淺談物聯網技術在葉城縣中水回用系統中的應用

孫 驍，肖文云，謝智海，普 昕

（甘肅省膜科學技術研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

1 概述

隨著人類社會的進步和大數據、云計算、人工智能等尖端技術的不斷發展，物聯網技術在日常生活的應用范圍也越來越廣泛，醫療設備、交通運輸、工業制造、環境保護等行業中物聯網的應用也越來越普遍。物聯網（Internet of Things）技術的核心理念是“萬物互聯”，是對互聯網技術的拓展和延伸運用，它通過不同類型的傳感器來對物理世界中真實存在的物體進行感知和識別，并通過網絡作為介質對所識別的信息進行監視、定位、處理和控制，實現了對現實世界精準感知和科學管控的目的。

葉城縣地處新疆維吾爾自治區西南部，近年來為響應國家保護環境，改善水生態環境的號召，專門建設了排水防澇、中水回用的工程項目，目的是將經葉城縣污水廠處理后而形成的中水，根據實際情況通過管網用于縣城不同區域的園林灌溉和道路保潔，既可以實現水資源的再生利用，同時還能產生經濟和社會效益。為了保證整套設備的穩定運行，中水回用系統內設有若干變頻水泵、比例調節閥以及壓力變送器、電磁流量計、液位計等儀表，這些水泵、閥門的實時狀態和儀表反饋的數據是供水調度系統中重要的監控內容，傳統PLC（可編程邏輯控制器）+上位機（計算機）控制系統[1]能實現的監視和控制功能已經無法滿足調度系統的日常工作需求，為增強供水管網運行安全性，準確把握供水管網的運行狀況，需要建立一套基于物聯網技術的“中水回用遠程智慧監控系統”，從而提高中水調度的工作效率和科學管理水平。

2 中水回用監測系統構成

葉城縣中水回用系統主要由三座加壓泵站、管網上安裝的電動比例調節閥以及壓力、流量、液位等儀表構成，1號、2號加壓泵站位于污水廠內，污水廠處理過的中水同時輸送到1號、2號加壓泵站內的調節水池，2號泵站通過變頻泵向遠在葉城縣郊外的400萬方中水庫輸送中水；1號泵站則負責為泵站至火車站沿線的道路保潔和園林灌溉供水的同時向3號泵站內的調節水池蓄水，3號泵站則作為中繼加壓泵站向距離更遠的開發區沿線的道路保潔和園林灌溉供水。其中所有泵站內的加壓泵已經通過變頻器、PLC和安裝在調節水池的液位計實現自動控制，系統可以根據調節水池的液位高低自動調節水泵的頻率，從而滿足縣城不同區域不同時段的供水需求，整套系統的流程圖見圖1，圖中字母A代表電動比例調節閥、字母B代表加壓泵站、字母C代表電磁流量計、字母D代表壓力變送器。

圖1 中水回用監控系統流程圖

下面從感知層、網絡層、應用層[2]3個層面來詳細介紹中水回用遠程智慧監控系統的構成。

2.1 感知層

在物聯網系統中，首先需要做的就是對外界環境信息的識別和收集，而負責此類功能的工具就是感知層，它通過傳感器來實現對設備狀態和運行情況等信息的采集，傳感器可以及時將外界信息傳遞回調度中心來進行分析處理。

葉城縣中水回用監控系統中的感知層由3個液位計、5個壓力傳感器、2個電磁流量計和15個閥門執行器（用于反饋電動調節閥的實時開度和故障信號）組成，3個液位計安裝在加壓泵站內，其他傳感器和閥門則根據實際不同的地理安裝位置設計了相應的數據采集箱和就地控制箱，由于電動閥門和部分傳感器安裝于閥門井內，有被水浸泡和返潮的風險，故本項目中所用電動閥門和傳感器防護等級均選擇IP68等級，以保證極端情況下設備的正常使用，減少維護成本，閥門、水泵就地控制箱和傳感器數據采集箱具體位置見表1。

表1 中水回用監控系統傳感器位置

2.2 網絡層

數據被采集到傳感器之后，可通過傳輸介質將感知層采集的數據傳送到應用層，而這個傳輸介質就是所謂的網絡層，網絡層核心功能就是傳輸。常用的網絡層傳輸方式分為有線和無線兩種，有線包括信號電纜、網線等等，無線則包括家庭局域網、電臺以及移動通信網等。由于葉城縣中水在線監控系統的遠端設備地理位置都在縣內且較為分散，有線通信成本較高，故采用無線移動通信網（即GPRS/4G網絡[3]）來實現數據的遠程傳輸。

