胡 孟 ，李 瑛 ，李曉琴 ，邵北濤 ，韓劉剛

（1．中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2．陜西省水利廳，710004，西安；3．陜西省洛川縣水務(wù)局，727400，延安）

農(nóng)村飲水安全工程是一項重大的民生工程。隨著農(nóng)村飲水安全建設(shè)力度的加快，農(nóng)村飲水安全的工作重心不可避免地要轉(zhuǎn)移到運行管理上來。傳統(tǒng)依靠人工現(xiàn)場操作和監(jiān)管的模式已越來越不適應(yīng)今后農(nóng)村供水的發(fā)展要求。為實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟和高效供水，豐富行業(yè)監(jiān)管手段，提升農(nóng)村飲水安全現(xiàn)代化水平，迫切需要使用自動化和信息化手段，建立適宜的農(nóng)村供水監(jiān)控系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)建設(shè)概況

洛川縣位于陜西省延安市南部，地處渭北黃土高原溝壑區(qū)，村民居住分散。1994年，嚴重缺水的洛川縣將水利局改建為水務(wù)局，建立了全國第一個縣級水務(wù)局，實現(xiàn)了一龍管水。2007年以來，洛川縣根據(jù)地理條件，結(jié)合省市提出的板塊推進和三年實現(xiàn)飲水安全的總體要求，實施了“七大、五小、四十五個單村”的工程建設(shè)格局，形成了全縣農(nóng)村供水統(tǒng)一水價的整體局面。

2011年開始，為進一步提高農(nóng)村飲水安全工程的精細化管理水平，推動農(nóng)村飲水安全現(xiàn)代化，在相關(guān)項目的大力支持和省水利廳協(xié)調(diào)配合下，選擇洛川縣的吳家河和老廟水廠，建立了水廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)及洛川縣農(nóng)村飲水安全自動化監(jiān)控中心。

1.吳家河水廠

水源為吳家河水庫，設(shè)計規(guī)模1 480 m3/d，設(shè)計人口2.7萬人，覆蓋3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。采用一體化凈水器水處理和二氧化氯消毒。水庫水通過自流輸送至吳家河凈水廠，凈化消毒后進入清水池；通過第一次加壓輸送至師家塬加壓站；通過單獨加壓系統(tǒng)輸送至上圪嶗蓄水池。通過師家塬加壓站二次加壓輸送至吳家河供水總站，第三次加壓輸送至紙村加壓泵站，第四次加壓輸送至靳家塬加壓站，再次加壓輸送至上洪福高位蓄水池。在吳家河供水總站、靳家塬加壓站、上洪福高位水池均通過重力自流的方式為附近村莊供水。

2.老廟水廠

水源為拓家河水庫，設(shè)計規(guī)模1 480 m3/d，設(shè)計人口2.8萬人，覆蓋3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。采用一體化凈水器水處理和次氯酸鈉消毒。水庫水通過水泵提升到輸水溝道，自流至北高陽泵站，加壓抽送到老廟凈水廠，凈化消毒后進入清水池。二次加壓送至槐柏配水廠，經(jīng)過加壓輸送至統(tǒng)將供水站，再次加壓至南兩坑高位水池。靈王及白草靈減壓調(diào)蓄池、南兩坑高位水池等通過自流方式為附近村莊供水。

二、系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計

1.系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

吳家河和老廟水廠供水監(jiān)控系統(tǒng)包含自動化監(jiān)控和視頻安防兩個部分，通過多種通信手段匯總到水廠中控室，再向縣級監(jiān)管中心上傳實時數(shù)據(jù)。對吳家河和老廟水廠組建自動化監(jiān)控系統(tǒng)和視頻安防系統(tǒng)，同時在洛川縣水務(wù)局建立區(qū)域級自動化監(jiān)管中心。水廠級監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器和控制器對水廠相關(guān)設(shè)備、設(shè)施和參數(shù)進行采集和控制，并通過適宜的通信方式上傳匯總到水廠中控室。

