基于龍江水廠農(nóng)村飲水安全工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造的研究

房媛 王銘銘

安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 安徽 合肥 2300888

引言

安全飲用水是指?jìng)€(gè)人終身飲用，也不會(huì)對(duì)健康產(chǎn)生明顯危害的飲用水[1]。農(nóng)村飲水安全工程對(duì)保障農(nóng)村人民群眾的生活質(zhì)量和健康安全具有重要意義[2]，是鞏固提升實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)基本公共服務(wù)均等化的重要工作，也是提升農(nóng)村群眾生活質(zhì)量的重要基礎(chǔ)保障[3]。信息化技術(shù)在農(nóng)村飲水安全監(jiān)管中的應(yīng)用是解決農(nóng)村飲水安全問題的必要手段[4]，是提升凈水廠運(yùn)維管控的智能化水平和可靠程度，輔助提升物理水廠的高效、科學(xué)決策，進(jìn)而進(jìn)一步達(dá)到節(jié)約高效、安全穩(wěn)定供水的目的[5]。為進(jìn)一步提升龍江水廠供水監(jiān)管能力，做好示范作用，保障供水安全，特開展水廠自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控升級(jí)改造，用信息化技術(shù)促進(jìn)水廠監(jiān)管自動(dòng)化、信息化與智能化。

1 現(xiàn)狀與需求

龍江供水公司供應(yīng)東至縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和香隅鎮(zhèn)村等生產(chǎn)、生活用水，設(shè)計(jì)供水能力為4萬t/d，2019年投資1.47億元，新建6萬t/d生活用水水廠。

1.1 水廠概況

廠區(qū)包括長(zhǎng)江口取水泵房、沉淀池、濾池、反沖洗水塔、加藥間、加氯間、清水庫(kù)和送水泵房，遠(yuǎn)程泵站包括茅屋瀏增壓站和東至配水站。水廠水源為長(zhǎng)江，取水點(diǎn)位于距水廠約700m處的長(zhǎng)江岸邊，已建固定泵房，建有4臺(tái)取水泵，分別配有PLC控制柜，均為軟啟方式，未進(jìn)行遠(yuǎn)程控制建設(shè)。制水工程包括加藥、沉淀池、濾池、凈水池、加氯、供水泵房等部分，其中加藥泵為軟啟動(dòng)方式，PLC自動(dòng)控制柜已失效；8組濾池原水閥、清水閥、沖洗閥、排水閥等已建有狀態(tài)監(jiān)測(cè)，但數(shù)據(jù)未接入中控室，閥為手動(dòng)控制；加氯泵已建啟停監(jiān)測(cè)與漏氯報(bào)警，數(shù)據(jù)未計(jì)入中控室；送水泵房共有6臺(tái)供水泵，其中2臺(tái)為變頻控制，PLC控制柜故障，供水匯總管道已建出水流量監(jiān)控。水廠加壓泵站位于8km外的茅屋瀏加壓泵房，共有7臺(tái)泵，其中4臺(tái)泵（變頻控制）負(fù)責(zé)香隅鎮(zhèn)供水，3臺(tái)泵用于東至縣補(bǔ)水。水廠已建視頻監(jiān)控，目前僅3個(gè)探頭可用，分別為水廠廠區(qū)大門、加藥大門、加氯大門。水廠信息化系統(tǒng)建設(shè)起步較早，2007年已做組態(tài)系統(tǒng)，并經(jīng)過多次改造。軟件功能主要包括：水質(zhì)、取水泵房水位、電流；開關(guān)機(jī)啟停（目前已無法使用）；反沖洗泵控制等。因應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，目前已難以高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 存在問題

龍江水廠建成較早，并經(jīng)過多次局部改造，已具備了良好的基礎(chǔ)，但前期多注重基礎(chǔ)建設(shè)，對(duì)于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系而言，仍然有些地方需要進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

1.2.1 取水工程方面。取水泵房水泵控制部分設(shè)備運(yùn)行時(shí)間已到生命周期，PLC控制系統(tǒng)無法長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，未開展遠(yuǎn)程控制建設(shè)，流量、壓力等信息未進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)取水泵房運(yùn)行監(jiān)視、監(jiān)測(cè)與控制。

1.2.2 制水/送水工程信息化建設(shè)方面。沉淀池、濾池、清水庫(kù)等視頻、水位缺少監(jiān)測(cè)，加藥設(shè)備未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，加藥、加氯、送水泵房等未進(jìn)行視頻監(jiān)控建設(shè)，供水水泵、濾池閥、加藥泵等未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1.2.3 加壓泵站信息化建設(shè)方面。加壓泵站水泵控制部分使用周期長(zhǎng)，自動(dòng)化程度不足，未開展遠(yuǎn)程控制建設(shè)，流量、壓力等信息監(jiān)測(cè)不足，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)加壓泵房運(yùn)行的監(jiān)視、監(jiān)測(cè)與控制。

