潘　冰，冉丹婷，王庚平（.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅蘭州73000；.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州73000）

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自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)村安全飲水工程中的應(yīng)用

潘冰1，冉丹婷2，王庚平1
（1.甘肅省膜科學(xué)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730020；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730020）

摘要：甘肅省古浪縣劉楊村人畜飲水工程是甘肅省科技廳黨組根據(jù)甘肅省省委、省政府關(guān)于在全省范圍內(nèi)開展“聯(lián)村聯(lián)戶、為民富民”行動(dòng)的一項(xiàng)重點(diǎn)民生項(xiàng)目。本項(xiàng)目采用單村供水模式，全村共建設(shè)和改造有水源井1座、供水站1座，3座蓄水池等。全部采用了經(jīng)濟(jì)可靠的自動(dòng)化控制技術(shù)和手機(jī)遠(yuǎn)程管理技術(shù)，進(jìn)一步提高了農(nóng)村飲水安全供水工程的管理水平，達(dá)到運(yùn)行的無人值守。實(shí)現(xiàn)供水工程運(yùn)行可靠、高效的目的。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；飲水安全；供水；應(yīng)用

1　概述

我國是農(nóng)業(yè)大國、人口大國，境內(nèi)水資源匱乏，位居世界各國之后，農(nóng)業(yè)人口眾多，飲水安全問題突出。近年來，黨中央、國務(wù)院堅(jiān)持以人為本，把農(nóng)村飲水安全這一民生工程作為解決“三農(nóng)”問題的重要舉措，投入巨資建水廠，鋪管道，旨在改善農(nóng)村飲水條件，提高人民群眾生活質(zhì)量。但由于農(nóng)村安全飲水工程普遍存在供水點(diǎn)分散、自動(dòng)化程度低等問題，飲水工程的管理運(yùn)行上需要耗費(fèi)大量的人力物力，造成飲水工程設(shè)施運(yùn)行效率低，管理成本上升等不利因素，因此，將穩(wěn)定可靠而且經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)化技術(shù)推廣應(yīng)用在農(nóng)村飲水工程上，對(duì)于提升了我國農(nóng)村供水工程的自動(dòng)化程度，在促進(jìn)供水科技進(jìn)步、提高管理水平以及優(yōu)質(zhì)、安全、低耗供水等方面具有長遠(yuǎn)意義。

2　劉楊村人畜飲水工程概況

新堡鄉(xiāng)劉楊村位于甘肅省武威市古浪縣東南部的干旱山區(qū)，平均海拔2300m，現(xiàn)有農(nóng)戶191戶，共832人。由于地處干旱山區(qū)，地理環(huán)境和自然條件制約，加之農(nóng)戶居住分散，村里僅有淺水井一眼，農(nóng)畜飲水矛盾突出。同時(shí)淺水井水質(zhì)不佳，主要表現(xiàn)為氨氮和大腸桿菌超標(biāo)，飲水安全嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的健康。

為了徹底解決劉楊村人口飲水安全問題，甘肅省科技廳結(jié)合劉楊村人畜飲水困難的突出矛盾，經(jīng)多方協(xié)調(diào)，落實(shí)資金，并由甘肅省膜科院設(shè)計(jì)承建的一項(xiàng)民生工程。工程順利建成了2座50m3、1座 25m3地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)畜水池。同時(shí)敷設(shè)安裝了2300m的輸水管道以及1臺(tái)深井潛水泵、2臺(tái)供水泵、2臺(tái)供水潛水泵井，并配置遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)1套，供水量達(dá)到25t/h，工程調(diào)試完成后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人值守供水。

3　自動(dòng)化控制系統(tǒng)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)由水源控制系統(tǒng)、供水控制系統(tǒng)和現(xiàn)場信號(hào)采集遠(yuǎn)傳控制系統(tǒng)等組成。

3.1水源控制系統(tǒng)