水廠監(jiān)控系統(tǒng)，主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括：控制（配電）柜（箱）、傳感器、工控機（服務(wù)器、PC）等。這些設(shè)備通過適宜的通信方式與監(jiān)控系統(tǒng)相連，并通過專用軟件進行水廠運行狀態(tài)的監(jiān)控。

縣級監(jiān)管系統(tǒng)，實時匯總水廠監(jiān)控信息，進行區(qū)域地圖編輯管理、組態(tài)設(shè)計等，并盡可能整合其他水廠的既有自動化系統(tǒng)?？h級監(jiān)管系統(tǒng)在水廠監(jiān)控系統(tǒng)之上，一般只做數(shù)據(jù)的收集，并不往下控制。

2.系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）水廠監(jiān)控系統(tǒng)

①通過PLC控制柜對凈水廠、泵站的主要參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)測；包括水位、壓力、流量、水質(zhì)、電量等參數(shù)以及水泵運行狀態(tài)等。

②通過PLC控制柜使多級泵站之間按照設(shè)定的水位限值完成聯(lián)動控制。

③通過管網(wǎng)中間點和末梢點的數(shù)據(jù)采集，完成壓力、流量、水質(zhì)等參數(shù)的實時監(jiān)測和上傳。

④通過組態(tài)軟件顯示凈水廠、泵站、管網(wǎng)中間點和末梢點的實時數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表制作以及報表輸出等。

⑤監(jiān)控系統(tǒng)能對內(nèi)部信號、外部信號、故障等作出及時響應(yīng)，并完成預(yù)定操作；系統(tǒng)自動記錄設(shè)備故障信息，具備完善的報警功能。

⑥系統(tǒng)能保存必要的歷史數(shù)據(jù)，并對歷史數(shù)據(jù)進行分析、處理、統(tǒng)計和存儲，具有趨勢圖、日志管理、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

（2）縣級監(jiān)管系統(tǒng)

①基于GIS地圖的設(shè)施管理及相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)展示?；诙喾N地圖格式展示所轄區(qū)域范圍內(nèi)供水工程的相關(guān)信息。利用GIS、WebGIS技術(shù)，建立面向多個層次的區(qū)域監(jiān)管地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、工程信息、覆蓋范圍、管網(wǎng)分布、相關(guān)設(shè)施資料及項目管理數(shù)據(jù)的入庫、編輯、查詢、統(tǒng)計等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

②水廠實時監(jiān)控。對已實施自動化監(jiān)控的水廠，可對所屬區(qū)域水廠的運行狀態(tài)、水源、取供水量、水質(zhì)、輸配水管網(wǎng)狀態(tài)以模擬現(xiàn)場環(huán)境的方式進行實時展示和視頻查看，遠程實時動態(tài)了解水廠的運行狀況。

③供水信息管理。對未實施自動化監(jiān)控的水廠，通過水廠靜態(tài)數(shù)據(jù)的錄入和及時更新，實現(xiàn)信息化功能。對工程概況、運行管理、檔案資料、歷史數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)一管理。

④系統(tǒng)管理。包括組織機構(gòu)管理、用戶、權(quán)限、系統(tǒng)幫助和意見反饋。

⑤通過智能移動終端，隨時隨地了解水廠的運行狀況。監(jiān)控系統(tǒng)支持智能移動終端登錄訪問的功能，通過自主研發(fā)的軟件嵌入到移動終端，用戶可以隨時隨地了解管轄區(qū)域內(nèi)水廠的運行情況。

三、硬件選型與制作

1.選型要求

水廠自動化監(jiān)控相關(guān)傳感器、通信模塊、控制器和相關(guān)配套模塊均采購現(xiàn)有的成熟設(shè)備。對于壓力、流量、水位和電量等傳感器，優(yōu)先考慮國產(chǎn)設(shè)備，尤其是內(nèi)部關(guān)鍵零件進口、整體國內(nèi)組裝生產(chǎn)的傳感器。對于流量計，考慮到現(xiàn)場施工方便，優(yōu)先選用超聲波流量計。

