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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(yùn)工程學(xué)院工業(yè)電氣自化專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)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(dāng)前的主要任務(wù)，而自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)：給水企業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、給水計(jì)算機(jī)輔助調(diào)度系統(tǒng)、供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)、查表和營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)、給水管理信息系統(tǒng)、水質(zhì)信息管理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)。表1是各系統(tǒng)在各類(lèi)水司的應(yīng)用情況[1]。

自動(dòng)化和信息化技術(shù)的應(yīng)用不僅能降低藥耗、能耗，同時(shí)極大地提高了自來(lái)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(jì)和社會(huì)效益。

1  凈水廠自動(dòng)化應(yīng)用

凈水廠中的自動(dòng)化系統(tǒng)主要有一二級(jí)泵房自動(dòng)控制子系統(tǒng)和投礬加藥自動(dòng)控制子系統(tǒng)、沉淀池排泥自動(dòng)控制子系統(tǒng)濾池、過(guò)濾自動(dòng)控制子系統(tǒng)、全廠監(jiān)測(cè)控制子系統(tǒng)及水廠視頻安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)等。每個(gè)子系統(tǒng)可單獨(dú)閉環(huán)運(yùn)行或與其他系統(tǒng)一起組成水廠的整個(gè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，形成水廠內(nèi)的大閉環(huán)運(yùn)行。而其中，自動(dòng)投礬系統(tǒng)與自動(dòng)加氯消毒系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。

1.1  自動(dòng)投礬系統(tǒng)

為了達(dá)到混凝處理的最佳工況，提高設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化水平、保證出水質(zhì)量、節(jié)省混凝劑用量，目前都開(kāi)始逐步對(duì)混凝劑人工加藥系統(tǒng)進(jìn)行改造。投礬自動(dòng)控制系統(tǒng)是利用流動(dòng)電流原理，由微電腦控制在線膠體電荷檢測(cè)，用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)加藥量的自動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整混凝劑加藥量。根據(jù)自動(dòng)控制理論中的串級(jí)控制方法得出如圖1所示的SCD的串級(jí)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(shí)也具有開(kāi)關(guān)量的輸入輸出端子。SCD傳感器中的檢測(cè)值以標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）傳至調(diào)節(jié)器，與設(shè)定值對(duì)比判斷，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出信號(hào)至變頻器，變頻器則根據(jù)PID調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)得出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率從而對(duì)加藥泵電機(jī)調(diào)速，使加藥泵處于對(duì)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(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行投藥量的再調(diào)節(jié)。如此循環(huán)連續(xù)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)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(dòng)投藥串級(jí)控制流程圖

 1.2  自動(dòng)加氯消毒系統(tǒng)

為達(dá)到消毒效果，又不造成氯氣的浪費(fèi)，必須根據(jù)原水流量的變化及后續(xù)水質(zhì)的變化及時(shí)調(diào)整加氯量的大小。顯然采用人工調(diào)節(jié)是很難實(shí)現(xiàn)的，采用先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)加氯自動(dòng)化是很有必要的。采用如圖2所示的自動(dòng)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(guò)PLC中的PID（比例、積分、微分）調(diào)節(jié)控制加氯量，輸出一個(gè)控制量來(lái)控制加氯機(jī)的投加裝置（如控制閥門(mén)開(kāi)啟度調(diào)節(jié)）形成一個(gè)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(biāo)。余氯的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)水質(zhì)要求進(jìn)行設(shè)定，保證管網(wǎng)中余氯符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)進(jìn)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(jì)，以便將濾后水流量引入到加氯控制中，采用比例加PID的復(fù)合環(huán)控制。

