李 鑫

(平?jīng)鍪袥軚|水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?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(chǎn)及生活用水需求。部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)位于糧食主產(chǎn)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?yàn)檗r(nóng)田灌溉提供支持[1]?；诮邓考竟?jié)性差異，供水系統(tǒng)對(duì)設(shè)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(dòng)化程度?；诖?，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(dòng)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(guó)家與政府共同關(guān)注的問題，隨著人們物質(zhì)生活水平的提升，人民群眾對(duì)供水質(zhì)量及供水可靠性均有著較高的要求。當(dāng)前，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水仍采用的是機(jī)井泵房，所用蓄水池為高位蓄水池，在輸水管網(wǎng)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(chǔ)，對(duì)3臺(tái)水泵的集中控制情況進(jìn)行探討，其構(gòu)架見圖1。

圖1 3臺(tái)水泵集中控制結(jié)構(gòu)圖

若水位較啟動(dòng)水位低時(shí)，可以借助設(shè)計(jì)的水泵采用蓄水池實(shí)施蓄水；若較停機(jī)水位高，水泵會(huì)暫停工作。通過如下兩種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)：①在進(jìn)行啟動(dòng)水位、停機(jī)水位設(shè)定時(shí)，需要對(duì)蓄水池容量進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行自行設(shè)定[2]。②水泵的數(shù)量能夠根據(jù)需求自由選擇：當(dāng)處于需水旺季，能夠滿足3臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行；當(dāng)處于淡季時(shí)，采用3臺(tái)水泵輪換工作的方式，能夠防止高峰期單臺(tái)泵需求不足的問題；在低峰期，一臺(tái)水泵能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，滿足水泵日常工作。

本研究對(duì)系統(tǒng)模型構(gòu)建如下：采用高位蓄水池參數(shù)為500 m3，額定電壓參數(shù)設(shè)定為380 V，額定功率參數(shù)為37 kW。僅需要一臺(tái)變壓器便能夠完成對(duì)3臺(tái)水泵的供電，其在工作中多需要調(diào)整為延遲工作，在水泵啟動(dòng)與停機(jī)方面可以對(duì)開機(jī)延遲時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。每臺(tái)水泵均對(duì)應(yīng)1個(gè)子站，采用軟起動(dòng)器氣動(dòng)的方式，采用PLC進(jìn)行控制，且該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)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(gè)從站機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)與蓄水池的水位均能夠在觸摸屏上顯示，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)泵的遠(yuǎn)程控制。考慮到地理位置情況，需要通過無(wú)線電臺(tái)由主站與3個(gè)從站構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

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

2.1 多臺(tái)水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)

多臺(tái)水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)將液位測(cè)量作為基礎(chǔ)，水泵投入與退出均實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)化，其是通過各類數(shù)據(jù)運(yùn)算與控制實(shí)現(xiàn)的。3臺(tái)機(jī)井從站PLC系統(tǒng)、蓄水池主站是數(shù)據(jù)的主要來源，能夠?qū)收稀z修、遠(yuǎn)程及通信等進(jìn)行信號(hào)識(shí)別與讀取，可以將啟動(dòng)與停止寫入PLC，蓄水池液位是主站模擬的常見信號(hào)。多臺(tái)水泵自動(dòng)控制需要變量見表1。

表1 3臺(tái)水泵自動(dòng)控制需要變量

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)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(wǎng)等4個(gè)方面，其中水源井能夠采集水源井位置電機(jī)的電量參數(shù)，獲得潛水泵與電壓、電流變量信號(hào)后，能夠向智能電量變送器傳遞，結(jié)合傳遞的電壓與電流信號(hào)能夠?qū)﹄姍C(jī)功率進(jìn)行計(jì)算，如有功與無(wú)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(tái)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)剿畯S上位機(jī)。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(duì)水池中水位數(shù)據(jù)量進(jìn)行采集。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 水廠監(jiān)控系統(tǒng)

1) 圖形顯示功能。在通訊網(wǎng)絡(luò)作用下，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)采集的數(shù)據(jù)予以呈現(xiàn)，具有直觀、友好的特點(diǎn)。根據(jù)組態(tài)軟件能夠獲得圖形控件與工況圖樣，對(duì)工業(yè)界面進(jìn)行繪制，且具有編輯功能，一方面能夠縮短軟件設(shè)計(jì)用時(shí)，另一方面能夠保障開發(fā)周期。

2) 實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)采集。工業(yè)設(shè)備運(yùn)行與管網(wǎng)各種情況均采用自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)，其能夠?yàn)楣芫W(wǎng)安全運(yùn)行提供可靠的參考。監(jiān)控軟件能夠?qū)λ淳⑺畯S進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與歸檔。鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理。數(shù)據(jù)主要來源于兩個(gè)方面，其中一類為人工錄入的數(shù)據(jù)，另一類是監(jiān)控系統(tǒng)中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4) 數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)報(bào)表是生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)及狀態(tài)，人們可以對(duì)歷史報(bào)表進(jìn)行制作。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)曲線相結(jié)合的方式，能夠反映出變量在某一時(shí)間段產(chǎn)生的變化，其日常運(yùn)行見圖3。

