鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水系統(tǒng)自動化控制策略研究

李 鑫

(平涼市涇東水利水電勘測設計有限責任公司，甘肅 平涼 744000)

與企業(yè)供水、城市供水有所不同，鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水主要是滿足村民生產及生活用水需求。部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)位于糧食主產地區(qū)，人口密度大，不僅要滿足村民日常用水需求，而且要能夠為農田灌溉提供支持[1]。基于降水量季節(jié)性差異，供水系統(tǒng)對設備管理及供水量均有著較高的要求。目前，鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水系統(tǒng)大多仍采用的是多泵站供水，受多種因素影響，分散管理難度高，降低了自動化程度。基于此，本文提出鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水系統(tǒng)，以期提升鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水自動化水平。

1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水水泵系統(tǒng)概述

鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲水安全問題一直是國家與政府共同關注的問題，隨著人們物質生活水平的提升，人民群眾對供水質量及供水可靠性均有著較高的要求。當前，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水仍采用的是機井泵房，所用蓄水池為高位蓄水池，在輸水管網作用下能夠直接送入村民家中及地頭。基于用水量的季節(jié)性差異，本研究將高位蓄水池水位作為基礎，對3臺水泵的集中控制情況進行探討，其構架見圖1。

圖1 3臺水泵集中控制結構圖

若水位較啟動水位低時，可以借助設計的水泵采用蓄水池實施蓄水；若較停機水位高，水泵會暫停工作。通過如下兩種方式可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的干預：①在進行啟動水位、停機水位設定時，需要對蓄水池容量進行評估，結合實際情況進行自行設定[2]。②水泵的數(shù)量能夠根據需求自由選擇：當處于需水旺季，能夠滿足3臺水泵同時運行；當處于淡季時，采用3臺水泵輪換工作的方式，能夠防止高峰期單臺泵需求不足的問題；在低峰期，一臺水泵能夠長時間運行，滿足水泵日常工作。

本研究對系統(tǒng)模型構建如下：采用高位蓄水池參數(shù)為500 m3，額定電壓參數(shù)設定為380 V，額定功率參數(shù)為37 kW。僅需要一臺變壓器便能夠完成對3臺水泵的供電，其在工作中多需要調整為延遲工作，在水泵啟動與停機方面可以對開機延遲時間進行設置。每臺水泵均對應1個子站，采用軟起動器氣動的方式，采用PLC進行控制，且該系統(tǒng)具備遠程控制的功能。主站選擇的是高位蓄水池，并有匹配的液位變送器、觸摸屏、PLC，3個從站機泵運行狀態(tài)與蓄水池的水位均能夠在觸摸屏上顯示，且能夠實現(xiàn)對機泵的遠程控制。考慮到地理位置情況，需要通過無線電臺由主站與3個從站構建數(shù)據通信網絡。

2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)

2.1 多臺水泵自動控制系統(tǒng)

多臺水泵自動控制系統(tǒng)將液位測量作為基礎，水泵投入與退出均實現(xiàn)了動態(tài)化，其是通過各類數(shù)據運算與控制實現(xiàn)的。3臺機井從站PLC系統(tǒng)、蓄水池主站是數(shù)據的主要來源，能夠對故障、檢修、遠程及通信等進行信號識別與讀取，可以將啟動與停止寫入PLC，蓄水池液位是主站模擬的常見信號。多臺水泵自動控制需要變量見表1。

表1 3臺水泵自動控制需要變量

2.2 數(shù)據采集系統(tǒng)

數(shù)據采集系統(tǒng)架構見圖2。該系統(tǒng)主要包括水源井、水廠蓄水池、水廠加壓泵房及管網等4個方面，其中水源井能夠采集水源井位置電機的電量參數(shù)，獲得潛水泵與電壓、電流變量信號后，能夠向智能電量變送器傳遞，結合傳遞的電壓與電流信號能夠對電機功率進行計算，如有功與無功功率、視在功率等，智能電量變送器連接RS-485，在RS-485總線后作用下，能夠在數(shù)傳電臺傳送相關數(shù)據，然后傳輸?shù)剿畯S上位機。通過管道，水源井位置的水能夠被輸送到水廠蓄水池。隨著水池液位的升高，水池被溢滿，若液位過低，難以滿足供水需要，因此需要對水池中水位數(shù)據量進行采集。

圖2 數(shù)據采集系統(tǒng)架構

2.3 水廠監(jiān)控系統(tǒng)

1) 圖形顯示功能。在通訊網絡作用下，監(jiān)控系統(tǒng)能夠將系統(tǒng)采集的數(shù)據予以呈現(xiàn)，具有直觀、友好的特點。根據組態(tài)軟件能夠獲得圖形控件與工況圖樣，對工業(yè)界面進行繪制，且具有編輯功能，一方面能夠縮短軟件設計用時，另一方面能夠保障開發(fā)周期。

2) 實時/歷史數(shù)據采集。工業(yè)設備運行與管網各種情況均采用自動監(jiān)視系統(tǒng)，其能夠為管網安全運行提供可靠的參考。監(jiān)控軟件能夠對水源井、水廠進行實時監(jiān)測[3]。

3) 數(shù)據存儲與歸檔。鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水系統(tǒng)在運行過程中會產生海量的數(shù)據，需要對數(shù)據進行存儲處理。數(shù)據主要來源于兩個方面，其中一類為人工錄入的數(shù)據，另一類是監(jiān)控系統(tǒng)中產生的實時數(shù)據。

