基于云計算的農村單村供水站智能加藥系統設計

摘要：針對農村單村供水站傳統加藥方式存在的問題，文章設計了一種基于云計算的智能加藥系統。該系統集成了余氯在線分析儀、液位計、次氯酸發生器、投加器、PLC控制系統以及云端算法決策系統。通過合理的管路設計，該系統可以對清水池余氯含量進行7×24小時在線監測，并將監測數據通過物聯網反饋至云端，以智能生成產藥和投加藥劑策略，然后發送至PLC控制系統。根據實際試用，清水池余氯含量始終穩定在0.4～0.5mg/L之間，顯著降低了運維成本，具有良好的推廣應用價值。

關鍵詞：農村供水；智能加藥；云計算；PLC控制；次氯酸鈉

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）09-0057-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

農村單村供水站的供水安全直接關系到農村居民的健康。目前，農村單村供水站普遍采用傳統的加藥方式，即利用加藥桶和蠕動泵根據流量設定加藥配比，將次氯酸鈉加入凈水管道。這種方式存在諸多問題：首先，次氯酸鈉藥液儲存不便，易受環境影響而失效，從而降低消毒效果；其次，農村用水不規律，藥液消耗難以精準計算，導致缺藥或藥液浪費；最后，傳統方式依賴人工操作，效率低，運維成本高。這些問題導致清水池有效氯含量難以穩定達標，存在供水安全隱患。

因此，研究設計一套自動化、精準化、智能化的加藥系統，對保障農村供水安全、降低運維成本具有重要意義。本文提出一種基于云計算的農村單村供水站智能加藥系統，旨在實現對水質的實時監測和加藥的自動控制。

1 智能加藥系統實現

1.1 智能加藥系統總體架構

基于云計算的農村單村供水站智能加藥系統總體架構如圖1所示。該系統主要由以下部分組成：前端感知層（包含各類傳感器） 、數據傳輸層（有線/無線網絡） 、云計算平臺和控制執行層（PLC控制系統及加藥設備） 。系統工作流程如下：傳感器實時采集水質參數和設備運行數據，并通過網絡將數據傳輸至云平臺；云平臺對數據進行分析處理，生成控制指令；PLC 控制系統接收指令，控制次氯酸鈉發生器和投加器進行加藥操作，最終實現水質的自動控制。

首先，在供水站的加藥設備和相關的水質監測點安裝各類傳感器，如流量傳感器、水質酸堿度傳感器、余氯傳感器等。這些傳感器實時采集加藥過程中的關鍵數據，包括藥劑流量、供水流量、水質參數等，并將數據傳輸到云計算平臺。

其次，通過有線或無線通信網絡（如以太網、4G/5G網絡等） ，將采集到的數據穩定、快速地傳送到云計算服務器。確保數據傳輸的及時性和準確性，減少數據丟失或延遲的情況。

然后，利用云計算平臺的海量數據存儲能力，能夠對長期積累的加藥數據和水質數據進行妥善存儲。同時，可以對數據進行分類、索引等管理操作，方便后續的查詢和分析。通過大數據分析技術，對采集到的數據進行實時分析。例如，根據供水流量和水質變化趨勢，建立數學模型來預測加藥量的需求變化。通過對歷史數據和實時數據的對比分析，不斷優化加藥控制策略。根據數據分析結果，云計算平臺生成精準的加藥控制指令，如控制加藥泵的轉速、加藥時間等，以確保藥劑的投加量符合當前供水的實際需求。

