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張春義（1968－）

    男，天津人，工程師，1990年畢業(yè)于武漢水運工程學院工業(yè)電氣自化專業(yè)，大學本科學歷，現(xiàn)主要從事工業(yè)用電及電氣控制方面的工作。

保證水量，提高水質(zhì)，保障安全，優(yōu)質(zhì)服務(wù)和降低成本是城市供水系統(tǒng)當前的主要任務(wù)，而自動化和信息化則是完成該任務(wù)的重要技術(shù)手段。

目前，供水系統(tǒng)信息化技術(shù)主要表現(xiàn)為以下幾個系統(tǒng)：給水企業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、給水計算機輔助調(diào)度系統(tǒng)、供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)、查表和營業(yè)收費系統(tǒng)、給水管理信息系統(tǒng)、水質(zhì)信息管理系統(tǒng)和計算機輔助決策系統(tǒng)。表1是各系統(tǒng)在各類水司的應(yīng)用情況[1]。

自動化和信息化技術(shù)的應(yīng)用不僅能降低藥耗、能耗，同時極大地提高了自來水公司的供水水質(zhì)，保障供水的安全可靠性，提高了公司的管理水平，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益。

1  凈水廠自動化應(yīng)用

凈水廠中的自動化系統(tǒng)主要有一二級泵房自動控制子系統(tǒng)和投礬加藥自動控制子系統(tǒng)、沉淀池排泥自動控制子系統(tǒng)濾池、過濾自動控制子系統(tǒng)、全廠監(jiān)測控制子系統(tǒng)及水廠視頻安全監(jiān)測子系統(tǒng)等。每個子系統(tǒng)可單獨閉環(huán)運行或與其他系統(tǒng)一起組成水廠的整個綜合自動化系統(tǒng)，形成水廠內(nèi)的大閉環(huán)運行。而其中，自動投礬系統(tǒng)與自動加氯消毒系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。

1.1  自動投礬系統(tǒng)

為了達到混凝處理的最佳工況，提高設(shè)備運行的自動化水平、保證出水質(zhì)量、節(jié)省混凝劑用量，目前都開始逐步對混凝劑人工加藥系統(tǒng)進行改造。投礬自動控制系統(tǒng)是利用流動電流原理，由微電腦控制在線膠體電荷檢測，用變頻控制技術(shù)實現(xiàn)加藥量的自動控制，即由PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)變頻器以控制加藥泵電機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整混凝劑加藥量。根據(jù)自動控制理論中的串級控制方法得出如圖1所示的SCD的串級控制流程圖[2]。

系統(tǒng)主要由SCD傳感器、調(diào)節(jié)器、變頻控制系統(tǒng)、加藥泵組成。調(diào)節(jié)器具有模擬量的輸入輸出端口，同時也具有開關(guān)量的輸入輸出端子。SCD傳感器中的檢測值以標準電流信號（4～20mA標準信號）傳至調(diào)節(jié)器，與設(shè)定值對比判斷，經(jīng)PID運算后輸出信號至變頻器，變頻器則根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出的信號得出運轉(zhuǎn)頻率從而對加藥泵電機調(diào)速，使加藥泵處于對應(yīng)的工作狀態(tài)之下，從而可以向水中投加定量的混凝劑。然后投加藥劑的水樣又流入傳感器進行檢測，并進行投藥量的再調(diào)節(jié)。如此循環(huán)連續(xù)運作，實現(xiàn)連續(xù)自動調(diào)節(jié)加藥量，保證混凝處理維持在最優(yōu)工況。

圖1  自動投藥串級控制流程圖

 1.2  自動加氯消毒系統(tǒng)

為達到消毒效果，又不造成氯氣的浪費，必須根據(jù)原水流量的變化及后續(xù)水質(zhì)的變化及時調(diào)整加氯量的大小。顯然采用人工調(diào)節(jié)是很難實現(xiàn)的，采用先進的控制技術(shù)實現(xiàn)加氯自動化是很有必要的。采用如圖2所示的自動加氯控制系統(tǒng)。

其控制原理為：加氯控制器根據(jù)原水流量以及投氯后取樣水中余氯值和設(shè)定的余氯值，通過PLC中的PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)控制加氯量，輸出一個控制量來控制加氯機的投加裝置（如控制閥門開啟度調(diào)節(jié)）形成一個閉環(huán)控制，使余氯值向設(shè)定值逼近，確保出廠水余氯指標。余氯的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)水質(zhì)要求進行設(shè)定，保證管網(wǎng)中余氯符合飲用水標準。隨著季節(jié)和氣候的變化和供水管網(wǎng)的情況以及原水水質(zhì)的不同，余氯的設(shè)定值應(yīng)隨時進行調(diào)整。為了能較穩(wěn)定控制加氯，應(yīng)在氯后總管上設(shè)置流量計，以便將濾后水流量引入到加氯控制中，采用比例加PID的復合環(huán)控制。

