探析城市供水管网管压多级调控体系的建立与优化

摘    要：针对城市供水管网容易产生漏损问题的现状，提出一套智能化的管压多级调控体系，對体系的框架、原理、硬件和通信系统及其优化进行深入分析，为这一体系的大范围推广应用提供参考依据。

关键词：城市供水管网;管网压力调整

1  引言

漏损为城市供水管网常见问题，而引起漏损的重要原因为管网压力波动。因此，在实际工作中，应在思想上予以高度重视的同时，采取有效方法对管网的压力进行管理和控制。

2  概述

当前供水网管漏损问题普遍存在，漏损的控制因此变成很多国家及地区关注的焦点问题。减小或避免漏损，除了能节约成本，还能提高水资源利用率，避免浪费，并起到保护环境的作用。此外，伴随城市范围日益扩大，城市人口数量不断增长，因对自来水资源的需求量超出现有供应水平，很多人口较为密集的区域，在用水高峰时，位于管网下游的用水户时常出现水平不足等问题，但是在用水的低峰，由于管网当中富余一定高压，易引发爆管等事故，出现断水情况。

引发漏损的因素有很多，但对漏损量而言，主要和三个因素有直接关系：（1）管道漏损已经出现一段时间;（2）漏损点数量、形状及大小;（3）供水压力。经实验研究可知，供水压力和漏损存在十分紧密的关系，对管网压力进行合理的管控能有效降低漏损概率，防止爆管。对网管压力进行有效管理和控制，是一项行之有效且经济合理的降损方式，无论是对漏损的防止、爆管的预防，还是延长捡漏的周期都有着十分重要的作用与意义。相关人员经研究得出，通过压力的管理和控制来降低漏损是一种具有很高性价比的做法，同时通过对压力发生的波动的有效平缓，能进一步降低泄漏。

就目前而言，对供水节点进行监控主要存在下列实际问题： （1）压力参数的实时采集较为困难，实际采集得到的数据往往不全面，缺乏实效性;（2）压力的调节需要由人工在野外进行。由此可以看出，供水压力控制需要实现系统化，借助物联网等技术，建立专门的管控体系。

3  体系建立与优化

3.1  框架和原理

控制器主要对V型大阀门进行控制，由Web服务器实施监控。体系核心部分对应的控制器终端，它将单片机作为体系的中央处理器。外围输入和输出接口与控制器中的液压系统相连，和减压阀形成完整闭环。液压系统为终端设备重要组成部分。它运用上游处于稳定状态的高压水，使膜片活塞杆发生动作，对减压阀上的弹簧弹力进行改变，最终实现对阀芯开口度变化。体系通过控制算法来实现对下游出水口实际压力的准确设定，并通过与互联网络的相连来实现动态监控。

3.2  硬件设计

该体系微处理器为MSP430单片机，将SIM300芯片作为无线通信模块，此外还配置了其它功能模块，包括液晶显示模块、协议储存模块、操作按键和电源及其监控功能模块.

3.3  硬件接口

该体系压力数据采集的精度无需提高，所以可对信号调理电路进行简化;将电流为4mA～20mA的信号输入，由变送器采集得到的信号，通过电阻可变成电压信号。此时，为减小或避免采样的偏差，电阻精度应达到1%。在电路中，设置二极管作为保护电路。另外还采用电容滤波方法，将信号中的毛刺滤除干净，避免信号干扰。输入信号的电流在4～mA20mA范围内，当电阻为150Ω时，信号的电压在0.6V～3.0V范围内;而模拟电压将3.3V和AGND作为参考源;对于压力变送器，其最大水压取25bar，控制器采用12位ADC，其数字量的满偏、零偏差及满偏差分别为4096、745和372。外围的接口和电磁阀相接，信号通过三极管输出，继电器的线圈与集电极相接，由继电器对高、低电压进行隔离，形成电气连接。由于继电器线圈与电磁阀磁铁均属于感性负载，所以为避免产生误动作，需要在线圈与磁铁部位沿反向布置二极管，以此防止过电压。通过对上述体系的实验和测试，可知本方案设计科学合理，体系的运行十分稳定且可靠。

3.4  通信系统

控制器和上位机之间利用SIM300实现无线通信，对于SIM300，它是可在三网使用的GMS及GPRS功能模块，这一功能模块同样为低功耗芯片，在睡眠模式下，其电流消耗不超过2.5mA;芯片的尺寸为 （40×33×2.85） mm，在芯片的内部集成有协议栈，同时对AT与TCP/IP等指令予以了扩展，借助该模块进行数据开发和传输十分简便，无需编写底层协议等复杂的程序，可满足很多工业领域的通信要求。对于SIM300，它是一个独立模块，将电话卡插入即可进行上网，并由单片机的串口向外发送控制指令，以此实现和外网相通信的根本目标。此时单片机主要利用的是AT指令进行控制，同时把待发送数据封装至相应的模块，利用功能模块把数据处理成数据包，并发送至远端服务器。网络中数据的传输完全透明，实际应用操作十分方便。

对于监控该软件，它是将B/S模式作为基础与Web服务器相搭接，并在后台利用MVC或Java实现数据库的搭建，这是一个有着企业级构架的控制软件，其后台将终端ID作为主要标识，以ID节点号所传输的信号为依据，实施数据库操作，然后通过对数据库的正确操作，使前台页面显示不断刷新，此时外网用户可在浏览器上利用已经授权的账户来监测，并根据实际情况产生并下方相应的指令。这一软件能支持多种智能终端，可对异步数据进行良好处理，同时为第三方软件实时提供协议规范及接口。在无线通信模块中，嵌有强大协议栈，所以控制器和Web之间的通信主要使用的是Socket。该智能终端主要用于野外地下，在这种环境下，信号十分微弱且不稳定，易产生误码及掉线。对此，基于TCP通信，应搭接专门用于本体系的通信协议，即为PRV协议，这样能有效保证数据接收和发送的完整性及可靠性。

对通信协议进行设计时，应将智能终端的主要功能作为依据而确定，常见的包括设备链接身份综合验证、参数下方控制与数据上传方面的协议。协议形式主要为命令和响应包，在发送方向主要是对命令包进行接收，而在接收方向主要是对响应包进行发送，为满足扩充要求，在编写程序的过程中，应为升级保留足够余地。体系能把协议分为接收与发送任务，不同任务能实现各司其职，系统换代和升级过程中可对协议的添加及加密进行充分考虑。对于通信的双方，通过数据信号的响应机制能确认数据的接收及发送是否成功。其中，对于命令包，其格式为：包头采用ESC标志，1字节;包长采用LEN标志，1字节;命令代码采用CMD标志，1字节;通信数据采用[DATA]标志，n字节;校验采用CRC标志，2字节。对于响应包，其格式为：包头采用ESC标志，1字节;包长采用LEN标志，1字节;响应代码采用RES标志，1字节;通信数据采用[DATA]标志，n字节;校验采用CRC标志，2字节。

4  结束语

上述压力控制体系不仅原理简单、功能齐全，而且造价很低。经试运行可知，这一体系可以对各个关键节点实施动态且智能化的监测及控制。所以能有效减少野外作业，大幅节省人力及维护方面的成本。系统的进一步优化与完善能在服务器端以监测得到的数据为依据，采用智能算法对调压算法对应的控制参数进行计算，再对控制参数实施远程的动态整定，也可在硬件端进行DSP的添加，通过动态调参算法的本地建立实现对参数的实时整定。

参考文献：

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