1.2.4 中控室建設(shè)方面。中控室存在已做組態(tài)系統(tǒng)部分內(nèi)容不全、停用、失效、廢棄等問題。

1.3 需求分析

1.3.1 取水工程需求。取水泵房需要增加水泵運(yùn)行電流、電壓監(jiān)測(cè)功能模塊和遠(yuǎn)傳接口；增加安裝水泵出口壓力變送器；根據(jù)需要增加取水泵房PLC模塊，實(shí)現(xiàn)所有取水泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和設(shè)備的啟停功能；由于取水泵房近期新建，考慮對(duì)現(xiàn)有PLC模塊進(jìn)行擴(kuò)容。

1.3.2 制水/送水工程信息化建設(shè)需求。濾池控制系統(tǒng)建設(shè)年久失修，產(chǎn)品配件缺失，需要將現(xiàn)有濾池控制柜廢除，更換控制柜，將原有的8臺(tái)控制柜整合成1臺(tái)PLC控制柜。進(jìn)水總管流量計(jì)、加氯加藥設(shè)備、平流沉淀池設(shè)備等的控制信號(hào)全部納入濾池控制柜。在每座濾池增加超聲波液位計(jì)，采集反沖洗水塔液位，濾池控制柜根據(jù)濾池液位、反沖洗水塔液位實(shí)現(xiàn)濾池自動(dòng)反沖洗功能。

送水泵房控制系統(tǒng)需要安裝貼服式流量計(jì)，并做好流量計(jì)井，流量計(jì)信號(hào)接入濾池PLC控制柜，增加水泵運(yùn)行電流、電壓監(jiān)測(cè)功能模塊和遠(yuǎn)傳接口；需要增加安裝水泵出口壓力變送器；根據(jù)需要增加送水泵房PLC模塊，實(shí)現(xiàn)所有送水泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和設(shè)備的啟停。

水廠進(jìn)水裝置需要增加安裝進(jìn)水流量，在廠區(qū)內(nèi)總管安裝貼服式流量計(jì)，并做好流量計(jì)井，流量計(jì)信號(hào)接入濾池PLC控制柜。出水利用現(xiàn)有出廠流量計(jì)，將現(xiàn)有流量計(jì)信號(hào)傳輸至水廠控制中心。

1.3.3 加壓泵站信息化建設(shè)需求。加壓泵站需要增加水泵運(yùn)行電流、電壓監(jiān)測(cè)功能模塊及遠(yuǎn)傳接口；增加安裝水泵出口壓力變送器；由于增壓泵站水泵現(xiàn)有PLC為老舊淘汰設(shè)備，考慮重新設(shè)計(jì)PLC柜完成泵站的監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)所有增壓泵站水泵運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和設(shè)備的啟停功能。需要開通加壓泵站有線網(wǎng)絡(luò)，水泵控制系統(tǒng)通過有線公網(wǎng)和監(jiān)控中心進(jìn)行通信。

1.3.4 中控室建設(shè)需求。需要搭建一個(gè)高速、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)目前水廠主流的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，計(jì)劃選擇光纖以太網(wǎng)為全廠自控網(wǎng)絡(luò)。水廠流程全過程監(jiān)控需要對(duì)廠內(nèi)工藝設(shè)備的電氣控制柜進(jìn)行改造，增加電氣遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，進(jìn)而完成PLC站的修復(fù)、IO模塊的增加及監(jiān)控信號(hào)的接入，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

2 水廠自動(dòng)化監(jiān)控體系建設(shè)

基于飲水廠安全管控需求，采用物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)整個(gè)廠區(qū)的取水、制水、配水工藝流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供給工作人員一個(gè)簡(jiǎn)單直接的展示界面。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)還對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與分析，設(shè)備的工況參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等以圖表的方式展示給工作人員，為監(jiān)管人員科學(xué)管控提供決策支撐。健全水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水廠集中遠(yuǎn)程控制，打造水廠一體化智能監(jiān)控體系。

2.1 水廠取水自動(dòng)化監(jiān)控組網(wǎng)架構(gòu)

水廠信息監(jiān)控由信息采集模塊、控制單元、傳輸模塊、存儲(chǔ)展示模塊等部分組成，其中信息采集包括水量、壓力、水泵運(yùn)行狀態(tài)、視頻等信息，數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象可分為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于不在廠區(qū)內(nèi)的取水口、加壓站、分支管網(wǎng)等站點(diǎn)需采用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行信息監(jiān)測(cè)；對(duì)于廠區(qū)內(nèi)的信息可通過光纖、屏蔽線直連的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)。此外，水廠監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)可由中控設(shè)備進(jìn)行各類數(shù)據(jù)匯總采集，并由數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站統(tǒng)一上傳至省級(jí)平臺(tái)。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)落地于各水廠，省級(jí)平臺(tái)通過流媒體點(diǎn)播服務(wù)的方式進(jìn)行調(diào)看。

