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超聲波&物聯網
智慧市政&人工智能
城市供水管網計量監測與管理系統技術方案
作者:青島積成電子 來源:青島積成電子 閱讀次數:6560 發布時間:2019-10-19

一.概述

作為保障居民生活、企業生產、公共服務和消防等各方面用水的地下供水管線是城市基礎設施的重要組成部分,也是城市管理部門進行規劃、建設、管理的基礎信息之一,更是供水企業實現“優質供水,服務社會”的前提,因此供水管線的質量以及管理方式的現代化水平對城市和供水企業而言具有重要意義。不僅如此,管網主干線上的工商業大用戶儀表計量的水費占據水司高達70%的供水收入。

對于供水管網的運行狀態,水司通常利用節點水表、壓力表、水質在線儀等儀表數據來進行監測。換言之,供水管網維護的重點就是對管網中水表、壓力表及其他儀表的實時監測與管理。

管網計量儀表特別是大口徑結算水表、壓力變送器等儀表一般安裝在水表井的底部(北方地區)或是較為偏遠的地段,抄表人員到現場需要打開井蓋進入水表井才能抄到所需要的數據,遇到雨雪天氣及冬季井蓋結冰時無法正常讀取水表數據,只能根據以往的用水量估算當前表數,造成計量數據的不準確。這都增加了抄表人員的勞動強度,降低了抄表人員的工作效率,同時給抄表人員的人身安全造成隱患。隨著水費的上漲,用戶私自改動表具、水司內部人員“人情收費”的現象屢見不鮮。直接影響了水司的經營效益,并給企業管理帶來隱患。

針對以上情況,青島積成電子股份有限公司推出城市供水管網計量實時監測與管理系統方案。該系統對供水管網上的工業用戶、商業大用戶、居民小區總表、管網節點表的水量和水壓等情況進行監測,分析管網節點的水壓、水量等,對于異常情況實時報警。同時可輔助分析夜間最低流量變化,評估區域漏損狀況。監測數據也可用于供水調度評估、管網水力模型校驗,降低供水公司產銷差,提高供水企業的管網特別是大用戶水表用水管理水平。

二.系統結構

城市管網計量監測與管理系統分為三部分:

第一部分是提供管理服務的iES-D1000供水管網計量監測與管理平臺軟件,實現包括數據采集與管理、客戶服務、數據分析與報表、系統管理等功能。

第二部分是遠程數據監測終端iES-D10S可實現采集各類信號傳感(RS485總線、脈量、4-20mA模擬量),具備多種上行通訊模式(SMS、GPRS/CDMA、藍牙等)。

備注:模擬量采集可以由我司另一型號設備完成。

第三部分是現場安裝的智能儀表設備包括流量計、遠傳大口徑水表等。

城市供水管網計量監測系統技術方案 城市供水管理系統技術方案 城市供水管網管理系統技術方案

系統結構圖如下:

三.供水管網計量監測與管理平臺軟件

我司通過了歐標的集成能力成熟度CMMI3級認證。該平臺軟件遵照SOA設計理念,采用B/S與C/S架構相結合的方式,具有良好的擴展性和豐富的標準接口,有利于功能擴展及系統對接。

3.1軟件主界面

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系統主界面包含標題欄、菜單欄、監測點列表、儀表實時數據、狀態欄等基礎信息。

3.2支持云平臺托管

“云平臺”托管服務,是指系統服務接收端運行在積成中心機房,以網頁訪問的形式為客戶提供展示服務。用戶體驗與自檢計算機中心幾乎一致,僅僅是將數據保存在積成服務器端。支持傳統互聯網和移動互聯網訪問。

減少客戶前期對于服務器、運營網絡的投資,僅僅安裝現場儀表和采集設備后即可體驗完整系統方案。

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3.3數據采集功能

●數據采集:支持采集遠程數據監測終端D10等設備的現場數據,也可支持透傳方式直接采集智能儀表的數據。每個監測點的采集模式可自定義設置,如自定義采集周期、上傳間隔等。