為此先在供水公司調度中心配置專線網絡，申請固定的IP地址，并在調度中心安裝工控機，通過工控機訪問云端服務器上的物聯網監控軟件，其次在表1中的水泵、閥門控制箱以及儀表數據采集箱中安裝遠程測控終端RTU[4]（Remote Terminal Unit），RTU是基于無線通信網絡實現遠程數據采集、傳輸及控制的智能終端設備，每個測控終端內安裝一張開通了GPRS/4G業務和短消息業務的SIM卡，通過公網組網將采集的傳感器數據傳送至調度中心，通過監控軟件顯示出來，并根據反饋回來的數據實施不同的供水策略，真正實現中水回用系統的遠程監控。不僅解決了城區供水點分散、數據采集困難的問題，而且降低了建設期的投資成本和建成以后的運行成本。水泵、閥門控制箱和儀表數據采集箱的規格、遠傳硬件配置和具體功能見表2。

表2 中水回用監控系統遠程控制終端配置詳情

2.3 應用層

應用層顧名思義，就是對通過網絡層傳輸過來的感知層數據的應用，具體包括對采集來的數據進行監視、控制、優化和自治。在葉城縣中水回用項目中的應用層指的就是配置在供水公司調度中心的工控機以及安裝在云端服務器上物聯網監控軟件，云端服務器采用在主流平臺上購買的云服務器（4核8 GB企業級實例C6系列V），監控系統所有用戶數據都存儲在云端服務器上，不僅增加了數據的安全性、也降低了對調度中心的硬件配置要求；物聯網監控軟件采用B/S[5]（Browser/Server，瀏覽器/服務器）結構，具有良好的擴充性，用戶使用瀏覽器或手機APP即可使用，操作簡單，維護方便。應用層為各職能工作人員提供相關信息服務，工作人員可以在軟件上對整個中水回用系統運行情況進行統一監管，并可對各項監測內容進行分析、存儲和決策。

3 中水回用監測系統實現的功能

中水供水調度中心設置在水廠調度室，實現對泵站水泵頻率、調節池液位、供水管線壓力、流量、閥門開度等數據的實時接收，并通過屏幕進行動態顯示，以便對數據進行分析、存儲與管理，為供水調度工作的合理決策提供支撐，具體可實現以下幾方面的功能。

3.1 實時監控

監測系統以管網分布衛星地圖為背景對各測點進行定位顯示，基于衛星地圖直觀顯示各測點位置的分布情況，流量、電動閥狀態信息及警戒（流量、壓力、電動閥故障）信息；泵站總覽界面以三維組態形式展現水泵運行狀態，運行電壓、電流、電量，出水壓力、流量、水池液位等相關數據，操作管理人員可通過不同終端（工控機、手機、平板）隨時隨地訪問監控系統，大大增加了管理的便捷性。

當系統檢測到異常狀態時（即泵、閥門故障、壓力異常、水位過低、通信中斷等），會在系統主界面動態顯示并發出聲音報警，提醒操作人員及時處理。維修人員也可以通過實時衛星地圖直接導航至故障點維修，降低運行維護的時間成本；管理人員通過鼠標直接選擇某測點可進入測點詳細信息顯示界面查看該測點的詳細數據，也可以通過操作界面直接對遠程設備進行操作和設置，如調節泵的頻率、閥門的開度等，中水回用監控系統主頁如圖2所示。

圖2 中水回用遠程智慧監控系統主頁

3.2 智慧管理

葉城縣污水廠每日處理得到的中水量有限，無法完全覆蓋供應整個縣城的保潔和灌溉所需水量，因此需要操作人員根據不同片區不同時間的供水量和實時管網流量、壓力、調節池水位等數據來綜合判斷，通過調節水泵頻率，閥門開度來科學有效地保證中水的可靠調度，后續在積累了對每日不同地段用水量以及相應的供水策略的數據、曲線、報表后，還可以在監控系統中加載具有不同功能的自動化程序模塊，如通過檢測中水流量和壓力來自動調節供水量大小的供水模塊，或是通過檢測土壤潮濕度來判斷管道是否爆管的預警模塊等，以便不斷提高自動化程度，減少人工管理成本。

4 結語

葉城縣中水回用在線監控系統自2021年12月建成使用以來，初步實現了中水回用的智能化，和傳統的監控系統相比更為安全、可靠、便捷。通過檢測，目前中水回用的各項指標均滿足國家要求，中水的利用率也有所提高，達到了預期的目的。未來物聯網技術的廣泛使用是社會發展的必然趨勢，唯有通過物聯網等新技術的應用，不斷提升自己的服務水平，各行各業才能在市場洪流中站穩腳跟。