水質(zhì)傳感器考慮到一次性價格及后期維護管理，優(yōu)先采購國產(chǎn)設(shè)備，通過對水質(zhì)監(jiān)測柜的綜合設(shè)計，盡可能消除相關(guān)儀表的一些限制，如根據(jù)電極定制流通槽，控制水流速度提升監(jiān)測效果。

對于關(guān)鍵部位和環(huán)節(jié)的控制器（PLC）、重要通信模塊，則考慮選用進口設(shè)備。對于重要的電源轉(zhuǎn)換模塊，首先考慮穩(wěn)定性，再考慮經(jīng)濟性。

2.監(jiān)控柜設(shè)計

根據(jù)實施要求，專門設(shè)計了水源、水廠（泵站）控制柜以及水質(zhì)、管網(wǎng)（末梢）數(shù)據(jù)采集柜。水廠、泵站控制柜集中匯集水廠、泵站的供水信息；管網(wǎng)、末梢數(shù)據(jù)采集柜以數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊為核心，將所測信息上傳至水廠監(jiān)控系統(tǒng)。

水源控制柜，由AC-DC電源、PLC、模擬量與數(shù)字量采集模塊、通信模塊、繼電器和輔助配件等組成。支持接入水位計、流量計、壓力與電量傳感器和水泵開關(guān)狀態(tài)信號；對水泵的啟停輸出控制信號，具備向上位系統(tǒng)通信的功能。

水廠（泵站）控制柜，其組成與水源控制柜相同，支持本地接入水廠流量計、清水池水位計、壓力與電量傳感器和水泵的開關(guān)狀態(tài)信號，對水泵啟停輸出控制信號。對于吳家河和老廟供水總站控制柜，不僅支持本地相關(guān)設(shè)備的接入，同時還要支持子站的數(shù)據(jù)接入?yún)R總。

水質(zhì)監(jiān)測柜，由AC-DC電源、水質(zhì)監(jiān)測傳感器表頭、微控制器、斷路器和輔助配件組成。通常安裝在水廠內(nèi)部，通過微控制器的數(shù)字通信接口，直接接入現(xiàn)場總線。支持接入pH值、電導(dǎo)率、濁度和消毒劑余量等傳感器信號。水質(zhì)監(jiān)測柜還具備遙測、招測等功能。

管網(wǎng)（末梢）監(jiān)測柜，由AC-DC電源、模擬量與數(shù)字量采集模塊、通信模塊和輔助配件組成。主要提供對管網(wǎng)的壓力、流量和部分水質(zhì)傳感器的接入，具備向上位系統(tǒng)通信的功能。

四、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.通信模式

水廠監(jiān)控系統(tǒng)，通常包括有線和無線兩種通信方式。對于傳感器到控制柜的局部通信，由于距離短，一般采用有線方式。對于控制器（子站）到水廠中控室，則需要根據(jù)實際情況選擇。如果距離在100 m以內(nèi)，可使用雙絞線方式的工業(yè)以太網(wǎng)。如果距離較長且現(xiàn)場布線較易，可考慮主干網(wǎng)絡(luò)使用光纖、局部使用雙絞線的工業(yè)以太網(wǎng)。如果距離雖短但布線不便或距離較遠時，可考慮使用無線通信方式。

2.水廠通信

水廠系統(tǒng)主要以主控制柜作為匯總中心，向下采集下位系統(tǒng)或傳感器的數(shù)據(jù)，必要時發(fā)送控制指令；向上發(fā)送實時數(shù)據(jù)或接收控制指令。

吳家河、老廟水廠監(jiān)控系統(tǒng)以供水總站為中心，以凈水廠、多級泵站為子站，建立總站和子站之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)。供水總站通過輪詢方式，掃描每個子站的運行狀態(tài)或下達控制指令。吳家河水庫由于阻擋原因，無法與總站直接通信，實施改造后由吳家河凈水廠的一個子站通過局部無線通信，數(shù)據(jù)匯總到凈水廠的控制器中。