圖3 水廠運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)查詢

2.4 控制系統(tǒng)功能

2.4.1 自動(dòng)加藥加氯

作為一個(gè)閉環(huán)反饋控制過程，自來水加藥加氯多需要應(yīng)用余氯檢測(cè)儀、濁度儀進(jìn)行檢測(cè)，將其與PLC預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，對(duì)計(jì)量泵的頻率作出相應(yīng)的計(jì)算與調(diào)節(jié)。在RS485通訊作用下，一體化加氯加藥機(jī)能夠與PLC平臺(tái)相連接。水廠自原水抽水且經(jīng)過沉淀后在反應(yīng)池有水，可以通過參數(shù)設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)加藥機(jī)，濾池向清水池供水時(shí)，能夠?qū)⒓勇葯C(jī)計(jì)量泵的自動(dòng)啟動(dòng)功能開啟。此時(shí)水廠無(wú)需從原水抽水，可以停止加氯加藥。采用加氯加藥自動(dòng)設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)人工節(jié)約，有利于降低損耗，保障自來水水質(zhì)。

2.4.2 自動(dòng)排污

長(zhǎng)時(shí)間的沉淀會(huì)導(dǎo)致配水池底部遺留大量的淤泥，因此需要對(duì)底部排污閥進(jìn)行排污處理，對(duì)于出水質(zhì)量能夠產(chǎn)生可靠的保障。DO信號(hào)能夠?qū)χ虚g繼電器進(jìn)行控制，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)排污閥的控制。通常鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能水廠排污閥多，需要較長(zhǎng)時(shí)間排污，容易導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，因此可以通過控制邏輯編程，標(biāo)記排水閥，根據(jù)指令對(duì)排污閥排污時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，做到限時(shí)排污[4]。對(duì)子程序運(yùn)行周期進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，可以選擇1次/d、1次/周，循環(huán)用水，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排污。

2.4.3 觸摸屏系統(tǒng)

將觸摸屏作為基礎(chǔ)，其能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，對(duì)數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理。在MCGS嵌入版作用下，能夠按照順序?qū)ΡO(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行，且能夠?qū)ο嚓P(guān)指定進(jìn)行輔助，為實(shí)現(xiàn)多水泵的集中控制，可以在MCGS作用下完善運(yùn)行策略。通常為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自由控制，需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模式、水泵參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，對(duì)水泵的打開與關(guān)閉進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到同時(shí)控制多臺(tái)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(duì)恒定，具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，一方面能夠節(jié)省電能，另一方面能夠提升自動(dòng)化程度。采用PLC邏輯能夠設(shè)定相應(yīng)的水壓制，對(duì)變頻器頻率進(jìn)行合理調(diào)控，使得水泵轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水壓的作用。

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

選擇TPC7062Ti觸摸屏，其包括2個(gè)串口，COM2連接電臺(tái)，能夠?qū)?#、2#、3#機(jī)井相關(guān)信息進(jìn)行接收，COM3連接主站PLC，能夠?qū)σ何恍畔⑦M(jìn)行采集。首先將MCGS嵌入版組態(tài)環(huán)境進(jìn)行啟動(dòng)，然后按照步驟對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶窗口及運(yùn)行策略進(jìn)行創(chuàng)建。每個(gè)變量均具備對(duì)應(yīng)的存盤與報(bào)警屬性，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)基本屬性作出相應(yīng)的修改，如對(duì)象定義、類型與內(nèi)容注釋等[5]。

用戶窗口的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)井檢測(cè)與參數(shù)設(shè)置，前者能夠?qū)\(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置，見圖4。開關(guān)元件應(yīng)采用手動(dòng)/自動(dòng)切換的設(shè)計(jì)方式，其在井1、2、3條件下均可見，當(dāng)需要進(jìn)行切換時(shí)，將自動(dòng)變量設(shè)置為1。當(dāng)處于自動(dòng)狀態(tài)下，操作屬性設(shè)置需要啟動(dòng)按鈕，按下按鈕便能夠完成對(duì)1的自動(dòng)啟動(dòng)。其按鈕基本相同，僅在參數(shù)上存在細(xì)微偏差。設(shè)置窗口主要涉及到水池設(shè)置、機(jī)井選擇與泵啟動(dòng)間隔設(shè)置等。

圖4 機(jī)井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

輸入程序

井1啟動(dòng)=1

!timerRun=1

!timerWaitFor(2，開停機(jī)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(dòng)狀態(tài)停止命令時(shí)，自動(dòng)停止會(huì)首先對(duì)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)進(jìn)行判斷。若單臺(tái)運(yùn)行，需要發(fā)送出停止命令。若兩臺(tái)處于運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)先判斷編號(hào)，選擇一臺(tái)停止，對(duì)定時(shí)泵調(diào)用，延遲操作，對(duì)定時(shí)器復(fù)位，然后將另一臺(tái)水泵停止。3臺(tái)同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下，可以先停1臺(tái)，進(jìn)入延遲命令，停止第2臺(tái)，然后延遲命令，將井3停止，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

自動(dòng)化控制是鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水系統(tǒng)運(yùn)行的趨勢(shì)，但目前人工智能在供水行業(yè)中的硏究及應(yīng)用尚處于起步階段，相關(guān)人工智能技術(shù)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(yīng)結(jié)合供水業(yè)務(wù)需求，圍繞數(shù)據(jù)、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(shì)，促進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)智能化供水自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)。