智慧農村飲水遠程監控系統的設計

韋 樂，丁 欣，尹江紅，鐘泰全

（廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023）

1 概述

1.1 農村飲水安全概況

飲水安全不僅是要保障人民群眾喝上水，而且喝的是放心水。在“十三五”期間，通過建設，全國提升了超過2.7 億的農村人口的供水保障水平，全面地解決了1095 萬貧困人口的高氟水、苦咸水等飲水安全問題。全國農村自來水的普及率、集中供水率分別達到了83%和88%，農村供水保障水平得到了顯著地提升[1-2]。

《全國“十四五”農村供水保障規劃》提出了農村供水建設和管理的新標準，對“十四五”期間新建和改造的農村供水工程，在建設、運行管護、水源保護、維修服務、水價機制、用水戶參與等管理方面提出了明確要求。《規劃》指出，預計到2025 年，全國農村自來水的普及率要達到88%，將進一步優化農村供水布局，進一步完善工程長效運行管理體制機制，農村供水的保障水平更高。到2035 年，我國將基本實現農村供水的現代化[3]。

“食以水為先”，農村供水的現代化程度直接影響人民生活的幸福感，必須堅持以人民為中心，加強水質安全保障，提高供水系統運行管理，不斷提高農村飲水安全的保障能力，激發全面振興發展的強大動力，全力助推鄉村振興戰略順利實施[4]。

1.2 農村飲水存在的主要問題

據統計，截至2021 年底，全國仍有將近20%的農村、城鎮居民使用分散式供水系統。使用分散式供水系統的1.6 億人口主要分布在中西部地區。受資金、投資標準等因素的制約，早期及中期建設的飲水工程存在覆蓋率小、水處理工藝貧乏、供水系統供水保障率低等缺陷。全中國千噸數萬人規模以上供水系統還有20%～30%的工程需要配套能夠完善凈化消毒和進行處理的設備水質、渾濁度化驗室。所設計供水系統規模為20～1000 的供水工程，50%～60%需要配套改造凈水設施和進行消毒的設備。其中設計供水規模為20（收益人口在200 人范圍內）以下的供水工程，基本沒有凈水設施和消毒等設備，水質保障達不到基本要求[5]。

由于農村人口居住分散，供水工程施工難，后期維護成本高，農村居民經濟承受能力有限，大多數單村系統工程建設十分困難。一是部分供水工程運行到后期維護和管理費用嚴重不足[8]。城鎮及農村供水實際上執行的水價低成本價，大部分供水工程難以估計折舊費和大修費，不具備后期供水系統的大修和更新改造的能力。二是由于農村供水工程建設普遍存在規模小，集約化、多樣化等機制的建立比較困難管理。

根據實地調研某城鎮10 余個村莊，目前這些村莊主要通過抽取地下水到供水水塔，然后通過管網供輸送到各家各戶供村民飲用。近年來因使用水量的增加和供水系統的設備老化的原因，導致村里的供水系統出現不少問題：

（1）供水控制系統可靠性差

現有的農村供水系統是繼電器控制，通過浮球開關來控制水位。由于控制回路可靠性差，經常導致冒罐、停水等故障發生，使得供水不穩定。

（2）無法遠程監控，供水系統信息傳遞不及時

現有控制系統為就地控制，基本遠離村莊1-2 公里，無法進行遠程監控，導致供水信息傳遞不及時，設備管理困難，監管不到位。

（3）無水質檢測功能

根據《農村飲水安全評價準則》（T/CHES18-2018）的安全評價標準，農村飲用水的PH 值、色度、臭和味、渾濁度、肉眼可見物等要符合標準，現有系統無水質檢測功能，水質易出現渾濁、PH 值超標等問題[6]。

（4）供水系統運行能耗大

由于現有系統自動化程度低，無法準確地檢測系統的實際水位，無法智能地進行運行與管理，造成能源浪費。

合理、適當的開發和保障飲用水資源，通過提高農村供水的現代化水平來帶動基層群眾生活水平的提高，通過加強飲水安全工程的信息化建設來解決民生問題，在惠農工作的促進方面也起到了重要作用[7]。

