韋 樂(lè)，丁 欣，尹江紅，鐘泰全

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023）

1 概述

1.1 農(nóng)村飲水安全概況

飲水安全不僅是要保障人民群眾喝上水，而且喝的是放心水。在“十三五”期間，通過(guò)建設(shè)，全國(guó)提升了超過(guò)2.7 億的農(nóng)村人口的供水保障水平，全面地解決了1095 萬(wàn)貧困人口的高氟水、苦咸水等飲水安全問(wèn)題。全國(guó)農(nóng)村自來(lái)水的普及率、集中供水率分別達(dá)到了83%和88%，農(nóng)村供水保障水平得到了顯著地提升[1-2]。

《全國(guó)“十四五”農(nóng)村供水保障規(guī)劃》提出了農(nóng)村供水建設(shè)和管理的新標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)“十四五”期間新建和改造的農(nóng)村供水工程，在建設(shè)、運(yùn)行管護(hù)、水源保護(hù)、維修服務(wù)、水價(jià)機(jī)制、用水戶參與等管理方面提出了明確要求?！兑?guī)劃》指出，預(yù)計(jì)到2025 年，全國(guó)農(nóng)村自來(lái)水的普及率要達(dá)到88%，將進(jìn)一步優(yōu)化農(nóng)村供水布局，進(jìn)一步完善工程長(zhǎng)效運(yùn)行管理體制機(jī)制，農(nóng)村供水的保障水平更高。到2035 年，我國(guó)將基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水的現(xiàn)代化[3]。

“食以水為先”，農(nóng)村供水的現(xiàn)代化程度直接影響人民生活的幸福感，必須堅(jiān)持以人民為中心，加強(qiáng)水質(zhì)安全保障，提高供水系統(tǒng)運(yùn)行管理，不斷提高農(nóng)村飲水安全的保障能力，激發(fā)全面振興發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，全力助推鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略順利實(shí)施[4]。

1.2 農(nóng)村飲水存在的主要問(wèn)題

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021 年底，全國(guó)仍有將近20%的農(nóng)村、城鎮(zhèn)居民使用分散式供水系統(tǒng)。使用分散式供水系統(tǒng)的1.6 億人口主要分布在中西部地區(qū)。受資金、投資標(biāo)準(zhǔn)等因素的制約，早期及中期建設(shè)的飲水工程存在覆蓋率小、水處理工藝貧乏、供水系統(tǒng)供水保障率低等缺陷。全中國(guó)千噸數(shù)萬(wàn)人規(guī)模以上供水系統(tǒng)還有20%～30%的工程需要配套能夠完善凈化消毒和進(jìn)行處理的設(shè)備水質(zhì)、渾濁度化驗(yàn)室。所設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)規(guī)模為20～1000 的供水工程，50%～60%需要配套改造凈水設(shè)施和進(jìn)行消毒的設(shè)備。其中設(shè)計(jì)供水規(guī)模為20（收益人口在200 人范圍內(nèi)）以下的供水工程，基本沒(méi)有凈水設(shè)施和消毒等設(shè)備，水質(zhì)保障達(dá)不到基本要求[5]。

由于農(nóng)村人口居住分散，供水工程施工難，后期維護(hù)成本高，農(nóng)村居民經(jīng)濟(jì)承受能力有限，大多數(shù)單村系統(tǒng)工程建設(shè)十分困難。一是部分供水工程運(yùn)行到后期維護(hù)和管理費(fèi)用嚴(yán)重不足[8]。城鎮(zhèn)及農(nóng)村供水實(shí)際上執(zhí)行的水價(jià)低成本價(jià)，大部分供水工程難以估計(jì)折舊費(fèi)和大修費(fèi)，不具備后期供水系統(tǒng)的大修和更新改造的能力。二是由于農(nóng)村供水工程建設(shè)普遍存在規(guī)模小，集約化、多樣化等機(jī)制的建立比較困難管理。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研某城鎮(zhèn)10 余個(gè)村莊，目前這些村莊主要通過(guò)抽取地下水到供水水塔，然后通過(guò)管網(wǎng)供輸送到各家各戶供村民飲用。近年來(lái)因使用水量的增加和供水系統(tǒng)的設(shè)備老化的原因，導(dǎo)致村里的供水系統(tǒng)出現(xiàn)不少問(wèn)題：

（1）供水控制系統(tǒng)可靠性差

現(xiàn)有的農(nóng)村供水系統(tǒng)是繼電器控制，通過(guò)浮球開關(guān)來(lái)控制水位。由于控制回路可靠性差，經(jīng)常導(dǎo)致冒罐、停水等故障發(fā)生，使得供水不穩(wěn)定。

（2）無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控，供水系統(tǒng)信息傳遞不及時(shí)

現(xiàn)有控制系統(tǒng)為就地控制，基本遠(yuǎn)離村莊1-2 公里，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，導(dǎo)致供水信息傳遞不及時(shí)，設(shè)備管理困難，監(jiān)管不到位。