●數據補抄:支持在采集設備掉電恢復、通訊中斷恢復等異常情況下進行數據補抄,保證系統數據的完整性,補抄時間跨度不低于一個月。

●通訊報文存儲:具有對接收和發送的通訊報文進行監視、存儲和調用功能,方便分析管理。

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3.4數據查詢與曲線 

支持列表、曲線、柱狀圖等多種數據查詢方式。


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運行狀況管理管理圖

3.5數據報表及打印

(1)可按照用戶要求生成各種統計報表,如日報、月報、年報等。

(2)采用標準的Excel報表。

(3)可以直接打印各種報表。

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報表統計圖

3.6智能用水分析

3.6.1  區域漏失分析

通過在系統檔案里設置分級計量儀表及對應關系,自動計算總分表的供水差。

結合戶表遠傳系統和小區考核表可以實施小區漏失分析。

3.6.2  口徑匹配分析

根據水表的流量分析,結合水表參數,分揀出大表小用、小表大用等情況,建議改用更加適合終端用戶用水規律的水表型號規格,使水表處于最佳工作狀態。

3.6.3  用水趨勢分析及對比

根據實際情況,可以對單個儀表在不同時間段內,按照時、日、月并列比較流量、水量或者壓力走勢。

也對同一類型和性質的儀表,如同口徑、同行業性質用戶、相似用水習慣的儀表,比較它們在同一時間段內的流量、水量或者壓力走勢。

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3.7報警信息及操作日志

3.7.1  通訊線斷線報警

當信號線斷開時,系統自動報警。

3.7.2  異常移動報警

當終端非法移動時,系統自動報警,防止非法破壞。

3.7.3  越限報警

自學習型報警算法,報警限值曲線支持伴隨實測值曲線同時展示。

報警類型包括3大類:固定值報警、預測值報警,混合值報警。

1) 固定值報警

將量測報警上下限設置為固定值。

例如壓力報警的上限為0.5Mpa(Pmax),下限為0.2MPa。

固定值報警不區分時間階段,只要設備量測有數據傳到主站軟件平臺上,軟件平臺判斷數據是否超過報警上下限,如果超過報警上限或者下限,主站生成事項,存入數據庫事項表中,并在人機會話界面提示。

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2) 預測值報警

預測值報警是先根據前1-5天的歷史數據生成當天的預測值,然后根據預測值上下浮動百分比計算得出的報警閾值。其中1-5可設置,百分比可設置。

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3) 分時段混合報警

分時段混合報警是在固定值報警和預測值報警的基礎上做分時段的設置,可支持到8個時段。時段可以交差。如可在夜間0點至3點時段設置固定值報警,在正常用氣時段17點至21點設置預測值報警。

3.7.4  操作日志

記錄所有登錄人員的操作,可進行操作日志查看。日志不可刪除。

3.8設備檔案管理及合同管理

所有管網節點、工業用戶、商業用戶、居民用戶等均作為監測點進行統一管理。支持分級管理、分類管理等多種管理方式,其中分級管理用于核算產銷差、區域漏失分析等,分類管理用于供水結構分析、供水方案分析等。

客戶檔案:檔案信息包括用戶編號、客戶姓名、手機號碼、地址、小區名稱、用戶類型、儀表數量等詳細信息; 

表具信息:表號、儀表品牌、型號、口徑、參數(如大口徑水表的Q1/Q2/Q3/Q4)、公稱通徑、量程(最大流量,Qmax)、最大壓力(Pmax)、溫度范圍、表底數、表安裝時間、安裝位置等??筛鶕惭b維護時間,設置下次周檢提醒業務。

合同管理:系統支持合同管理。用戶的用水價格策略可根據用戶類型如可中斷、不可中斷,商業用戶、工業用戶、小區總表等進行分別設置。

四.遠程數據監測終端iES-D10S

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4.1技術性能與主要參數

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4.2配置高靈敏度、高增益天線

遠程數據監測終端采用自主設計的高靈敏度、高增益天線。天線浸沒水下≤30cm時仍能保證數據的連續、可靠傳輸。

4.3數據采集功能

D10S遠程數據監測終端具有豐富的通訊接口:

1路RS485總線(可帶載5塊表計);

2路脈沖量;

2路4-20mA模擬量;