2 系統設計

2.1 系統功能

針對上述農村供水系統存在的問題，根據原有設備的基礎上進行系統設計和改造，系統應有以下功能和特點：

（1）系統結構簡單、使用方便，并具有故障率低、功耗低、控制精度高等特點；

（2）監控手段多樣化，用戶可通過手機，電腦等終端設備進行對系統進行遠程控制，具有對水位、水質PH 值、渾濁度等監視效果；

（3）系統擴展能力強，系統進行設備加裝時不會影響原有設備正常運行，制造周期短，后期維護簡單。

（4）系統控制能優化調節，降低運行損耗，能達到節能的目的。

（5）能對系統管理提供數據查詢功能，包括用水量歷史曲線、故障報警記錄、操作記錄等。

2.2 系統設計思路

為滿足系統的功能和需求，通過采用PLC 控制技術、網絡技術、組態技術、自動檢測技術等，由PLC、變頻器、遠程服務器、液位傳感器、PH 傳感器等元器件組成控制系統[8]。系統通過液位傳感器、渾濁度傳感器等對水位、渾濁度等參數進行采集，PLC 通過對采集而來的信息進行分析判斷，完成對水塔、水泵等設備的控制；通過利用遠程控制模塊將水位、水泵等參數實時傳輸到遠程PC 終端，同時用手機APP 作為系統的輔助管理手段，實現在線監視、故障報警等功能，實現對飲水系統的遠程監控。系統控制框圖如圖1 所示。

圖1 智慧農村飲水安全遠程監控系統控制框圖

本系統控制框圖以鄉鎮級供水監控系統為例，每個子系統對應一個村莊的供水水站，每個供水水站可以單獨監控運行，也可以進行組網，有鄉鎮水利部門集中監控；監控系統架構以實際情況為準，可根據實際情況進行系統擴展。

2.3 硬件選型設計

系統硬件的主要組成設備包括：液位傳感器、西門子S7-1200PLC、西門子MM440 變頻器、遠程控制模塊、水質監測儀表等。系統主要設備功能和特點如下：

（1）本系統采用WH311 型液位傳感器，本產品采用全不銹鋼封焊，在產品密封性、抗沖擊能力、防潮性等性能比較顯著，可將水位的壓力轉換成標準的電信號4-20mA，產品的性能可靠、測量精確[9]。

（2）西門子S7-1200 是一款性能優越、功能強大的PLC，它配合博圖軟件，易于設計，可以方便地組態、使用功能齊全的控制指令，與西門子其他設備進行無縫連接；既能完成比較簡單邏輯控制，也可以完成數據處理、網絡通信的高級應用，目前廣泛應用于工業控制現場。

（3）MM440 變頻器由整流器、逆變器、保護電路等組成，主要用于電機的調速，具有運行可靠性高、功能多樣性等特點，且在工業應用中使用廣泛。由本系統使用MM440 變頻器主要是根據系統的控制要求用來控制水泵的轉速，達到節能的目的[10]。

（4）本系統采用威綸通SVR-200 服務器。SVR-200 遠程服務器能使用平板、手機、電腦進行遠程操作與監控。不在控制現場時，能進行PLC 遠程穿透直接控制。它支持802.11b/g/n 通訊標準與WPA/WPA2安全模式，即使在比較復雜的控制環境中，也能快速迪、精確的、安全地傳送數據。

（5）PH 水質檢測傳感器是用來檢測水質中的PH值，系統選用中核儀表生產的CN11D 型傳感器，包含變送器、PH/ORP 電極、電極安裝支架等基本部件，使用方便，測量精度高[11]。