（3）無(wú)水質(zhì)檢測(cè)功能

根據(jù)《農(nóng)村飲水安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》（T/CHES18-2018）的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村飲用水的PH 值、色度、臭和味、渾濁度、肉眼可見(jiàn)物等要符合標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)水質(zhì)檢測(cè)功能，水質(zhì)易出現(xiàn)渾濁、PH 值超標(biāo)等問(wèn)題[6]。

（4）供水系統(tǒng)運(yùn)行能耗大

由于現(xiàn)有系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際水位，無(wú)法智能地進(jìn)行運(yùn)行與管理，造成能源浪費(fèi)。

合理、適當(dāng)?shù)拈_發(fā)和保障飲用水資源，通過(guò)提高農(nóng)村供水的現(xiàn)代化水平來(lái)帶動(dòng)基層群眾生活水平的提高，通過(guò)加強(qiáng)飲水安全工程的信息化建設(shè)來(lái)解決民生問(wèn)題，在惠農(nóng)工作的促進(jìn)方面也起到了重要作用[7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

針對(duì)上述農(nóng)村供水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，根據(jù)原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造，系統(tǒng)應(yīng)有以下功能和特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，并具有故障率低、功耗低、控制精度高等特點(diǎn)；

（2）監(jiān)控手段多樣化，用戶可通過(guò)手機(jī)，電腦等終端設(shè)備進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，具有對(duì)水位、水質(zhì)PH 值、渾濁度等監(jiān)視效果；

（3）系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng)，系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備加裝時(shí)不會(huì)影響原有設(shè)備正常運(yùn)行，制造周期短，后期維護(hù)簡(jiǎn)單。

（4）系統(tǒng)控制能優(yōu)化調(diào)節(jié)，降低運(yùn)行損耗，能達(dá)到節(jié)能的目的。

（5）能對(duì)系統(tǒng)管理提供數(shù)據(jù)查詢功能，包括用水量歷史曲線、故障報(bào)警記錄、操作記錄等。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為滿足系統(tǒng)的功能和需求，通過(guò)采用PLC 控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等，由PLC、變頻器、遠(yuǎn)程服務(wù)器、液位傳感器、PH 傳感器等元器件組成控制系統(tǒng)[8]。系統(tǒng)通過(guò)液位傳感器、渾濁度傳感器等對(duì)水位、渾濁度等參數(shù)進(jìn)行采集，PLC 通過(guò)對(duì)采集而來(lái)的信息進(jìn)行分析判斷，完成對(duì)水塔、水泵等設(shè)備的控制；通過(guò)利用遠(yuǎn)程控制模塊將水位、水泵等參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC 終端，同時(shí)用手機(jī)APP 作為系統(tǒng)的輔助管理手段，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)視、故障報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)飲水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)控制框圖如圖1 所示。

圖1 智慧農(nóng)村飲水安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制框圖

本系統(tǒng)控制框圖以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)供水監(jiān)控系統(tǒng)為例，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)村莊的供水水站，每個(gè)供水水站可以單獨(dú)監(jiān)控運(yùn)行，也可以進(jìn)行組網(wǎng)，有鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利部門集中監(jiān)控；監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)以實(shí)際情況為準(zhǔn)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.3 硬件選型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的主要組成設(shè)備包括：液位傳感器、西門子S7-1200PLC、西門子MM440 變頻器、遠(yuǎn)程控制模塊、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀表等。系統(tǒng)主要設(shè)備功能和特點(diǎn)如下：

（1）本系統(tǒng)采用WH311 型液位傳感器，本產(chǎn)品采用全不銹鋼封焊，在產(chǎn)品密封性、抗沖擊能力、防潮性等性能比較顯著，可將水位的壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)4-20mA，產(chǎn)品的性能可靠、測(cè)量精確[9]。

（2）西門子S7-1200 是一款性能優(yōu)越、功能強(qiáng)大的PLC，它配合博圖軟件，易于設(shè)計(jì)，可以方便地組態(tài)、使用功能齊全的控制指令，與西門子其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫連接；既能完成比較簡(jiǎn)單邏輯控制，也可以完成數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信的高級(jí)應(yīng)用，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。

（3）MM440 變頻器由整流器、逆變器、保護(hù)電路等組成，主要用于電機(jī)的調(diào)速，具有運(yùn)行可靠性高、功能多樣性等特點(diǎn)，且在工業(yè)應(yīng)用中使用廣泛。由本系統(tǒng)使用MM440 變頻器主要是根據(jù)系統(tǒng)的控制要求用來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的[10]。

（4）本系統(tǒng)采用威綸通SVR-200 服務(wù)器。SVR-200 遠(yuǎn)程服務(wù)器能使用平板、手機(jī)、電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控。不在控制現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，能進(jìn)行PLC 遠(yuǎn)程穿透直接控制。它支持802.11b/g/n 通訊標(biāo)準(zhǔn)與WPA/WPA2安全模式，即使在比較復(fù)雜的控制環(huán)境中，也能快速迪、精確的、安全地傳送數(shù)據(jù)。

（5）PH 水質(zhì)檢測(cè)傳感器是用來(lái)檢測(cè)水質(zhì)中的PH值，系統(tǒng)選用中核儀表生產(chǎn)的CN11D 型傳感器，包含變送器、PH/ORP 電極、電極安裝支架等基本部件，使用方便，測(cè)量精度高[11]。

