李峪，劉堯

（1.青島青咨工程咨詢有限公司，山東 青島 266100；2.青島空間信息技術(shù)系統(tǒng)性應(yīng)用研究院，山東 青島 266000）

“十三五”期間，隨著我國現(xiàn)代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，信息化建設(shè)模式發(fā)生了翻天覆地的轉(zhuǎn)變,一場以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能AI等技術(shù)為核心的“新IT”浪潮風(fēng)起云涌，信息化應(yīng)用進入一個“新常態(tài)”。水利部門也積極應(yīng)對“互聯(lián)網(wǎng)+”和大數(shù)據(jù)時代的機遇和挑戰(zhàn)，為適應(yīng)農(nóng)村供水情況及農(nóng)村發(fā)展與改革要求，自動化控制技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用越來越普及。農(nóng)村供水是一項民生工程，需要各個部門進行重點關(guān)注。在農(nóng)村供水工程中應(yīng)用自動控制技術(shù)可以實現(xiàn)供水過程無人值守，提高供水工程的自動化水平，降低管理成本，為將來的信息化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 大村鎮(zhèn)供水及水廠現(xiàn)狀

1.1 項目區(qū)概況

大村鎮(zhèn)總面積151平方千米，人口5.1萬人，是青島西海岸面積最大，山水資源、砂石資源、土地資源、木材資源、人文資源最豐富的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，距青島前灣港50千米，距日照石臼港70千米，距青島機場80千米，距204國道10千米，距“同三”高速公路泊里出入口10千米，距膠州火車站80千米，距黃島火車站55千米，交通方便，是鄉(xiāng)村旅游、休閑養(yǎng)生的好地方。大村鎮(zhèn)不僅有美麗的自然風(fēng)光和豐富的農(nóng)業(yè)資源，還是青島西部工業(yè)基礎(chǔ)比較好的工業(yè)大鎮(zhèn)。

1.2 供水現(xiàn)狀

其一，人口居住分散，供水工程規(guī)模小，點多、面廣、量大。由于供水規(guī)模小、數(shù)量大、效益低，難以實現(xiàn)專業(yè)化管理。其二，供水水源往往是就地選擇，水源類型多、規(guī)模小，保護性差，供水保證率低。有的水廠自建成后由于水源得不到保證，至今沒有投入使用。其三，水處理設(shè)備建設(shè)標(biāo)準不統(tǒng)一，出水質(zhì)量得不到保證。有的水廠采用的無動力虹吸過濾，過濾效果差；有的水廠絮凝設(shè)施和過濾設(shè)施受到了損壞；有的水廠采用工業(yè)鹽酸制備二氧化氯消毒，但由于工業(yè)鹽酸是危險化學(xué)品，供應(yīng)得不到保證，有時會沒有消毒流程。其四，信息化建設(shè)不統(tǒng)一。有的水廠沒有進行自動化控制，完全靠人工控制；所有水廠都沒有進行水質(zhì)在線監(jiān)測，供水水質(zhì)狀況無法獲取；水源地沒有視頻監(jiān)控等安保措施。其五，工程建設(shè)與管理人員缺乏。水廠管理人員均為普通農(nóng)民，管理水平和綜合素質(zhì)均得不到保證。而且農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，經(jīng)濟發(fā)展滯后，農(nóng)民收入和管理水平低，需要經(jīng)濟適用、操作簡單、管理方便的農(nóng)村供水技術(shù)和設(shè)備。其六，部分農(nóng)村居民的飲水安全意識薄弱，對水價政策不理解，存在用水量少、私自挖井、不愿交水費等問題，影響工程正常運行。

1.3 大村鎮(zhèn)駐地水廠現(xiàn)狀

大村鎮(zhèn)駐地水廠位于大村鎮(zhèn)藏馬山路與龍馬路交界處。設(shè)計處理規(guī)模為5000立方米／天，目前實際用水量約2000立方米／天。水廠有一個清水池，容積1500立方米。水廠水源地離水廠直線距離約2千米，位于白馬河岸邊。離水廠1千米處還有一個高位水池。

水廠目前工藝流程見圖1。經(jīng)過現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，水廠建設(shè)時標(biāo)準較低，制水供水設(shè)備沒有實現(xiàn)自動化控制，部分加壓水泵、真空泵需要人工控制；水泵出水管沒有壓力檢測設(shè)備，沒有水位檢測設(shè)備。同時，各種設(shè)備的運行狀態(tài)也沒有監(jiān)測，且沒有進行水質(zhì)檢測。