圖2  自動加氯系統(tǒng)流程圖

2  供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)又稱四遙（遙測、遙控、遙信、遙調(diào)）技術(shù)，它是建立在3C+S（Computer，Communication，Control，Sensor）基礎(chǔ)上的。它具有多方面的功能，其中包括對管網(wǎng)中水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)數(shù)據(jù)收集、傳輸、顯示分析及歷史查詢等，還能對水質(zhì)事故進行報警。供水企業(yè)的SCADA系統(tǒng)通常由遠程終端（RTU）、一級或數(shù)級控制站點以及相應(yīng)的通訊設(shè)備和外部設(shè)備所組成。RTU是整個SCADA系統(tǒng)的重要組成部分，擔負著監(jiān)控設(shè)備本地數(shù)據(jù)讀取、檢測，并接受遠程遙測命令等重要任務(wù)。在自來水企業(yè)的產(chǎn)、供、銷和企業(yè)管理等幾大信息化塊中，SCADA對下采集生產(chǎn)過程和管網(wǎng)供水的實時數(shù)據(jù)，并進行遙控遙調(diào)，對上將生產(chǎn)和供水的信息傳到企業(yè)MIS系統(tǒng)中供水司領(lǐng)導決策參考，因此，供水SCADA就構(gòu)成了城市自來水企業(yè)生產(chǎn)自動化和管理信息化的核心系統(tǒng)。

2.1  SCADA系統(tǒng)的硬件組成

SCADA系統(tǒng)從技術(shù)角度講包括了計算機應(yīng)用、通訊技術(shù)、控制技術(shù)和傳感技術(shù)組成，系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要如圖3所示[3]。

 圖3  SCADA系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2  管網(wǎng)SCADA系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

SCADA系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。系統(tǒng)擔負著上傳數(shù)據(jù)至上位機和執(zhí)行操作上位機所傳送指令操作硬件的任務(wù)，通常執(zhí)行這一任務(wù)的操作的軟件平臺是工業(yè)控制自動化軟件，這些軟件往往能以形象直觀非常人性化的操作界面完成數(shù)據(jù)的顯示和指令執(zhí)行等功能。

用計算機控制供水系統(tǒng)，可以優(yōu)化供水調(diào)度、實現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)省人力資源、大幅提高效率，還可進行管網(wǎng)壓力統(tǒng)計分析、指導管網(wǎng)改造、提供供水預測，并有利于管網(wǎng)故障的快速定位及報警搶修。采用新觀念、新技術(shù)、新產(chǎn)品構(gòu)建適用于給水排水的管理功能強大、可靠性強、有良好的現(xiàn)場安裝界面、易于操作和維護與價格低廉的SCADA系統(tǒng)，是給排水行業(yè)客戶的需要也是SCADA系統(tǒng)集成商的責任。

 圖4  SCADA系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3  供水營業(yè)抄收的自動化

抄表是現(xiàn)代城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的用水量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄取數(shù)據(jù)，在實時性、準確性和應(yīng)用性等方面都存在諸多不足之處。利用現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)以及測量技術(shù)結(jié)合在一起，便能夠及時、準確、全面地反映用水使用狀況。同時實現(xiàn)抄表，收費，統(tǒng)計分析，查詢等功能的自動化。營業(yè)收費管理系統(tǒng)通常由營業(yè)管理、水量水費管理、決策支持和系統(tǒng)維護四個子系統(tǒng)組成。

方案是基于GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)通信的無線通訊技術(shù)，將水表數(shù)據(jù)和其它（所需）信息實時可靠的采集回來，通過應(yīng)用具有智能化分析功能的供水信息化數(shù)據(jù)保管系統(tǒng)，為用水管理提供實時性好、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)和事件記錄。遠程自動抄表將是今后水表抄收方式改革的必然趨勢，它不僅僅為營業(yè)收費提供供水數(shù)量依據(jù)，還可以為管網(wǎng)建模、漏耗計量等提供準確可靠的依據(jù)，因此它最終必定成為企業(yè)帶來人們所期望的管理效益、經(jīng)濟效應(yīng)和社會效應(yīng)。

4  結(jié)語

面向自來水行業(yè)，針對目前自來水行業(yè)的信息化建設(shè)存在的問題，研究和開發(fā)一套理念先進、功能完備、系統(tǒng)科學的信息化系統(tǒng)應(yīng)用軟件是今后營業(yè)系統(tǒng)自動化的發(fā)展方向。

供水企業(yè)中各自動化系統(tǒng)將本著經(jīng)濟適用、技術(shù)先進、功能實用、安全可靠的原則來進行設(shè)計和開發(fā)建設(shè)。系統(tǒng)在設(shè)計上還應(yīng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)，考慮其擴展性。信息化系統(tǒng)能提供一個好的管理體制，引起經(jīng)營理念的改變，帶動經(jīng)營機制的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)供水企業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化，實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益提高的目的。同時使供水行業(yè)更加有效的為社會服務(wù)，為數(shù)字化城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 周力尤. 給水行業(yè)自動化與信息化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討[J]. 給水排水,2005,31(7):100-104.

[2] 童禎恭. 淺析水廠自動投藥控制系統(tǒng)[J]. 華東交通大學學報,2001,3.

[3] 信昆侖. 給水管網(wǎng)微觀模型優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用研究[D]. 上海:同濟大學博士學位論文,2003.

[4] http://www.datasaver.cn/Web/Solution/GongShui_3.htm.