圖2  自動(dòng)加氯系統(tǒng)流程圖

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

SCADA系統(tǒng)又稱四遙（遙測(cè)、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(duì)管網(wǎng)中水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)水質(zhì)事故進(jìn)行報(bào)警。供水企業(yè)的SCADA系統(tǒng)通常由遠(yuǎn)程終端（RTU）、一級(jí)或數(shù)級(jí)控制站點(diǎn)以及相應(yīng)的通訊設(shè)備和外部設(shè)備所組成。RTU是整個(gè)SCADA系統(tǒng)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著監(jiān)控設(shè)備本地?cái)?shù)據(jù)讀取、檢測(cè)，并接受遠(yuǎn)程遙測(cè)命令等重要任務(wù)。在自來(lái)水企業(yè)的產(chǎn)、供、銷(xiāo)和企業(yè)管理等幾大信息化塊中，SCADA對(duì)下采集生產(chǎn)過(guò)程和管網(wǎng)供水的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遙控遙調(diào)，對(duì)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(dǎo)決策參考，因此，供水SCADA就構(gòu)成了城市自來(lái)水企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)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(jì)算機(jī)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(dān)負(fù)著上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)和執(zhí)行操作上位機(jī)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(tái)是工業(yè)控制自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制供水系統(tǒng)，可以優(yōu)化供水調(diào)度、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、節(jié)省人力資源、大幅提高效率，還可進(jìn)行管網(wǎng)壓力統(tǒng)計(jì)分析、指導(dǎo)管網(wǎng)改造、提供供水預(yù)測(cè)，并有利于管網(wǎng)故障的快速定位及報(bào)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(qiáng)大、可靠性強(qiáng)、有良好的現(xiàn)場(chǎng)安裝界面、易于操作和維護(hù)與價(jià)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(zé)任。

 圖4  SCADA系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3  供水營(yíng)業(yè)抄收的自動(dòng)化

抄表是現(xiàn)代城市自來(lái)水管網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)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(chǎng)抄取數(shù)據(jù)，在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)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(jì)算機(jī)技術(shù)以及測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，便能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映用水使用狀況。同時(shí)實(shí)現(xiàn)抄表，收費(fèi)，統(tǒng)計(jì)分析，查詢等功能的自動(dòng)化。營(yíng)業(yè)收費(fèi)管理系統(tǒng)通常由營(yíng)業(yè)管理、水量水費(fèi)管理、決策支持和系統(tǒng)維護(hù)四個(gè)子系統(tǒng)組成。

方案是基于GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)通信的無(wú)線通訊技術(shù)，將水表數(shù)據(jù)和其它（所需）信息實(shí)時(shí)可靠的采集回來(lái)，通過(guò)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(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高的數(shù)據(jù)和事件記錄。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表將是今后水表抄收方式改革的必然趨勢(shì)，它不僅僅為營(yíng)業(yè)收費(fèi)提供供水?dāng)?shù)量依據(jù)，還可以為管網(wǎng)建模、漏耗計(jì)量等提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，因此它最終必定成為企業(yè)帶來(lái)人們所期望的管理效益、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。

4  結(jié)語(yǔ)

面向自來(lái)水行業(yè)，針對(duì)目前自來(lái)水行業(yè)的信息化建設(shè)存在的問(wèn)題，研究和開(kāi)發(fā)一套理念先進(jìn)、功能完備、系統(tǒng)科學(xué)的信息化系統(tǒng)應(yīng)用軟件是今后營(yíng)業(yè)系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展方向。

供水企業(yè)中各自動(dòng)化系統(tǒng)將本著經(jīng)濟(jì)適用、技術(shù)先進(jìn)、功能實(shí)用、安全可靠的原則來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)建設(shè)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上還應(yīng)采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，考慮其擴(kuò)展性。信息化系統(tǒng)能提供一個(gè)好的管理體制，引起經(jīng)營(yíng)理念的改變，帶動(dòng)經(jīng)營(yíng)機(jī)制的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)供水企業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提高的目的。同時(shí)使供水行業(yè)更加有效的為社會(huì)服務(wù)，為數(shù)字化城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 周力尤. 給水行業(yè)自動(dòng)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(dòng)投藥控制系統(tǒng)[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,2003.

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