單臺設備最多可同時掛接多達9塊儀表。

4.4支持多種通訊協議

遠傳數據監測終端預置多種通訊協議。目前可以接入遠傳大口徑水表(如申舒斯、真蘭、連利、濰微、山科等)、流量計(西門子、ABB、大連海峰、開封青天、唐山匯中等)。

整體嵌入式軟件采用模塊化設計,支持定制協議,方便擴展。

4.5防護等級IP68

主要電路部分采用環氧樹脂灌膠。

獨立設計的接線端子盒。

防持續潛水影響,保證無灰塵進入。

符合GB 4208-2008,第三方權威認證,滿足浸水環境使用

4.6大容量數據存儲

遠程數據監測終端的采集存儲間隔最小可設置為1分鐘。支持靈活設置數據采集存儲周期(1-65535分鐘可設置)。

配置8M存儲器,按照10分鐘采集存儲間隔,D10終端至少可以存儲所有儀表1年的歷史數據。

保證數據的完整性和正確性。終端在斷電情況下,iES-D10S遠程數據監測終端保存的數據不會丟失。。

防止在網絡通訊失敗后,數據記錄和報警記錄不丟失。網絡恢復后,終端可自行上報漏傳記錄、歷史記錄。

4.7數據上傳靈活可靠

可兼容多種數據上傳方式,上傳數據支持GPRS/CDMA、SMS方式傳輸數據。

同時設備具有藍牙通訊接口,方便對終端設備進行設置調試、批量導出數據、程序升級。

通訊穩定可靠,在數據鏈路中斷后,設備能自動識別狀態,數據鏈路正常后,設備能夠自動建立鏈接,并將未上傳的數據補充上傳完整。

4.8抗干擾能力強

遠程數據監測終端抗電磁干擾能力強,從外觀設計角度就考慮了高頻信號對主板等模塊的干擾影響,科學合理的設計方案從源頭控制了干擾因素的影響。從生產檢測方面,通過嚴格的檢測和高檔的針對性檢測設備的檢測,保證了出廠產品抗干擾度高。

4.9防破壞性能力強

從設計和選材的角度決定了防破壞能力的好壞,從系統自檢報警功能進一步完善了防破壞能力。

iES-D10S遠程數據監測終端具備系統工作狀態自檢功能,包括:

●數據采集信號中斷實時報警;

●異常移動實時報警;

●通訊模塊檢測異常情況報警;

●采集模塊異常數據報警等

注:通訊部分檢測異常報警,待問題排除并通訊穩定后,可自動恢復上傳。

4.10 現場維護方便

配備液晶顯示屏:iES-D10S遠程數據監測終端數據采集準確可靠,并且數據可即時在顯示窗口,顯示流量、異常信息、電池信息等,方便數據現場校對。

嵌入式固件遠程升級:遠程數據監測終端支持固件遠程升級程序,升級過程中支持斷點續傳。方便設備功能擴展和系統擴容,如有新接入儀表或是定制新功能時使用。

五.現場儀表

現場儀表主要包括流量計、光電直讀式大口徑水表、超聲水表、液位儀等設備。

5.1普通機械式水表改造(脈沖遠傳)

根據水表基表廠家的不同,可以選配不同的磁針和脈沖傳感器。

可在現場直接改造,充分保護原有投資。

可檢測開關信號和斷路、短路信號。

應注意根據水表指針軸的粗細不同,從而選擇匹配合適的磁性指針(一般三位指針的水表與四位指針的水表指針軸粗細不同,三位指針的水表指針軸粗,四位指針的水表指針軸細;冷、熱水表指針不同)。

脈沖常數可根據用戶需要設置為100P/m3、10P/m3、1P/m3。(用戶可根據水表的口徑及配套系統選擇合適的脈沖常數,1P/m3的意思為每立方1個脈沖,磁性指針安裝在×0.1指針位上面)。

5.2RS-485型光電直讀垂直螺翼大口徑水表

垂直螺翼型直讀式水表是一種采用光電直讀抄表技術的可拆卸垂直螺翼式、磁傳干式直讀式智能水表,該表流通能力大、壓力損失小、計量精度高、使用壽命長,可以測量水質較硬或含垢、含懸浮顆粒的水質。計數器真空密封,讀數永久保持清晰??刹鹗浇Y構,使水表不必從管道拆下,機芯便可取出修理或更換,保養及維修方便。

作為標準智能儀表,與流量計兼容,采用RS-485接口方式和標準通訊規約??梢院偷谌降腞TU、PLC和抄表裝置通訊??膳浜细鞣N智能終端使用,應用于城鎮供水企業、水資源管理部門和其它需要水流量計量管理的自動化系統。

該系列水表配置有青島積成電子有限公司的直讀遠傳模塊,采用光電直讀抄表技術,直接讀取當前表盤示數,抄表準確率100%。

5.2.1技術參數

●讀表方式:光電直讀技術,直接輸出表盤數據,沒有脈沖累計誤差

●基表口徑:可以適應從DN40—DN200的全部水表

●通訊規約:建設部標準規約或用戶約定的其它規約

●通訊方式:RS-485

●工作電源:DC 12V,由抄表裝置提供

●水溫:冷水表:0~50℃,熱水表:≤90℃。

●水壓:不超過1.6Mpa

●可安裝在室外(C類),適用于住宅、商業及輕工業領域(E1)