通過設備安裝調試，實驗系統模型如圖2 所示。

圖2 智慧農村飲水安全遠程監控系統整體結構圖

2.4 軟件設計

軟件設計包括PLC 程序設計和上位機監控系統設計。

2.4.1 PLC 程序設計

PLC 程序采用西門子博圖軟件V16 進行編程，此軟件編程指令豐富、簡單易用，采用結構化編程方式，以比較簡單易懂的梯形圖語言編寫。程序控制流程如下：PLC 上電運行后，先進行程序初始化；然后系統根據外部信號進行判斷是就地控制還是遠程控制，若為就地操作，由水站工作人員進行手動操作控制；若為遠程操作，則上位機監控系統通過接收PLC 上傳的數據對PLC 進行控制；當進行自動控制時，則通過各個水站的PLC 傳送的監測信號和給定信號，自動進行控制[13]。

程序流程如圖3 所示。

圖3 智慧農村飲水安全遠程監控系統程序流程圖

主要程序說明：

（1）數據采集程序：包括水位、流量等數據采集。水位采集程序說明：通過采用NORM_X、SCALE_X指令來完成水位高度的數據處理。NORM_X 為模擬量標準化，SCALE_X 模擬量縮放，IW96 為水位高度的采集地址，10.0 為液位傳感器的最大量程。

（2）變頻控制程序：當水位低于1 m，變頻器以50 Hz 運行；當水位超過1 m，低于4 m，變頻器以20 Hz運行；當水位高于4 m，變頻器停止運行；通過不同水位高度來調節水泵轉速，達到節能的目的。

（3）故障報警程序：例如當采集到的水管管道壓力數值異常時，即接通報警指示燈進行故障報警。

2.4.2 上位機監控系統設計

上位機監控系統的開發采用威綸通公司開發的EBproV6.08 版本的組態軟件來實現。EBpro 軟件在觸摸屏界面設計，數據的傳輸、保存、維護、管理等方面功能十分強大，并且EBpro 具有良好的開放性，可與多種控制器進行通信，因此選擇EBpro 作為上位機組態軟件可以提高開發的效率，優化系統流程[12-13]。

綜合考慮系統功能和控制要求，我們設計了監控操作界面。界面包括供水系統的主界面、數據查詢界面、報警記錄以及通訊測試等界面。具體實現以下功能：

（1）能夠實時監測供水系統的水位、流量、PH 值等參數，并對這些參數進行超值報警。

（2）對系統運行方式進行選擇，并顯示當前的運行狀態。

（3）能水泵的電壓、電流等運行參數進行實時顯示，以及是運行狀態；并能通過界面設置水泵的運行頻率，控制水泵啟停。

（4）可以進行查詢供水系統運行趨勢圖、相關數據報表、報警記錄等[14-15]。

3 實驗仿真

通過對實驗室模型設備進行功能測試，測試的結果顯示系統能完好的實現控制功能要求，系統運行監控界面如圖4 所示。

圖4 系統上位機監控界面

傳統的繼電器供水控制系統與加裝智慧農村飲水安全遠程監控系統，從農村飲水安全的4 個指標進行對比，兩個系統使用效果對比如下：

表1 系統使用效果對比

通過對比可以得出，加裝智慧農村飲水安全遠程監控系統后，在供水的水質、水量、方便程度和保障率上，都比傳統的繼電器供水控制系統有了很大的提高。

4 結論

通過加強互聯網信息化的飲水工程建設，是促進各地區農村飲水安全鞏固提升的重要手段，達到農村飲水工程一體化管理的目的。農村供水系統通過加裝智慧農村飲水遠程監控系統，可以將先進的互聯網技術逐步推廣和應用到各地區農村飲水安全工程的取水、分析水、檢測水、制水、用水等環節，進一步完善和實現各地區農村飲水安全全過程實時監測和水質分析處理等，也可以有利于行政主管部門的實時監管；同時，也要完善管理機制，加強制水企業在農村安全飲水工程中的主體作用和行政主管各部門的監督指導作用，為保證農村飲水安全發揮重要作用。提高農村飲水安全，不僅是鞏固脫貧攻堅成果，也是為全面推進鄉村振興提供有力的支持和保障。