對于吳家河管網(wǎng)及末梢監(jiān)控，則是獨立的無線輪詢掃描，使通信更加穩(wěn)定，縮短通信周期，增大數(shù)據(jù)更新頻率。

每個子站內(nèi)部，傳感器到控制器的通信，通過有線的現(xiàn)場485總線方式進行。其中部分模擬量傳感器（如壓力、水位等），通過4～20 mA電流信號傳到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行采集。

吳家河或老廟供水總站內(nèi)部，建立了一個基于以太網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。不僅可將總控制柜的供水信息匯總到水廠中控室，還可匯總視頻監(jiān)視信號。

3.水廠級系統(tǒng)到縣級系統(tǒng)的通信

水廠級監(jiān)控系統(tǒng)到區(qū)域監(jiān)管中心的通信，由于距離遠，通信一般基于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。洛川縣農(nóng)村飲水安全監(jiān)管中心設(shè)有光纖接入分配的固定IP地址的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可匯總吳家河和老廟供水系統(tǒng)的監(jiān)控信息。

由于此通信網(wǎng)絡(luò)基于電信基礎(chǔ)設(shè)施，要考慮通信中斷或其他異常情況。因此，從數(shù)據(jù)層面，水廠級監(jiān)控系統(tǒng)有自身的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫進行本地數(shù)據(jù)的存儲。而水廠級到縣級系統(tǒng)之間，通過專門的通信中間件進行數(shù)據(jù)安全可靠傳輸，并能在異?；謴?fù)時自動補償歷史數(shù)據(jù)。

五、系統(tǒng)技術(shù)特點

洛川縣農(nóng)村飲水安全自動化監(jiān)控系統(tǒng)，由于覆蓋范圍廣、地形起伏大、供水工藝復(fù)雜，且自動化程度要求高，因此在設(shè)計和實施過程中，采取并形成了多項專有技術(shù)。

1.專門設(shè)計了一體化監(jiān)測柜

對多種指標水質(zhì)監(jiān)測儀器 （濁度、pH值、電導(dǎo)率、余氯）和其他參數(shù)監(jiān)測傳感器（水量、水壓等）進行了集成匯總，形成專門的一體化監(jiān)測柜。支持統(tǒng)一的標準通信接口，支持遠程招測，安裝維護方便，經(jīng)濟性能好。

2.攻克“泵寶”遠程控制接口

吳家河水廠的靳家塬加壓站，水泵驅(qū)動使用了一種集成控制器 “泵寶”。這與其他泵站使用的軟啟動柜完全不一樣，“泵寶”體積小，使用觸點的方式進行控制，并且做了明顯的接入防護，外界接入控制開關(guān)接通電阻要小于0.1 Ω。通過現(xiàn)場多次測試和實驗，最終通過改造“泵寶”電路板實現(xiàn)本地PLC控制的接入，使靳家塬加壓站的遠程控制得以實現(xiàn)。

3.水廠中控室工控機的網(wǎng)絡(luò)隔離

水廠中控室的組態(tài)監(jiān)控，是整個水廠唯一可以下達遠程控制指令的監(jiān)控系統(tǒng)，但又要與縣級監(jiān)管系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)匯總。為使系統(tǒng)安全可靠，同時數(shù)據(jù)又可往上傳輸，在水廠中控室建立了兩個互相隔離的網(wǎng)絡(luò)，一個是自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，另一個是接入辦公網(wǎng)絡(luò)并可以訪問互聯(lián)網(wǎng)。兩個網(wǎng)絡(luò)通過中間一臺雙網(wǎng)卡計算機，并定制專門的隔離軟件對自動化實時數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，既實現(xiàn)水廠監(jiān)控系統(tǒng)到縣級監(jiān)管系統(tǒng)的安全通信，又滿足本地網(wǎng)絡(luò)的安全。