●水表有防護裝置,具有有效的封印和防拆環,封印標志不易被破壞,能夠有效防止未經許可的改變讀數顯示行為。

●表殼材質為球墨鑄鐵,內外表面經靜電噴塑處理,無氣泡或漆塊堆積。

5.2.2外形尺寸及重量

5.2.3技術性能

最大允許誤差

●在從包括最小流量在內到不包括分界流量的低區中的最大允許誤差為±5%。

●在從包括分界流量在內到包括過載流量的高區中的最大允許誤差為±2%。

●電磁兼容性能

●靜電放電抗干擾度――3級

●射頻電磁場輻射抗干擾度――2級

●電快速瞬變脈沖群抗干擾度――2級

●浪涌沖擊抗干擾度――2級

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5.3流量計/電磁水表/超聲水表

流量計主要包括各種電磁流量計、超聲波流量計、電磁水表、超聲水表等。

僅需儀表具備RS485總線接口遠傳接口即可

需要儀表廠家提供通訊規約協議。

六.供電

6.1電池供電

4節大容量可更換鋰電池,天模式(1小時采集一次,1天上傳一次)可使用3年。

6.2太陽能供電

終端同時可以使用太陽能24V外部供電。

系統由太陽能電池組件部分(包括支架)、控制箱 (內有控制器、蓄電池)和燈桿幾部分構成;太陽能電池板光效達到127Wp/m2,效率較高,對系統的抗風設計非常有利;。 

控制箱箱體以不銹鋼為材質,美觀耐用;控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統選用閥控密封式鉛酸蓄電池,由于其維護很少,故又被稱為“免維護電池”,有利于系統維護費用的降低;充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備(具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等)與成本控制,實現很高的性價比。 

2.工作原理

系統工作原理簡單,利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天電池板接收太陽輻射能并轉化為電能輸出,經過充放電控制器儲存在蓄電池中,夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、北京盛日科技太陽能電池板開路電壓4.5V左右,充放電控制器偵測到這一電壓值后動作,蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后,充放電控制器動作,蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。 

3.設計思想

1,太陽能電池組件選型 

設計要求:北京地區,負載輸入電壓24V功耗34.5W,每天工作時數8.5h,保證連續陰雨天數7天。 

⑴ 北京地區近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2,經簡單計算北京地區峰值日照時數約為3.424h; 

⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH 

⑶ 所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷(3.424×0.85)=5.9A 

在這里,兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天,1.05為太陽能電池組件系統綜合損失系數,0.85為蓄電池充電效率。 

⑷ 太陽能組件的最少總功率數 = 17.2×5.9 = 102W 

選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標準電池組件,應該可以保證路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。 

4.蓄電池選型

太陽能供電系統中,蓄電池的性能好壞直接影響系統的綜合成本及運行好壞和使用壽命,本方案中選用我公司與中國科學院金屬研究所聯合研制的最新成果儲能型膠體蓄電池, 與普通的鉛酸電池相比,它在設計上和制造工藝上有以下突出特點: 

使用壽命超長,正常情況下使用壽命為五到十年。 

采用適合的正負極合金配方及活性物質配比,使電池更加適合儲能電池循環充、放電的使用特點。 

膠體電解液的設計,有效的抑制活性物質的脫銹和極板的鹽化現象,從而延緩了電池在使用過程中的性能衰降。大大改善了電池的深充放循環壽命。 

5.電池組件支架

1) 傾角設計

為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多,我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。 

關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討,近年來在一些學術刊物上出現得不少。本次路燈使用地區為長沙地區,依據本次設計參考相關文獻中的資料[1],選定太陽能電池組件支架傾角為16o。 

2)抗風設計

在太陽能路燈系統中,結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計??癸L設計主要分為兩大塊,一為電池組件支架的抗風設計,二為燈桿的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析。⑴ 太陽能電池組件支架的抗風設計 

依據電池組件廠家的技術參數資料,太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數選定為27m/s(相當于十級臺風),根據非粘性流體力學,電池組件承受的風壓只有365Pa。所以,組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以,設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。 

在本套路燈系統的設計中電池組件支架與燈桿的連接設計使用螺栓桿固定連接。

6.控制器

太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池?;竟δ鼙仨毦邆溥^充保護、過放保護、光控、時控與防反接等。 

蓄電池防過充、過放保護電壓一般參數如表 

1)當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態 

在選用器件上,目前有采用單片機的,也有采用比較器的,方案較多,各有特點和優點,應該根據客戶群的需求特點選定相應的方案,在此不一一詳述。 

2)表面處理 

該系列產品采用靜電涂裝新技術,以FP專業建材涂料為主,可以滿足客戶對產品表面色彩及環境協調一致的要求,同時產品自潔性高、抗蝕性強,耐老化,適用于任何氣候環境。加工工藝設計為熱浸鋅的基礎上涂裝,使產品性能大大提高,達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求。

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