自動化技術在農村安全飲水工程中的應用

潘　冰，冉丹婷，王庚平（.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅蘭州73000；.蘭州資源環境職業技術學院，甘肅蘭州73000）

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自動化技術在農村安全飲水工程中的應用

潘冰1，冉丹婷2，王庚平1
（1.甘肅省膜科學技術研究院，甘肅蘭州730020；2.蘭州資源環境職業技術學院，甘肅蘭州730020）

摘要：甘肅省古浪縣劉楊村人畜飲水工程是甘肅省科技廳黨組根據甘肅省省委、省政府關于在全省范圍內開展“聯村聯戶、為民富民”行動的一項重點民生項目。本項目采用單村供水模式，全村共建設和改造有水源井1座、供水站1座，3座蓄水池等。全部采用了經濟可靠的自動化控制技術和手機遠程管理技術，進一步提高了農村飲水安全供水工程的管理水平，達到運行的無人值守。實現供水工程運行可靠、高效的目的。

關鍵詞：自動化；飲水安全；供水；應用

1　概述

我國是農業大國、人口大國，境內水資源匱乏，位居世界各國之后，農業人口眾多，飲水安全問題突出。近年來，黨中央、國務院堅持以人為本，把農村飲水安全這一民生工程作為解決“三農”問題的重要舉措，投入巨資建水廠，鋪管道，旨在改善農村飲水條件，提高人民群眾生活質量。但由于農村安全飲水工程普遍存在供水點分散、自動化程度低等問題，飲水工程的管理運行上需要耗費大量的人力物力，造成飲水工程設施運行效率低，管理成本上升等不利因素，因此，將穩定可靠而且經濟的自動化技術推廣應用在農村飲水工程上，對于提升了我國農村供水工程的自動化程度，在促進供水科技進步、提高管理水平以及優質、安全、低耗供水等方面具有長遠意義。

2　劉楊村人畜飲水工程概況

新堡鄉劉楊村位于甘肅省武威市古浪縣東南部的干旱山區，平均海拔2300m，現有農戶191戶，共832人。由于地處干旱山區，地理環境和自然條件制約，加之農戶居住分散，村里僅有淺水井一眼，農畜飲水矛盾突出。同時淺水井水質不佳，主要表現為氨氮和大腸桿菌超標，飲水安全嚴重影響到當地農戶的健康。

為了徹底解決劉楊村人口飲水安全問題，甘肅省科技廳結合劉楊村人畜飲水困難的突出矛盾，經多方協調，落實資金，并由甘肅省膜科院設計承建的一項民生工程。工程順利建成了2座50m3、1座 25m3地下式鋼筋混凝土結構畜水池。同時敷設安裝了2300m的輸水管道以及1臺深井潛水泵、2臺供水泵、2臺供水潛水泵井，并配置遠程自動化控制系統1套，供水量達到25t/h，工程調試完成后實現自動化無人值守供水。

3　自動化控制系統

自動化控制系統由水源控制系統、供水控制系統和現場信號采集遠傳控制系統等組成。

3.1水源控制系統

根據供水要求，供水站建有深度為80m的水源井1座和50m3的調節池1座。每眼井配備一臺157QJ132-120/10-18.5深井潛水泵和一臺水泵就地控制柜（功率45KVA），根據調節池水位控制潛水泵啟動、停止。調節池中液位時自動啟動深井潛水泵，調節池高液位時停泵，控制柜具有手動自動控制模式，可自動控制，也可手動控制，同時具有短路、過流、過壓、過載等多種保護功能。

3.2供水自動化控制系統

設計考慮到當地農戶分散居住在兩個集中居住點，共建有2座清水池，因為2座清水池相距供水站較遠，考慮到工程預算和后期維護，2座清水池的供水管路共用同一管線，供水時先將較近的25m3清水池（下稱A水池）蓄滿后關閉A水池進水端設置的進水電動閥。即A水池停止進水，后再將深井水輸送至較遠的50m3清水池（下稱B水池），當B水池蓄滿后關閉位于B水池進水端的進水電動閥，當2座水池的進水閥同時關閉后，停止輸送水泵，當水池液位下降到一定高度時，重復上述操作，實現循環供水。如圖2所示。

圖1　供水自動化控制系統概況圖

由于水池液位因為農戶取水經常發生變化，因此，人工操作實現上述邏輯需要耗費大量的人力和物力。供水控制系統采用RTU無線遠程控制的解決方案。設計時在兩個清水池就地設置兩臺RTU現場遠程控制箱，可自動根據液位的高低變化控制現場電動閥的啟閉，同時采集現場清水池的水位狀態自動遠傳至位于供水廠的水泵遠程控制柜，當2座水池水位均達到高水位狀態時，水泵遠程控制設備自動停止供水泵。當任意一個水池液位下降至一定高度時，水泵遠程控制設備自動啟動供水泵為清水池補水，如此循環，實現供水的自動控制，達到無人值守的目的。