根據(jù)供水要求，供水站建有深度為80m的水源井1座和50m3的調(diào)節(jié)池1座。每眼井配備一臺(tái)157QJ132-120/10-18.5深井潛水泵和一臺(tái)水泵就地控制柜（功率45KVA），根據(jù)調(diào)節(jié)池水位控制潛水泵啟動(dòng)、停止。調(diào)節(jié)池中液位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)深井潛水泵，調(diào)節(jié)池高液位時(shí)停泵，控制柜具有手動(dòng)自動(dòng)控制模式，可自動(dòng)控制，也可手動(dòng)控制，同時(shí)具有短路、過流、過壓、過載等多種保護(hù)功能。

3.2供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)考慮到當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶分散居住在兩個(gè)集中居住點(diǎn)，共建有2座清水池，因?yàn)?座清水池相距供水站較遠(yuǎn)，考慮到工程預(yù)算和后期維護(hù)，2座清水池的供水管路共用同一管線，供水時(shí)先將較近的25m3清水池（下稱A水池）蓄滿后關(guān)閉A水池進(jìn)水端設(shè)置的進(jìn)水電動(dòng)閥。即A水池停止進(jìn)水，后再將深井水輸送至較遠(yuǎn)的50m3清水池（下稱B水池），當(dāng)B水池蓄滿后關(guān)閉位于B水池進(jìn)水端的進(jìn)水電動(dòng)閥，當(dāng)2座水池的進(jìn)水閥同時(shí)關(guān)閉后，停止輸送水泵，當(dāng)水池液位下降到一定高度時(shí)，重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)循環(huán)供水。如圖2所示。

圖1　供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)概況圖

由于水池液位因?yàn)檗r(nóng)戶取水經(jīng)常發(fā)生變化，因此，人工操作實(shí)現(xiàn)上述邏輯需要耗費(fèi)大量的人力和物力。供水控制系統(tǒng)采用RTU無線遠(yuǎn)程控制的解決方案。設(shè)計(jì)時(shí)在兩個(gè)清水池就地設(shè)置兩臺(tái)RTU現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制箱，可自動(dòng)根據(jù)液位的高低變化控制現(xiàn)場電動(dòng)閥的啟閉，同時(shí)采集現(xiàn)場清水池的水位狀態(tài)自動(dòng)遠(yuǎn)傳至位于供水廠的水泵遠(yuǎn)程控制柜，當(dāng)2座水池水位均達(dá)到高水位狀態(tài)時(shí)，水泵遠(yuǎn)程控制設(shè)備自動(dòng)停止供水泵。當(dāng)任意一個(gè)水池液位下降至一定高度時(shí)，水泵遠(yuǎn)程控制設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)供水泵為清水池補(bǔ)水，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)供水的自動(dòng)控制，達(dá)到無人值守的目的。

供水控制系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)閑農(nóng)忙季節(jié)用水量的不同設(shè)置有普通生活供水模式和農(nóng)忙長時(shí)段供水模式兩種模式，普通生活供水模式下，供水泵根據(jù)現(xiàn)場水池液位的高低自動(dòng)運(yùn)行。農(nóng)忙長時(shí)段模式下，水池液位退出自動(dòng)控制邏輯，供水泵的啟停不再由液位的高低控制，在現(xiàn)場水池水滿后可通過閥門的切換為灌溉用蓄水池（原有設(shè)施）不間斷供水，滿足農(nóng)戶長時(shí)段用水的要求。

除此之外，同時(shí)供水控制系統(tǒng)最大限度地考慮了各種可能發(fā)生的供水故障，并依此設(shè)計(jì)有完善的保護(hù)功能，包括熱過載保護(hù)、斷相保護(hù)、過流保護(hù)、水池水位過低保護(hù)、以及管道超壓保護(hù)等，提高供水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性。

3.3手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

由于飲水工程建設(shè)位于落后山區(qū)，管理人員均為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶，缺少管理相關(guān)的專業(yè)技術(shù)。為了保證供水設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。飲水工程設(shè)計(jì)了手機(jī)管理系統(tǒng)。將軟件分別植入到位于供水站的水泵遠(yuǎn)程控制柜和位于清水池旁的現(xiàn)場遠(yuǎn)程控制箱的核心控制模塊中，管理人員可以通過發(fā)送手機(jī)短信“查詢”隨時(shí)對(duì)整套控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。同時(shí)可以發(fā)送“啟動(dòng)”“停止”短信隨時(shí)啟動(dòng)或關(guān)閉供水泵。除此之外當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)水泵過載，水池水位過低、管道超壓等故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送故障信息到管理人員的手機(jī)上。方便管理人員隨時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)維控和故障排除。

