城乡一体化供水工程信息与自动化控制设计探讨

张方庆

（永州市水利水电勘测设计院，湖南永州 425000）

前言

城乡供水一体化是国家政策高度关注的公共设施建设领域，自2014年以来，在全国全面展开。由于目前没有具体的城乡供水、村镇供水工程信息与自动化控制设计标准规范，在信息与自动化系统设计过程中出现了系统功能过于庞大复杂至使部分功能不适用具体项目，或系统功能过于简单，不能达到少人值守全自动化运营管理的要求。

本文通过探讨日供水规模在5000m3及以上城乡一体化供水工程信息与自动化控制系统整体设计思路、取水泵房信息与自动化控制系统设计、净水厂信息与自动化控制系统设计、管网信息与自动化控制系统设计、用户端信息与自动化控制系统设计、数据链路设计、监（集）控中心平台设计等，为城乡一体化供水工程信息与自动化控制系统设计、施工、运维提供参考。

1.城乡一体化供水工程信息与自动化控制系统整体设计思路及原则

城乡一体化供水工程信息与自动化控制系统，应对供水工程各环节（从取水、净（制）水、输水、配水、用水的全过程自动控制、监测与管理，促进一体化供水设施高效配置和利用，尽量减少人工操作与监测，实现全自动化管理，确保饮水工程安全、可靠运行，提高农村供水保证率、水质达标率。系统应采用分层、分布式的控制方式，在供水工程各个工艺环节设置现场控制单元（监控子站），对现场的设备进行全自动控制与监测，各个现场控制单元（监控子站）能独立工作，其系统结构图如下图1所示。

图1 城乡一体化供水工程信息与自动化控制系统结构示意图

现场控制单元（监控子站）通过相关数据链路可实时将现场采集到各种数据如开关量、数字量、模拟量等传送至监（集）控中心平台进行显示、存储、加工与管理，同时监（集）控中心平台可对现场控制单元（监控子站）下达操作指认，完成相关的远程控制与操作。

在系统设计过程应遵循以下几个主要原则：

1.1 规范性原则

依据国家、省部级相关标准，满足架构统一、技术统一、数据统一、平台统一、界面统一、操作统一等规划化建设要求。

1.2 实用性原则

以实用为第一准则，切实满足业主管理和业务需求，总体设计之前应充分与业主沟通，了解其运营管理意图，围绕数字化、智能化、一体化和智慧化建设相适配的管控系统，面向执行人员、管理人员、调度人员、决策人员和终端用户提供满足生产调度、经营决策和生活消费的各类应用。

1.3 安全性原则

设计采用有效的软件安全保护、防止非法入侵等措施，保证应用系统、数据的运行安全；考虑数据的分级授权和安全保护，搭建综合性软硬件安全环境和建立安全运行维护体系，保证业务安全、控制安全、数据安全和信息保密。

1.4 先进性原则

采用云计算、工业大数据、移动互联、智能控制等先进信息化技术，并考虑适度超前，适应信息化技术的快速发展和提高平台的随需而变能力。

1.5 可靠性原则

采用成熟技术和工艺，集群化和冗余化部署，安全和备份措施并举，保证系统稳定、可靠、长期运行。

1.6 完备性原则

设计功能全面、完整。

1.7 可扩展性原则

系统应具备跨平台部署能力，支持主流的浏览器，支持模块化的开发和增量集成，平台具有良好的可扩展性。

2.取水泵房信息与自动化控制系统设计

取水泵房的信息与自动化控制应根据项目实际情况（如取水泵电机的额定电压、取水泵的流量、运行方式等）进行设计，在取水泵房可设置一块自动控制屏，主要配置PLC、人机界面（触摸屏）、温度巡检装置、网络交换机、电力逆变器、主令电器及控制继电器等，通过配置PLC现场控制各水泵电机、电动阀、渗漏排水泵、排污泵的启停，并在线监视各电机、阀、泵的运行状态，在线监测各水泵的进出口压力、出口流量、取水口水位、泵房渗漏水集水井水位、配电变压器及各水泵电机保护装置状态等，同时能过网络通讯方式在线监视各台水泵电机、配电变压器保护装置的实时状态信息及故障信息。自动测控装置编写水泵自动控制程序、水泵电机保护程序、渗漏排水泵自动控制程序、取水口水位监测程序等，将主要设备状态信息及故障信息通过有线或无线网络传送至监（集）控中心后台。对于现场的主要重要故障信号能在监（集）控中心后台提供语音报警并储存记录故障信息，以及时提醒相关技术人员进行故障分析处理。