圖1 大村鎮(zhèn)駐地水廠工藝流程

目前水廠出的水水質(zhì)較差，混濁、有異味。經(jīng)過現(xiàn)場考察，發(fā)現(xiàn)水質(zhì)差的主要原因是：絮凝時間太短，反應(yīng)時間不夠；沉淀區(qū)斜管選型錯誤和斜管老化；過濾區(qū)的石英砂材質(zhì)低劣和虹吸效果差；凈化后的清水入清水池之前未進行消毒。目前采用的消毒方式為二氧化氯消毒，采用工業(yè)鹽酸制備的消毒溶液，但鹽酸是危險化學(xué)品，運輸、存儲均不方便，因此雖然有設(shè)備但沒有使用，從而導(dǎo)致清水池的水質(zhì)沒有經(jīng)過消毒。另外，現(xiàn)場只有一個清水池，清水池也沒有進行分格，造成清水池清理時只能停水，給用戶帶來不便。

2 大村鎮(zhèn)駐地水廠改造建設(shè)方案

自動控制技術(shù)是指能夠在沒有人員直接參與的情況下，利用附加裝置使生產(chǎn)過程或生產(chǎn)機械自動地按照某種規(guī)律運行，使被控對象的一個或幾個物理量（如溫度、壓力、流量、位移和轉(zhuǎn)速等）或加工工藝按照預(yù)定要求變化的技術(shù)。利用自動控制技術(shù)改造大村鎮(zhèn)駐地水廠，從而在滿足出水水質(zhì)要求的情況下實現(xiàn)無人值守。自動控制技術(shù)可以根據(jù)出水水質(zhì)參數(shù)自動控制加藥量（絮凝劑、助凝劑和消毒溶液），從而使水質(zhì)達到國家標(biāo)準。此外，自動控制技術(shù)除了可以實現(xiàn)閉環(huán)控制外，還具備通信功能，可以對采集的水質(zhì)參數(shù)和運行數(shù)據(jù)進行傳輸。

2.1 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

水質(zhì)在線自動監(jiān)測系統(tǒng)是一個以在線分析儀表自動監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)為服務(wù)目標(biāo)，提供具有代表性、及時性和可靠性的水質(zhì)參數(shù)為核心任務(wù)，運用自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)并配以專業(yè)軟件，組成一個從取樣、預(yù)處理、分析到數(shù)據(jù)處理及存貯的完整系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對水質(zhì)的在線自動監(jiān)測。大村鎮(zhèn)駐地水廠清水池沒有設(shè)置水質(zhì)在線檢測系統(tǒng)，出水水質(zhì)化驗參數(shù)無法獲取，也沒有人工實驗設(shè)備進行水質(zhì)化驗。根據(jù)項目的特點，對入水和出水水質(zhì)進行濁度和余氯檢測，將在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝于二級泵房。

入水濁度在線監(jiān)測系統(tǒng)是在源水進入絮凝池前增加在線濁度檢測設(shè)備，可以實時將濁度信號傳輸給PLC，通過PLC給出的信號使全自動PAC投加系統(tǒng)準確地調(diào)整加藥量。

出水濁度在線監(jiān)測是指在清水池設(shè)置在線濁度檢測設(shè)備，可以實時將濁度信號傳輸給PLC控制系統(tǒng)，通過PLC輸出的反饋信號控制過濾池中氣水沖洗的頻次，從而使清水池出水濁度達到標(biāo)準要求。另外濁度在線檢測數(shù)值也可以同時傳到調(diào)度中心，供管理人員判斷供水水質(zhì)。氣水沖洗的頻次也同時通過檢測濾池水位來控制。

余氯在線監(jiān)測同濁度監(jiān)測類似，在二級泵房出水管處設(shè)置余氯在線檢測設(shè)備。余氯在線監(jiān)測儀可以在線監(jiān)測清水池余氯含量，如果余氯含量不達標(biāo)，則通過自控系統(tǒng)可以反饋到次氯酸鈉發(fā)生器，自動調(diào)整次氯酸鈉溶液的投加量，從而使清水池出水的余氯含量達到國家標(biāo)準（GB5749-2006）。

2.2 設(shè)備自控系統(tǒng)建設(shè)

為了更好地統(tǒng)籌、管理水廠制水工程的泵、閥門、電機等設(shè)備，并實現(xiàn)全線制水科學(xué)、智慧化的調(diào)配和輸送管理，建立一套自動化控制系統(tǒng)，從而對水廠的各種水泵、真空泵、閥門進行自控控制和連鎖控制，同時采集水廠的各工藝運行參數(shù)，實現(xiàn)對制水的全過程監(jiān)管。自控系統(tǒng)還可以監(jiān)測各水泵的出水壓力、總管水流量、吸水井和清水池的液位等參數(shù)。

自動化控制系統(tǒng)是以PLC控制為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)。正常運行時現(xiàn)場不需要人員值守，由控制中心集中管理。