通過(guò)設(shè)備安裝調(diào)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 智慧農(nóng)村飲水安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括PLC 程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.4.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 程序采用西門子博圖軟件V16 進(jìn)行編程，此軟件編程指令豐富、簡(jiǎn)單易用，采用結(jié)構(gòu)化編程方式，以比較簡(jiǎn)單易懂的梯形圖語(yǔ)言編寫。程序控制流程如下：PLC 上電運(yùn)行后，先進(jìn)行程序初始化；然后系統(tǒng)根據(jù)外部信號(hào)進(jìn)行判斷是就地控制還是遠(yuǎn)程控制，若為就地操作，由水站工作人員進(jìn)行手動(dòng)操作控制；若為遠(yuǎn)程操作，則上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)接收PLC 上傳的數(shù)據(jù)對(duì)PLC 進(jìn)行控制；當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，則通過(guò)各個(gè)水站的PLC 傳送的監(jiān)測(cè)信號(hào)和給定信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行控制[13]。

程序流程如圖3 所示。

圖3 智慧農(nóng)村飲水安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)程序流程圖

主要程序說(shuō)明：

（1）數(shù)據(jù)采集程序：包括水位、流量等數(shù)據(jù)采集。水位采集程序說(shuō)明：通過(guò)采用NORM_X、SCALE_X指令來(lái)完成水位高度的數(shù)據(jù)處理。NORM_X 為模擬量標(biāo)準(zhǔn)化，SCALE_X 模擬量縮放，IW96 為水位高度的采集地址，10.0 為液位傳感器的最大量程。

（2）變頻控制程序：當(dāng)水位低于1 m，變頻器以50 Hz 運(yùn)行；當(dāng)水位超過(guò)1 m，低于4 m，變頻器以20 Hz運(yùn)行；當(dāng)水位高于4 m，變頻器停止運(yùn)行；通過(guò)不同水位高度來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能的目的。

（3）故障報(bào)警程序：例如當(dāng)采集到的水管管道壓力數(shù)值異常時(shí)，即接通報(bào)警指示燈進(jìn)行故障報(bào)警。

2.4.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)采用威綸通公司開發(fā)的EBproV6.08 版本的組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。EBpro 軟件在觸摸屏界面設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的傳輸、保存、維護(hù)、管理等方面功能十分強(qiáng)大，并且EBpro 具有良好的開放性，可與多種控制器進(jìn)行通信，因此選擇EBpro 作為上位機(jī)組態(tài)軟件可以提高開發(fā)的效率，優(yōu)化系統(tǒng)流程[12-13]。

綜合考慮系統(tǒng)功能和控制要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了監(jiān)控操作界面。界面包括供水系統(tǒng)的主界面、數(shù)據(jù)查詢界面、報(bào)警記錄以及通訊測(cè)試等界面。具體實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)供水系統(tǒng)的水位、流量、PH 值等參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行超值報(bào)警。

（2）對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行選擇，并顯示當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

（3）能水泵的電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以及是運(yùn)行狀態(tài)；并能通過(guò)界面設(shè)置水泵的運(yùn)行頻率，控制水泵啟停。

（4）可以進(jìn)行查詢供水系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)圖、相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警記錄等[14-15]。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室模型設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果顯示系統(tǒng)能完好的實(shí)現(xiàn)控制功能要求，系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面

傳統(tǒng)的繼電器供水控制系統(tǒng)與加裝智慧農(nóng)村飲水安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從農(nóng)村飲水安全的4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)系統(tǒng)使用效果對(duì)比如下：

表1 系統(tǒng)使用效果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以得出，加裝智慧農(nóng)村飲水安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后，在供水的水質(zhì)、水量、方便程度和保障率上，都比傳統(tǒng)的繼電器供水控制系統(tǒng)有了很大的提高。

4 結(jié)論

通過(guò)加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)信息化的飲水工程建設(shè)，是促進(jìn)各地區(qū)農(nóng)村飲水安全鞏固提升的重要手段，達(dá)到農(nóng)村飲水工程一體化管理的目的。農(nóng)村供水系統(tǒng)通過(guò)加裝智慧農(nóng)村飲水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以將先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步推廣和應(yīng)用到各地區(qū)農(nóng)村飲水安全工程的取水、分析水、檢測(cè)水、制水、用水等環(huán)節(jié)，進(jìn)一步完善和實(shí)現(xiàn)各地區(qū)農(nóng)村飲水安全全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)分析處理等，也可以有利于行政主管部門的實(shí)時(shí)監(jiān)管；同時(shí)，也要完善管理機(jī)制，加強(qiáng)制水企業(yè)在農(nóng)村安全飲水工程中的主體作用和行政主管各部門的監(jiān)督指導(dǎo)作用，為保證農(nóng)村飲水安全發(fā)揮重要作用。提高農(nóng)村飲水安全，不僅是鞏固脫貧攻堅(jiān)成果，也是為全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興提供有力的支持和保障。