对有高压配电装置的取水泵房，为确保水泵房安全、可靠、无人值守运行，应配置一套一体化的直流充馈电装置，为自动保控制、继电保护、自动化元件、视频监控装置提供可靠的直流电源。

同时根据现场内外环境的实际情况设计一定数量的视频监控摄像机及图像存储设备，配置技术成熟的高清网络摄像机及硬盘录像机。摄像机的设计应同时兼顾安防和生产需要，要使监（集）控中心能实时监视到主要设备及环境（水泵、取水口、出入口等）状况。从经济和技术方面考虑取水泵房自动化元件按下表1所示要求进行配置。

表1 水泵房自动化元件配置一览表

取水泵房自动测控装置需监测的主要开关量数据和模拟量数据如表2、表3所示。

表2 取水泵房需监测的主要开关量数据表

表3 取水泵房需监测的主要模拟量数据表

3.净水厂信息与自动化控制系统设计

净水厂信息与自动化控制应根据水厂实际情况（如送水泵电机的额定电压、单台送水泵的流量、运行方式等）进行设计，在送水泵房可设置一块自动控制屏，主要配置自动控制装置、人机界面、温度监测装置、网络交换机、UPS电源、控制电器等，通过自动控制装置对各水泵、阀门、加药设备、消毒设备及辅助设备的启停控控，并在线监视其运行状态，在线监测净水厂出口压力、出口流量、监测调节水池、清水池等水位、在线监测水厂出水水质、配电变压器及各水泵电机保护装置状态等，将主要状态信息及故障信息通过有线或无线网络传送至监（集）控中心后台，对重要故障信号在监（集）控中心后台提供语音报警并储存记录故障信息，以及时提醒相关技术人员进行故障分析处理。

在净水厂的调节水池、滤池、清水池、加药间内外、消毒设备、配电间内外、自动控制屏、集控中心、加压泵房内外等生产设施处及净水厂的入口处配置视频监控网络摄像机，在净水厂厂界处设置电子围栏。视频监控兼顾安防和生产需要，并在控制中心配置硬盘录像机，录像机的储存容量需满足保存历史记录30天以上。对于重要的净水厂，储存容量需满足保存历史记录90天以上的反恐要求。

从经济和技术方面考虑净水厂主要自动化元件按表4所示要求进行配置。

表4 净水厂主要自动化元件配置一览表

净水厂自动测控装置需监测的主要开关量数据和模拟量数据如表5、表6所示。

表5 净水厂需监测的主要开关量数据表

表6 净水厂需监测的主要模拟量数据表

除以上主要数据表外，应根据各个项目净水工艺不同，配置相关自动化测控装置，实现对净水工艺全过程的远程在线监视与控制。

4.输配水管网信息与自动化控制系统设计

为便于输配水管网的运行与维护，以村（镇）为供水单元的分支处宜配置控水装置和量水装置，设计与水管相适应的电动蝶阀和流量计，对各供水单元进行监测与控制。在各加压站除配置自动控制加压设备外，还应配置相应数量的压力变送器、流量计；根据管网水力计算结果，在压力最不利点配置压力变送器。将管网加压设备、电动阀等各设备的状态及管网中的流量、压压等数据通过无线传输装置实时传送至水厂集控中心，相关数据越限或报警时应在集控中心发出警告信号，及时提醒值班人员进行处理。

5.结束语

全面推进城乡供水一体化是国家统筹布局农村饮水基础设施建设、提高农村供水保障水平，全面推进乡村振兴的重要战略，而供水工程信息与自动化控制是确保农村饮水安全、可靠，减少供水工和运维压力的重要工程技术措施。通过明确系统整体思路和原则，规范在各工艺环节的信息与自动化系统设计的主要内容和注意事项，可确保城乡供水一体化项目信息与自动化系统在确保经济性的前提下安全、可靠、经济、方便运行。