農村飲水安全工程中自動化系統設計

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摘要：農村飲水安全工程是惠及隴原兒女的民生工程和社會效益突出的公益事業。目前各地農村水廠自動化程度存在顯著差異。文章以平涼市靜寧縣某水廠自動化系統的設計和施工為例，探討自動化系統設計的標準形式，為類似工程的自動化設計和施工提供相應參考。

關鍵詞：自動化系統；標準化；典型設計；現代化管理

1工程概況

平涼市靜寧縣西部脫貧攻堅農村飲水安全鞏固提升工程項目區先后建成了七個人飲工程，但是由于工農業生產不斷發展和人民生活水平不斷提高，用水量不斷增大，加之靜寧縣西北部水資源匱乏，干旱少雨，大口井出水量明顯不足，工程部分輸水管道老化、破損嚴重，常出現限時供水或連續多日供不上水的情況[1]。2017年相關部門規劃在該地區實施新工程，可以解決7514戶32563人農村人口飲水不穩定問題。該工程的實施將傳統、落后的散供水水源統籌利用，能更進一步的提高水廠供水保證率。根據實際情況和工藝要求，自動化系統分別在一級泵站、二級泵站和高位水池三個區域設置站點，并在管理所辦公樓控制中心集中控制和監測三個區域的設備運行狀態。

2設計方案

主站設置在二級泵站，下設一級泵站和高位水池兩個分站，整個系統對一級泵站、二級泵站、蓄水池水位、泵站供水流量進行實時監控，主站雙CPU雙電源冗余，各站I/O卡件預留30%。因各站距離較遠，加上丘陵地區地形復雜，敷設光纖難度較大，各站之間通過無線通訊的方式實現相互的數據傳輸。系統上位機為工業控制計算機，配套windows操作系統及組態王編程軟件。下位機為西門子s7-300PLC的軟、硬件系統。上位機停機不影響下位機正常工作。主站PLC及工控機電源取自市電，不間斷電源UPS將市電穩壓后供給用電設備，同時給蓄電池組進行充電。當停電發生時，UPS斷開市電回路，繼續給用電設備供電，蓄電池組供放電時間不小于30min。分站系統供電設備選用太陽能蓄電池，太陽能板選用單晶型式，功率50W，太陽能蓄電池選用12V/63Ah。水泵控制柜和電動閥控制柜具有手動/自動轉換功能，正常情況下控制柜的選擇開關都打在自動位置，水泵的啟停和電動閥門的開關由內部程序進行選擇。當高位水池水位到達設定的上（下）限水位時，水泵出口電動閥自動關閉（開啟），水泵自動停止（啟動）。自動控制系統根據水位下降的速度控制水泵運行的速度，當其中一臺水泵出現故障時，自動切換到備用的一臺泵組運行。

3系統結構

目前水利工程自動化系統大都采用二層或三層分布式系統結構，第一層為現地測量控制層(現地單元層)，第二層為集中監控層(主控單元層)，第三層為生產調度管理層(管理單元層)[2，8]。現場傳感器測量電壓、電流、液位、流量等信號并傳送到數據采集模塊，各分站將采集到的信號數據通過GPRS無線網絡送到PLC主站，PLC主站與工控機通過以太網相連接，最終將現場數據傳送到人機界面，從而實現了對現場情況的監控。

4設計標準化的意義

農村飲水安全工程自動化設計還沒有相應的標準和規范，但典型設計可以起到一個標準性的作用，可以較為普遍地應用。如系統由主站和若干個分站組成，主站由哪幾個模塊組成，分站由哪幾個模塊組成，每個模塊都包括確定的硬件配置和參數設置，不同規模的工程只是分站設置的數量不同而已。隨著電子技術的不斷發展，微處理器的運算速度也成指數級的速度提高，各種電子設備不斷更新換代。農村飲水安全工程自2003年開始在全國各地實施，至今已經經歷了十五年的發展，控制系統的技術革新導致其不同階段具有不同的控制方式。九十年代建造的一些水廠，并無集中控制功能，對機泵的操作都在控制箱上進行，而且現場的液位、流量等數據需要工作人員到現場抄錄。到了二十一前十年，水廠的自動化系統已經能夠實現集中控制功能，操作臺可以對現場設備進行遠程操作，并且有數碼顯示屏顯示現場的模擬量數據。這種控制方式采用繼電器的控制方式，開關按鈕容易損壞，自動化程度不高。近十多年水廠自動化系統已經發展到以工控機顯示器或觸摸屏作為人機界面，無人值守、少人值守、自動運行的程度[6]。自動化系統未來的發展趨勢是一體化、信息化。在農村飲水安全工程中，不同區域、不同功能的泵站、水廠，經過通訊網絡，有機的結合成一個整體，由調度中心集中進行管理[3,5]。調度中心數據庫接入無線公網并進行加密，上級部門或管理人員可直接通過隨身攜帶的手機軟件，輸入密鑰后查詢到數據庫的相關數據信息，從而實現隨時隨地了解整個系統運行情況的目的。農村飲水安全鞏固提升工程將原有的不同形式的控制系統重新整合起來，規模的擴大和自動化程度的提高直接降低了水廠的運行成本，減少了人員配置，同時標準化的設計起到規范作用以供參考，從而使自動化設計具有整體性，人員培訓和系統管理工作也更加容易。

5結束語

農村飲水安全工程自動化設計應在保證可靠性、安全穩定性、實時性和實用性的前提下，在結構和形式上充分考慮設計的標準化，在系統硬件及軟件上充分考慮系統的開放性。具體設計方案要根據水廠管理人員的需求，并考慮生產廠家的建議，最終確定[4]。自動化設計水平直接影響后續的管理和維護工作，整個自動化系統的設計、施工、管理、維護，必須建立相配套的、科學的、實用的標準規范和制度體系，以實現對水廠現代化管理的目標。與此同時，隨著云計算等高新技術的引入，將信息資源整合、業務流程優化等業務統一到了同一個平臺上，為用戶提供智能化的接口，從而減少了大量的服務器、網絡設備、UPS電源等硬件資源，節約投資成本，提高管理效率[7]。

參考文獻：

[1]甘肅省水利廳,甘肅省農村飲水安全工程“十二五”規劃報告[S].

[2]黃祚繼,黃忠赤,馬浩.水利工程自動化現狀與適應技術分析研究[J].水利建設與管理,2012,32(10):53-55.

[3]劉輝.水利水電工程勘測設計行業信息化發展思考[J].水利規劃與設計,2017(1):78-81.

[4]趙勇.試論泵站電氣自動化的設計思路[J].陜西水利,2011(2):47-48.

作者：蘇燾 單位：平涼市水利水電勘測設計院