4.縣級監(jiān)控中心的多個投影圖像無縫融合

為達到更好的檢測效果，區(qū)域監(jiān)管中心需要大屏幕顯示。傳統(tǒng)的電視墻及配套圖像控制系統(tǒng)成本高昂，不適合農(nóng)村供水。本系統(tǒng)使用多個投影儀配合專門的視頻融合技術(shù)，在顯示效果很好的同時大幅度降低了實施成本。

縣級監(jiān)管系統(tǒng)還可以支持智能移動終端設(shè)備，遠程實時監(jiān)測各個水廠。

5.利用多種通信技術(shù)和自主研制的通信中間件

系統(tǒng)用到了不同頻段的無線通信，電壓、電流傳感器模擬量信號和基于雙絞線和光纖的工業(yè)以太網(wǎng)通信。水廠級監(jiān)控系統(tǒng)到縣級監(jiān)管系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)。為使通信安全可靠，同時考慮到通信有中斷的可能，專門研制了安全可靠的通信中間件。不僅對數(shù)據(jù)進行加密發(fā)送，同時還考慮到通信中斷時，本地變化數(shù)據(jù)的臨時保存。當網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時，自動恢復(fù)通信鏈路，并且在實時數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送的間隙，補充通信中斷時記錄下來的歷史數(shù)據(jù)。

6.自主研發(fā)農(nóng)村飲水安全監(jiān)控組態(tài)軟件

自主研發(fā)的農(nóng)村飲水安全監(jiān)控組態(tài)軟件，組態(tài)搭建更加便捷；涵蓋了大量的農(nóng)村供水工程圖件，界面更加友好美觀；支持工業(yè)自動化標準接口，不僅具有傳統(tǒng)工業(yè)組態(tài)軟件功能，同時還具有Web方式的實現(xiàn)和訪問。允許用戶在線編輯組態(tài)界面，可接入無限多的監(jiān)控點。理論上而言，通過系統(tǒng)的軟硬件擴展，可支持全國所有水廠自動化實時數(shù)據(jù)的接入。本組態(tài)軟件不僅支持PC方式訪問，還支持智 能移動終端的訪問。

六、結(jié) 語

隨著農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)任務(wù)的實施和加快，農(nóng)村供水工程管理工作的重要性日益凸顯。為實現(xiàn)安全、可靠、經(jīng)濟和高效供水，豐富行業(yè)監(jiān)管手段，提升農(nóng)村飲水安全現(xiàn)代化建設(shè)水平，對適度規(guī)模（如千噸萬人）的供水工程實施自動化監(jiān)控已勢在必行。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展和人們認識水平的進一步提高，自動化監(jiān)控技術(shù)必將穩(wěn)步發(fā)展成為農(nóng)村供水的核心技術(shù)，其他供水技術(shù)在自動化、信息化的統(tǒng)一監(jiān)管和整體布局下，才能發(fā)揮更大的作用。

自動化監(jiān)控專業(yè)性相對較強，為提高系統(tǒng)的實用性、經(jīng)濟性、可操作性，在農(nóng)村水廠監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建前，應(yīng)明確項目建設(shè)目標和實際需求，在此基礎(chǔ)上，做好系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計和功能設(shè)計，選擇適合當?shù)匦枨蟮膫鞲衅鞯扔布?，結(jié)合當?shù)氐牡匦蔚刭|(zhì)條件和通信基礎(chǔ)設(shè)施，選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)通信方式。

系統(tǒng)實施后，要加強技術(shù)培訓(xùn)，使懂計算機操作的基層人員能運行操作系統(tǒng)并簡單維護。同時，要定期更新維護升級系統(tǒng)，使系統(tǒng)能長效發(fā)揮作用。

[1]中國水利水電科學(xué)研究院，陜西省水利學(xué)會，北京訊源科技有限公司，等．陜西省洛川縣飲水安全工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)推廣應(yīng)用項目實施方案[R]．2012．

[2]胡孟，等．農(nóng)村飲水安全工程自控系統(tǒng)設(shè)置標準研究[J]．給水排水，2010（2）.