4) 數(shù)據查詢。數(shù)據報表是生產過程中產生的各類數(shù)據及狀態(tài)，人們可以對歷史報表進行制作。采用實時數(shù)據與歷史數(shù)據曲線相結合的方式，能夠反映出變量在某一時間段產生的變化，其日常運行見圖3。

圖3 水廠運行記錄數(shù)據查詢

2.4 控制系統(tǒng)功能

2.4.1 自動加藥加氯

作為一個閉環(huán)反饋控制過程，自來水加藥加氯多需要應用余氯檢測儀、濁度儀進行檢測，將其與PLC預設值進行比較，對計量泵的頻率作出相應的計算與調節(jié)。在RS485通訊作用下，一體化加氯加藥機能夠與PLC平臺相連接。水廠自原水抽水且經過沉淀后在反應池有水，可以通過參數(shù)設置自動啟動加藥機，濾池向清水池供水時，能夠將加氯機計量泵的自動啟動功能開啟。此時水廠無需從原水抽水，可以停止加氯加藥。采用加氯加藥自動設置，能夠實現(xiàn)人工節(jié)約，有利于降低損耗，保障自來水水質。

2.4.2 自動排污

長時間的沉淀會導致配水池底部遺留大量的淤泥，因此需要對底部排污閥進行排污處理，對于出水質量能夠產生可靠的保障。DO信號能夠對中間繼電器進行控制，然后實現(xiàn)對排污閥的控制。通常鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能水廠排污閥多，需要較長時間排污，容易導致水資源浪費，因此可以通過控制邏輯編程，標記排水閥，根據指令對排污閥排污時間進行設定，做到限時排污[4]。對子程序運行周期進行合理化設計，可以選擇1次/d、1次/周，循環(huán)用水，實現(xiàn)自動排污。

2.4.3 觸摸屏系統(tǒng)

將觸摸屏作為基礎，其能夠實現(xiàn)人機交互，對數(shù)據作出相應的處理。在MCGS嵌入版作用下，能夠按照順序對監(jiān)控系統(tǒng)進行執(zhí)行，且能夠對相關指定進行輔助，為實現(xiàn)多水泵的集中控制，可以在MCGS作用下完善運行策略。通常為實現(xiàn)對系統(tǒng)的自由控制，需要對系統(tǒng)運行模式、水泵參數(shù)等進行設置，對數(shù)據庫變量進行實時操作，對水泵的打開與關閉進行控制，進而達到同時控制多臺水泵的目的。

2.4.4 恒壓供水

在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)下，能夠借助恒壓供水系統(tǒng)穩(wěn)定水壓。傳統(tǒng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水系統(tǒng)多為高低落差的方式，恒壓供水相對恒定，具有操作簡單的優(yōu)勢，一方面能夠節(jié)省電能，另一方面能夠提升自動化程度。采用PLC邏輯能夠設定相應的水壓制，對變頻器頻率進行合理調控，使得水泵轉速發(fā)生改變，達到調節(jié)水壓的作用。

3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

選擇TPC7062Ti觸摸屏，其包括2個串口，COM2連接電臺，能夠對1#、2#、3#機井相關信息進行接收，COM3連接主站PLC，能夠對液位信息進行采集。首先將MCGS嵌入版組態(tài)環(huán)境進行啟動，然后按照步驟對實時數(shù)據庫、用戶窗口及運行策略進行創(chuàng)建。每個變量均具備對應的存盤與報警屬性，在設計時需要對基本屬性作出相應的修改，如對象定義、類型與內容注釋等[5]。

用戶窗口的設計主要包括機井檢測與參數(shù)設置，前者能夠對運行模式進行設置，見圖4。開關元件應采用手動/自動切換的設計方式，其在井1、2、3條件下均可見，當需要進行切換時，將自動變量設置為1。當處于自動狀態(tài)下，操作屬性設置需要啟動按鈕，按下按鈕便能夠完成對1的自動啟動。其按鈕基本相同，僅在參數(shù)上存在細微偏差。設置窗口主要涉及到水池設置、機井選擇與泵啟動間隔設置等。

圖4 機井監(jiān)測系統(tǒng)

輸入程序

井1啟動=1

!timerRun=1

!timerWaitFor(2，開停機延遲)=1

!timerStop(2)

!timerReset(2,0)

井2，井3同上。

可以發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行自動狀態(tài)停止命令時，自動停止會首先對運行水泵臺數(shù)進行判斷。若單臺運行，需要發(fā)送出停止命令。若兩臺處于運行狀態(tài)，應先判斷編號，選擇一臺停止，對定時泵調用，延遲操作，對定時器復位，然后將另一臺水泵停止。3臺同時運行狀態(tài)下，可以先停1臺，進入延遲命令，停止第2臺，然后延遲命令，將井3停止，系統(tǒng)運行可靠。

4 結 語

自動化控制是鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水系統(tǒng)運行的趨勢，但目前人工智能在供水行業(yè)中的硏究及應用尚處于起步階段，相關人工智能技術也僅限于弱人工智能甚至傳統(tǒng)的分析算法階段。在今后研究中應結合供水業(yè)務需求，圍繞數(shù)據、算法和智能硬件等層面開展全方位探索，發(fā)揮人工智能優(yōu)勢，促進鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水自動化控制的實現(xiàn)。