量频率、动力压力等内容。同时可以把设备的运行状态远传至主控室，实现远程控制，多台设备的显示控制可在上位机同步实现。

2.4 安全监控系统

为保证水厂安全，水厂安装了计算机远程视频监控系统，该系统有一个监控中心和各水厂监控分站组成。监控分站安装在各个水厂，在水厂控制室、泵房大门口等关键部位安装 3-4台红外线一体摄像机和一台网络硬盘录像机，摄像机对要害部位进行实时监控，硬盘录像机存储录像视频，一般可存储近20天的视频资料。通过宽带网络，将各水厂视频图像实时传送到监控中心，在监控中心可实时监控和切换各水厂的视频图像。

3 信息管理控制系统

信息管理采用计算机远程测控系统，该系统由一个测控中心和在各个水厂设置的测控分站构成。测控中心通过中国移动的GPRS与各测控分站进行通讯，测控中心向各测控分站发送召测指令，各测控分站将水厂当前的运行数据和状态，传送给测控中心。测控中心也可以对各水厂测控设备发送控制指令，包括开、停机和压力调整等。

在监控管理中心对各供水厂生产及使用的整个过程进行实时监控管理，由前端机将水泵、变频器工作状态和水质、水量、电量、水压等实时数据进行采集，经中继通讯系统上传至中心站主机。并对电能消耗指标数据进行采集监控。中心站主机以 5分钟为周期向各前端站发出巡扫指令，接收回传数据。通讯系统采用双机热备份方式工作。中心站对各前端站采集数据进行汇总，放到数据库，经分析、处理形成图表信息，供用户监控、决策使用。系统软件具有如下功能：（1）日常界面，以表格形式，反映各点实时数据、时间、状态等，通过鼠标单击，显示该参量 24小时变化趋势。（2）过程曲线：压力曲线、流量曲线。（3）报表系统（压力、流量日报表和供水量日、月、年报表）。（4）数据查询。可对任何指定历史时间的压力、水量、水质情况进行查询。（5）报警功能。

4 运行管理及效果

由于水厂采用了全自动化控制和信息化管理技术，南宫市的饮水安全项目实现了工程建设现代化；工程控制自动化；运行管理信息化、智能化。在运行过程中采用最新的软硬件设施充分实现了以下功能：

（1）水质监测采用实时在线的二氧化氯消毒设备通讯数据与水池水量同步检测数据综合分析判断产生，具备水质分析报告、水质历史资料查询、水质不达标报警及主动停泵供水等一系列功能。

（2）水泵及变频器工作状态由新版RTU进行检测，变频器工作状态由 RTU与变频器通讯直接产生，工频泵及深井泵运行工作状态由六路运行工作状态直接产生，工频泵及深井泵运行故障状态由两路热保护工作状态直接产生，RTU设计开关量输入点不少于 14路。可监测加压水泵以及深井泵开、停状态，变频运行或故障状态等开关量。

（3）自适应控制功能：可根据各供水站供水瞬时流量，实时计算当前流量下管网水头损失，动态调整供水站的供水压力，实现变压力控制，即：在供水流量比较大时，实时调高供水压力：在供水流量比较小时，实时调低供水压力，根据瞬时供水流量，实时、动态、智能调节供水压力，实现末端恒压供水，相比于现有通常的出口恒压供水方式，可大幅度节约运行电费，达到最佳节能供水状态。实际运行的情况表明，该功能可以降低二次加压耗电的30%—70%，自适应控制供水方式，将供水电费成本降到接近极限。

（4）各供水分站出现异常情况，控制中心自动报警，包括变频器故障、压力异常、流量异常，系统提示确认关泵或继续运行，及时处理故障，减少损失。对于变频随机保护性故障，还可以实行过程复位，最快速度恢复供水，在控制中心也可随时采集各供水分站故障信息，如：变频保护、通讯未联机等。

（5）控制中心可以远程开启、停止任何供水分站的供水设备，也可以在计算机预先设定各供水分站的开泵、停泵时间，计算机自动按程序设定开、停供水设备。

（6）控制中心可以远程调整任何供水分站的供水压力，也可以在计算机预先设定不同时间段各供水分站的供水压力，计算机自动按不同时间段相应调整各供水分站的压力，用水高峰时间段，预先设定较高供水压力，用水低谷时间段，预先设定较低供水压力，既保证供水效果，又可以节约运行电费。

（7）控制中心计算机连接大型LED显示屏，动态暗示各供水站的瞬时流量、累计流量、当前电功率、累计用电电度、吨水耗电量、管网压力、采集时间等数据，实时掌握各供水站的运行情况。

（8）自动检测各供水站供水出口或管网末梢二氧化氯余量，自动调节二氧化氯的投放量，保持二氧化氯余量在供水站出口不低于0.1mg/L，或者在管网末梢不低于0.02 mg/L，以保持供水消毒质量，也保证了供水管网消毒。

综上所述，采用了集变频供水、数据采集、远程控制、供水压力智能调节、远程报警等功能为一体的自动化和信息化管理技术，大大降低了运行电费、减少了管理人员，减少了工程故障，最大程度降低运行管理费用。使饮水安全联村集中供水工程达到了管理科学、运行正常、持久高效、安全可靠的目的。

5 存在问题

由于缺乏专业技术管理人员，在管理方面仍存在以下问题：

（1）在控制中心可随时采集各供水分站的信息，了解各水厂的运行情况，但是不能通过对采集信息、参数的分析及时发现除了各个水厂出现的异常情况。

（2）由于电流或电压出现异常，控制设备处于保护状态，水厂管理人员不能及时处理。

（3）不能根据用水需求及时调整各项技术参数等。

6 建议

（1）监控中心配备一定数量具有高素质的专业技术人员；

（2）加强各水厂管理人员的技术培训，进一步提高其专业技术水平和管理技能。建立起一支懂业务、高水平、高素质的管理队伍。

综上所述，南宫市农村饮水安全集中供水工程将达到建设高标准，设备现代化，使其真正成为自动化控制、信息化管理、运行安全、可靠、持久、高效的惠民工程。