最后，加藥泵、攪拌器等加藥設備接收來自云計算平臺的控制指令，并按照指令執行加藥操作。同時，設備狀態監測傳感器將設備的運行狀態反饋給云計算平臺，實現閉環控制。

1.2 子系統功能

1.2.1 次氯酸鈉發生器和投加器

將鹽水稀釋并注入電解槽，電流通過氯化鈉溶液，導致水分解并在電極上發生氧化還原反應。在電解過程中，陽極（正極） 上，氯離子（Cl-） 失去電子，變成氯氣（Cl₂） 逸出。同時，在陰極（負極） 上，水分子（H₂O） 得到電子，生成氫氣和氫氧根離子（OH-） 。在此過程中，氯氣和氫氧根離子在溶液中發生反應，生成次氯酸鈉（NaClO） 和氯化鈉（NaCl） 。次氯酸鈉是發生器的主要產物，具有強烈的氧化性和殺菌能力，可用于水處理和消毒等領域。次氯酸鈉發生器的工作原理是將稀釋后的鹽水注入電解槽，通過電解反應生成次氯酸鈉溶液。其電解化學方程式如下：

2NaCl + 2H₂O = 2NaClO + H₂↑ （1）

式（1） 中：NaCl代表氯化鈉，H₂O代表水，NaClO代表次氯酸鈉，H₂代表氫氣。

此外，次氯酸鈉發生器還通過控制系統對電解過程進行精確控制。控制系統可以監測電解槽中的電流、電壓以及溶液的溫度和濃度等參數，并根據這些參數調整電解條件，以確保次氯酸鈉的穩定生產。

次氯酸鈉發生器規格的選取，主要根據水站的產水規模以及含氯指標確定。根據公式（2） 計算每小時所需的有效氯總量：

每小時有效氯總量（g） =產水規模（t/h） ×余氯含量（mg/L） （2）

式（2） 中：產水規模為用產水流量（t/h） ，余氯含量為（mg/L）。每小時余氯總量為g。比如產水規模為20 t/h，余氯含量為0.5 mg/L，則有效氯總量為：20 ×0.5 = 10 g。考慮到電解過程中食鹽的消耗，每生產1kg有效氯需要消耗4～6 kg NaCl。因此，鹽消耗估算公式如下（此處消耗系數取5.0） ：

每小時鹽消耗量（g） =產水規模（t/h） ×余氯含量（mg/L） ×5 （3）

根據公式（3），結合實際加藥量，推算每天消耗的鹽，從而可以通知運維人員及時加鹽。次氯酸鈉溶液通過次氯酸鈉發生器的提升泵投加送入清水池。每小能投加的有效氯可以通過公式（4） 計算[1]：

每小時投加有效氯=額定流量×藥液濃度×投加頻率 （4）

式（4） 中，額定流量為提升泵每小時能投入的體積，單位為（L/h） ；藥液濃度為次氯酸鈉中的氯含量，單位為（g/L） ；投加頻率為額定流量的百分比。

一般次氯酸鈉發生器產生的藥液含氯溶度為：6 ～8 g/L[2]。對于額定投加量為9 L，投加頻率為50% 時，每小時可以投加的有效氯為：

每小時投加有效氯（g） = 9 ×6×0.5 = 25g

在產水規模為20 t/h，余氯含量要求0.5 mg/L的條件下，可以選擇提升泵最大容量為9 L，投加頻率為20%～50%。

1.2.2 PLC 控制系統及物聯網通信系統

PLC控制系統是智能加藥系統的核心控制單元，負責數據采集、指令執行和與云平臺通信。其主要功能如下：

1） 數據采集：實時采集清水池液位、余氯值、次氯酸鈉發生器產藥數據、投加數據、管道狀態等關鍵參數，并上傳至云平臺[3]。

2） 執行命令：接收云平臺下發的控制指令，例如加藥頻率、投加管道切換、取樣點位選擇等，并控制相關設備執行相應操作。

3） 通信：通過RS485總線和Modbus RTU協議與現場傳感器和加藥設備進行通信；通過無線網絡和MQTT 協議與云平臺進行數據交互，實現遠程監控和控制[4]。