系統(tǒng)設(shè)備控制分四級實現(xiàn)，即運行管理調(diào)度級（后期）、水廠駐地控制級PLC主站控制級、就地PLC從站控制級和就地手動控制級。上、下控制級之間，下級控制的優(yōu)先權(quán)高于上級。對應(yīng)主要設(shè)備控制模式分為三種：聯(lián)動控制方式、點動控制方式和手動控制方式。

2.3 調(diào)度中心建設(shè)

在大村鎮(zhèn)駐地水廠設(shè)置調(diào)度中心，具體就是對原有監(jiān)控中心進行升級改造，對墻面、配電、空調(diào)及防雷接地等進行升級。調(diào)度中心設(shè)置服務(wù)器1臺，管理工作站1個，服務(wù)器機柜1臺。

2.4 絮凝池改造

現(xiàn)有絮凝池為六格式旋流結(jié)構(gòu)，根據(jù)計算，不滿足絮凝反應(yīng)的需求時間，需要在原來6格的基礎(chǔ)上增加絮凝時間，把6格分為12格，這樣絮凝時間增加了1倍，能滿足絮凝的時間要求。

2.5 濾池改造

駐地水廠的設(shè)備間空間受到限制，過濾區(qū)域空間也受限，不適合新建V型濾池和普通快速濾池，原來的虹吸的力量不能將砂層淤泥及堵塞物排出，而氣水混合動力反洗可以徹底地洗干凈砂層，因此把原來的無閥虹吸濾池改為氣水動力沖洗濾池，以達到最好的過濾效果。

2.6 消毒系統(tǒng)改造

大村鎮(zhèn)駐地水廠采用的消毒設(shè)備，是采用工業(yè)鹽酸制備的二氧化氯進行消毒，但鹽酸是危險化學(xué)品，運輸、儲藏均不方便，因此造成目前雖然有消毒設(shè)備但卻沒有消毒原料的情況，從而造成清水池的水無法進行消毒。

目前國內(nèi)除了采用二氧化氯消毒溶液消毒外，還可以采用次氯酸鈉溶液對飲用水進行消毒。這種消毒有兩種方式，一種是采用成品次氯酸鈉溶液，另一種是通過常用的氯化鈉水溶液進行制備。成品次氯酸鈉溶液運輸和儲藏都需要成本，雖然前期投資較小，但長期來說不是很方便；通過氯化鈉水溶液進行制備的方式雖然前期投資較大，但后期成本很小，適用長期使用。

本項目在加藥間建設(shè)一套次氯酸鈉發(fā)生設(shè)備，通過氯化鈉進行制備的方式進行消毒。

2.7 絮凝劑投加系統(tǒng)改造

現(xiàn)有的PAC制配和投加系統(tǒng)均為人工手動操作，絮凝劑數(shù)量投加不準確，從而會影響絮凝效果。如果絮凝劑投加多了的話，水中會有很多泡沫，失去了絮凝效果，如果絮凝劑投加少了就不會產(chǎn)生礬花，也起不到絮凝的效果。更換全自動PAC制配和投加系統(tǒng)，通過PLC根據(jù)產(chǎn)水量自動控制絮凝劑使用量。

2.8 提升泵房改造

大村鎮(zhèn)駐地水廠的提升泵房位于水源地（白馬河）西岸，與水廠的直線距離為2000米左右。由于水廠在初建時沒有考慮自動化控制和數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)，提升泵房與水廠沒有通信線路。目前提升泵房的控制完全由人工控制，浪費了人力資源，因此設(shè)置PLC自控系統(tǒng)，并通過運營商無線信號（如GPRS、4G）與水廠調(diào)度室進行通信，從而實現(xiàn)整個制水設(shè)備、系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

3 結(jié)語

本改造工程建成后，能徹底解決大村鎮(zhèn)幾萬人的飲水困難問題，還能供大中型鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)生產(chǎn)用水，對促進地方農(nóng)業(yè)的發(fā)展和加快該地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)的步伐具有重要意義。本項目是農(nóng)村供水環(huán)節(jié)中的典型工程，通過本項目的實施，可以為青島市農(nóng)村供水改革提供實踐經(jīng)驗，為后期水利大數(shù)據(jù)平臺提供基礎(chǔ)。

農(nóng)村供水工程與農(nóng)村人民的生活及農(nóng)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，不可分割。而農(nóng)村人民的生活質(zhì)量是農(nóng)村發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，所以農(nóng)村供水工程改造更應(yīng)該得到全社會的重視。對農(nóng)村供水工程的改進和發(fā)展，在很大程度上能夠促進農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)村人民的生活和諧。