4　經(jīng)濟(jì)效益分析

供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，完全實(shí)現(xiàn)無人值守控制，極大地提高了供水系統(tǒng)中水泵的工作效率。

4.1未采用供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)供水工程的運(yùn)行費(fèi)用

在未投入自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)前水泵的管理是由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶承擔(dān)，每月鄉(xiāng)政府給予1200元工資補(bǔ)貼，除此之外，由于最遠(yuǎn)的取水點(diǎn)距離供水點(diǎn)3km，管理人員主要通過摩托車在取水點(diǎn)和供水點(diǎn)兩地來回移動(dòng)以進(jìn)行水泵啟停和閥門開閉的操作。因此，鄉(xiāng)政府給予200元/月的燃油補(bǔ)貼。管理成本合計(jì)為1400元/月。

由于無法及時(shí)根據(jù)水池水位對(duì)深井泵和供水泵的啟停進(jìn)行操作，為保證供水的持續(xù)性，系統(tǒng)內(nèi)深井泵和供水泵在供水時(shí)間段往往是持續(xù)憋壓運(yùn)行，每天共計(jì)運(yùn)行5h。水泵的總功率為45kW，當(dāng)?shù)剞r(nóng)用電電費(fèi)為0.55元/度，每月電費(fèi)為：

每月電費(fèi)=水泵運(yùn)行功率×運(yùn)行時(shí)間×30d×電費(fèi)單價(jià)=45×5×30×0.55 =3712.5元

每月供水的費(fèi)用總額為：

人力成本+電費(fèi)=1400+3712.5 =5112.5元

4.2采用供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)供水工程的運(yùn)行費(fèi)用

投入自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，所有設(shè)備為自動(dòng)運(yùn)行，解放了生產(chǎn)力。每月僅需定期對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行查檢維護(hù)，設(shè)備管理由當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶兼職負(fù)責(zé)，鄉(xiāng)政府給予每月380元補(bǔ)貼（含工資補(bǔ)貼+話費(fèi)補(bǔ)貼+燃油補(bǔ)貼）。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)可根據(jù)水池液位的高低自動(dòng)控制水泵的啟停，水泵運(yùn)行方式改為間斷運(yùn)行，現(xiàn)場計(jì)算每天水泵大約運(yùn)行時(shí)間為2.5h，每月電費(fèi)為：

每月電費(fèi)=水泵運(yùn)行功率×運(yùn)行時(shí)間×30天×電費(fèi)單價(jià)

=45×2.5×30×0.55=1856.25元

每月供水的費(fèi)用總額為：

人力成本+電費(fèi)=380+1856.25 =2236.25元

由以上對(duì)比分析可以看出，采用供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)后每月供水的費(fèi)用降低大約56.2%，極大地減輕了偏遠(yuǎn)貧困鄉(xiāng)村農(nóng)戶的生活負(fù)擔(dān)，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

5　供水自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行效果

綜上所述，采用了RTU技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、供水壓力智能保護(hù)、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能為一體的自動(dòng)化控制技術(shù)投運(yùn)至今，大大降低了運(yùn)行電費(fèi)、減少了管理人員，最大程度降低運(yùn)行管理費(fèi)用。使得小型農(nóng)村供水工程達(dá)到了管理簡單、運(yùn)行正常、持久高效、安全可靠的目的。具有很大的推廣應(yīng)用前景。

6　存在的問題和建議

1）由于農(nóng)業(yè)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，造成電流或電壓出現(xiàn)異常，管理控制設(shè)備有時(shí)處于保護(hù)狀態(tài)，管理人員不能及時(shí)處理。

2）需要加強(qiáng)水站管理人員的技術(shù)培訓(xùn)，使其具備簡單的專業(yè)知識(shí)，達(dá)到可以及時(shí)處理供水系統(tǒng)故障的程度。

參考文獻(xiàn)：

［1］CWT5010用戶手冊(cè)［Z］.盈科互動(dòng)公司.

［2］CWT5010指令手冊(cè)［Z］.盈科互動(dòng)公司.

中圖分類號(hào)：F323