2.2 取水工程自動(dòng)化監(jiān)控

龍江水廠取水工程包括取水池、取水泵機(jī)組、積水井潛水泵、電氣控制柜、PLC控制柜、取水管道等。已建自動(dòng)化控制系統(tǒng)，4組取水泵已實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地軟啟方式控制。取水工程監(jiān)測(cè)與控制方案包括取水泵房電氣控制柜改造、 PLC控制柜改造、感知設(shè)備增加、視頻監(jiān)控增加、網(wǎng)絡(luò)通過光纖實(shí)現(xiàn)與水廠中控室的互聯(lián)。

2.3 配水/供水工程自動(dòng)化監(jiān)控

水廠配水/供水工程自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括加藥間、沉淀池、濾池、清水池、加氯間、送水泵房等區(qū)域設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠制水工藝的全流程監(jiān)管。

2.3.1 加藥設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制。加藥間主要由加藥泵（2組）及PLC控制柜、攪拌機(jī)（3組）及控制柜、加藥池、攪拌池等部分組成。加藥間監(jiān)測(cè)與控制方案包括加藥間PLC控制柜改造、視頻監(jiān)控、感知設(shè)備增加、網(wǎng)絡(luò)通過光纖實(shí)現(xiàn)與水廠中控室的互聯(lián)。

2.3.2 過濾設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制。過濾設(shè)施自動(dòng)化控制系統(tǒng)由8個(gè)測(cè)控PLC分站、相關(guān)8個(gè)原水閥、8個(gè)清水閥、8個(gè)沖洗閥、8個(gè)排水閥等部分組成。實(shí)現(xiàn)進(jìn)水、處理、反沖洗等操作過程，目前已實(shí)現(xiàn)4類閥門的遠(yuǎn)程控制。過濾設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制方案包括 PLC控制柜改造、濾格液位監(jiān)測(cè)增加、視頻監(jiān)控增加、閥門開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、對(duì)加氯設(shè)備、平流沉淀池設(shè)備等的控制信號(hào)全部納入濾池控制柜。

2.3.3 消毒設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制。加氯是最常見的消毒方式，龍江水廠采用帶壓自動(dòng)加氯裝置進(jìn)行加氯消毒，有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可對(duì)加氯量進(jìn)行調(diào)節(jié)。加氯設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制方案為將現(xiàn)有漏氯報(bào)警儀信號(hào)接入濾池控制柜，實(shí)現(xiàn)漏氯自動(dòng)報(bào)警；在加氯間入口處增加人員進(jìn)出紅外報(bào)警器，將報(bào)警信號(hào)接入到濾池控制柜。

2.3.4 送水設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制。龍江水廠供水泵站由6臺(tái)供水泵及相關(guān)自動(dòng)化PLC控制柜組成，其中2臺(tái)泵向香隅化工園供水，4臺(tái)泵向茅屋瀏加壓泵房供水。送水設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制方案包括PLC控制柜改造、感知設(shè)備增加、視頻監(jiān)控增加、網(wǎng)絡(luò)通過光纖實(shí)現(xiàn)與水廠中控室的互聯(lián)。

2.4 茅屋瀏加壓泵站自動(dòng)化監(jiān)控

茅屋瀏泵站共有7臺(tái)泵，4臺(tái)向東至配水泵站供水，3臺(tái)向香隅鎮(zhèn)供水，所有加壓泵均為現(xiàn)地人工控制。加壓站現(xiàn)場(chǎng)存在臨時(shí)布線，需整改，PLC控制柜需要整改或更換。送水設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制方案為PLC控制柜改造、感知設(shè)備增加、排水設(shè)備增加、排氣設(shè)備增加、視頻監(jiān)控增加、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與水廠中控室間的通訊與交互。

2.5 水廠中控室改造與提升

水廠中控室是匯總設(shè)備采集信息、顯示水廠運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制的樞紐，是為水廠提供監(jiān)視、控制、展示、會(huì)商為一體的多功能控制室。從硬件配備上來說，中控室包含工控機(jī)、信息顯示大屏等主要設(shè)備。中控室改造因水廠原有中控室設(shè)備陳舊，已無法正常工作，本次擬對(duì)其進(jìn)行改造，主要包括：原有舊機(jī)柜、吊頂、隔斷等設(shè)施設(shè)備的拆除工程；水、電、網(wǎng)、防靜電地板及墻面等基礎(chǔ)工程完善；觸控大屏、工控機(jī)、交換機(jī)等中控室信息化建設(shè)；數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)畫面編輯、統(tǒng)計(jì)分析、供水調(diào)度、報(bào)表管理等中控系統(tǒng)軟件建設(shè)。

3 結(jié)束語

對(duì)龍江水廠進(jìn)行農(nóng)村飲水安全工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)改造，是提升水廠供水監(jiān)管能力，保障供水安全，用信息化技術(shù)促進(jìn)水廠監(jiān)管自動(dòng)化、信息化與智能化的重要手段，建成后將有利于提升當(dāng)?shù)氐娘嬎踩娃r(nóng)村飲水安全工程的現(xiàn)代化水平。