供水控制系統根據農閑農忙季節用水量的不同設置有普通生活供水模式和農忙長時段供水模式兩種模式，普通生活供水模式下，供水泵根據現場水池液位的高低自動運行。農忙長時段模式下，水池液位退出自動控制邏輯，供水泵的啟停不再由液位的高低控制，在現場水池水滿后可通過閥門的切換為灌溉用蓄水池（原有設施）不間斷供水，滿足農戶長時段用水的要求。

除此之外，同時供水控制系統最大限度地考慮了各種可能發生的供水故障，并依此設計有完善的保護功能，包括熱過載保護、斷相保護、過流保護、水池水位過低保護、以及管道超壓保護等，提高供水系統穩定運行的可靠性。

3.3手機遠程監控系統

由于飲水工程建設位于落后山區，管理人員均為當地農戶，缺少管理相關的專業技術。為了保證供水設備的穩定運行。飲水工程設計了手機管理系統。將軟件分別植入到位于供水站的水泵遠程控制柜和位于清水池旁的現場遠程控制箱的核心控制模塊中，管理人員可以通過發送手機短信“查詢”隨時對整套控制系統的運行狀態進行監視。同時可以發送“啟動”“停止”短信隨時啟動或關閉供水泵。除此之外當控制系統出現水泵過載，水池水位過低、管道超壓等故障時，監控系統會自動發送故障信息到管理人員的手機上。方便管理人員隨時進行系統維控和故障排除。

4　經濟效益分析

供水自動化控制系統安裝調試完成后，完全實現無人值守控制，極大地提高了供水系統中水泵的工作效率。

4.1未采用供水自動化控制系統時供水工程的運行費用

在未投入自動化控制系統時前水泵的管理是由當地農戶承擔，每月鄉政府給予1200元工資補貼，除此之外，由于最遠的取水點距離供水點3km，管理人員主要通過摩托車在取水點和供水點兩地來回移動以進行水泵啟停和閥門開閉的操作。因此，鄉政府給予200元/月的燃油補貼。管理成本合計為1400元/月。

由于無法及時根據水池水位對深井泵和供水泵的啟停進行操作，為保證供水的持續性，系統內深井泵和供水泵在供水時間段往往是持續憋壓運行，每天共計運行5h。水泵的總功率為45kW，當地農用電電費為0.55元/度，每月電費為：

每月電費=水泵運行功率×運行時間×30d×電費單價=45×5×30×0.55 =3712.5元

每月供水的費用總額為：

人力成本+電費=1400+3712.5 =5112.5元

4.2采用供水自動化控制系統時供水工程的運行費用

投入自動化控制系統后，所有設備為自動運行，解放了生產力。每月僅需定期對現場設備進行查檢維護，設備管理由當地農戶兼職負責，鄉政府給予每月380元補貼（含工資補貼+話費補貼+燃油補貼）。由于自動控制系統可根據水池液位的高低自動控制水泵的啟停，水泵運行方式改為間斷運行，現場計算每天水泵大約運行時間為2.5h，每月電費為：

每月電費=水泵運行功率×運行時間×30天×電費單價

=45×2.5×30×0.55=1856.25元

每月供水的費用總額為：

人力成本+電費=380+1856.25 =2236.25元

由以上對比分析可以看出，采用供水自動化控制系統后每月供水的費用降低大約56.2%，極大地減輕了偏遠貧困鄉村農戶的生活負擔，達到了節能降耗的目的。

5　供水自動化控制系統運行效果

綜上所述，采用了RTU技術、數據采集、遠程控制、供水壓力智能保護、遠程報警等功能為一體的自動化控制技術投運至今，大大降低了運行電費、減少了管理人員，最大程度降低運行管理費用。使得小型農村供水工程達到了管理簡單、運行正常、持久高效、安全可靠的目的。具有很大的推廣應用前景。

6　存在的問題和建議

1）由于農業電網電壓不穩定，造成電流或電壓出現異常，管理控制設備有時處于保護狀態，管理人員不能及時處理。

2）需要加強水站管理人員的技術培訓，使其具備簡單的專業知識，達到可以及時處理供水系統故障的程度。

參考文獻：

［1］CWT5010用戶手冊［Z］.盈科互動公司.

［2］CWT5010指令手冊［Z］.盈科互動公司.

中圖分類號：F323