1.2.3 取樣/投加管道

取樣/投加管道系統由水泵、電磁閥、止逆閥、球閥、管材等組成。PLC控制系統根據云平臺的指令，控制水泵和電磁閥，實現對不同取樣/投加點位的切換，確保水質監測和藥劑投加的均勻性和效率[5]。取樣/投加點位的數量和布局應根據清水池的大小和形狀進行優化設計，以達到最佳混合效果。

1.3 云智能程序

云智能程序負責數據分析、加藥策略制定和預警功能。

1.3.1 動態加藥

云智能程序實時接收現場采集的數據，并根據清水池余氯含量、目標余氯值、液位、出水流量等參數，動態調整加藥頻率，實現精準加藥控制。加藥策略的核心是維持清水池余氯含量在設定范圍內。

1） 清水池余氯含量：通過現場儀表分析并上報，支持定期上報和實時召測。

2） 清水池余氯標準含量：預設值，農飲水一般建議為0.5～1.0 mg/L。

3） 清水池液位/表面積：液位通過現場的液位計監測，表面積根據實際情況設定。

4） 出水流量：通過在出水口安裝流量計進行采集獲取。

5） 累計產藥量：根據設備型號和產藥時間累計計算獲得。

6） 累計加藥量：在某段時間內，計算公式如下：

式（5） 中：F（t）為累計加藥量，F_i為第i 個時間段的投加頻率，T_i為第i 個時間段累計投藥時間，R為每小時額定投藥流量。

具體到每個點位的加藥操作和加藥策略，在保證次氯酸鈉溶液充足的條件下（如遠程啟動自動產藥功能） ，通過動態調整加藥頻率來改變加藥速度，使余氯的含量在短時間內達到標準范圍之內。

1.3.2 預警功能

云智能程序具備以下預警功能。

1） 加鹽預警：根據累計產藥量估算鹽消耗量，并在鹽量不足時發出預警，提醒運維人員及時加鹽。

2） 清水池液位低預警：當清水池液位低于設定閾值時發出預警。

3） 設備維修預警：當系統長時間無法達到目標余氯含量時，發出設備維護預警。

2 試驗分析

為了驗證系統的有效性，在寧波市海曙區橫街鎮云洲村天益供水站進行了實地試驗。水站基本情況如下。

水站名稱：天益水站，地處浙江省寧波市海曙區橫街鎮云洲村；供水規模：112 t/d；膜處理設備流量：20 m3/h；清水池體積：114 t，尺寸為3m×6 m×8 m；余氯含量標準值：0.5 mg/L；次氯酸鈉發生器：每小時最大產藥量為50 g，次氯酸鈉濃度為6000 mg/L；提升泵額定流量：9 L/h，每小時最大食鹽消耗量為200g。

云智能程序采用Java開發，運行在阿里云ECS服務器，與PLC控制系統通過MQTT協議連接，采用物聯網卡，數據采集周期為5分鐘。設計了3個采樣和加藥點位。

2.1 實驗一

實驗條件：出水口無流量，凈水設備持續產水，保持加藥頻率不變；f₀ = 45% ，H₀（液位） = 1.05 m， 產水流量約19 t，X₀（余氯） = 0.0 mg/L。

從圖2可以看出，隨著智能加藥系統的運行，清水池中的余氯含量從0開始逐步逼近目標設定的值，加藥效果明顯。

2.2 實驗二

實驗條件：系統運行一段時間，居民正常用水，凈水設備正常產水，保持清水池余氯含量穩定。從表2可以看出來，在智能加藥系統的控制下，出水流量雖然有所波動，但余氯基本保持不變，效果明顯。在觀察時間段里面：余氯平均值：0.46 mg/L，出水流量平均值：23.115 m³/h。

3 結論

本文設計的基于云計算的農村單村供水站智能加藥系統，能夠實現對清水池余氯含量的實時監測和自動控制，有效解決了傳統加藥方式存在的諸多問題。現場試驗結果表明，該系統能夠將清水池余氯含量穩定控制在目標范圍內，顯著降低了運維成本，提高了供水安全保障水平，具有良好的推廣應用價值。