基于云计算的农村单村供水站智能加药系统设计

摘要：针对农村单村供水站传统加药方式存在的问题，文章设计了一种基于云计算的智能加药系统。该系统集成了余氯在线分析仪、液位计、次氯酸发生器、投加器、PLC控制系统以及云端算法决策系统。通过合理的管路设计，该系统可以对清水池余氯含量进行7×24小时在线监测，并将监测数据通过物联网反馈至云端，以智能生成产药和投加药剂策略，然后发送至PLC控制系统。根据实际试用，清水池余氯含量始终稳定在0.4～0.5mg/L之间，显著降低了运维成本，具有良好的推广应用价值。

关键词：农村供水；智能加药；云计算；PLC控制；次氯酸钠

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）09-0057-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

农村单村供水站的供水安全直接关系到农村居民的健康。目前，农村单村供水站普遍采用传统的加药方式，即利用加药桶和蠕动泵根据流量设定加药配比，将次氯酸钠加入净水管道。这种方式存在诸多问题：首先，次氯酸钠药液储存不便，易受环境影响而失效，从而降低消毒效果；其次，农村用水不规律，药液消耗难以精准计算，导致缺药或药液浪费；最后，传统方式依赖人工操作，效率低，运维成本高。这些问题导致清水池有效氯含量难以稳定达标，存在供水安全隐患。

因此，研究设计一套自动化、精准化、智能化的加药系统，对保障农村供水安全、降低运维成本具有重要意义。本文提出一种基于云计算的农村单村供水站智能加药系统，旨在实现对水质的实时监测和加药的自动控制。

1 智能加药系统实现

1.1 智能加药系统总体架构

基于云计算的农村单村供水站智能加药系统总体架构如图1所示。该系统主要由以下部分组成：前端感知层（包含各类传感器） 、数据传输层（有线/无线网络） 、云计算平台和控制执行层（PLC控制系统及加药设备） 。系统工作流程如下：传感器实时采集水质参数和设备运行数据，并通过网络将数据传输至云平台；云平台对数据进行分析处理，生成控制指令；PLC 控制系统接收指令，控制次氯酸钠发生器和投加器进行加药操作，最终实现水质的自动控制。

首先，在供水站的加药设备和相关的水质监测点安装各类传感器，如流量传感器、水质酸碱度传感器、余氯传感器等。这些传感器实时采集加药过程中的关键数据，包括药剂流量、供水流量、水质参数等，并将数据传输到云计算平台。

其次，通过有线或无线通信网络（如以太网、4G/5G网络等） ，将采集到的数据稳定、快速地传送到云计算服务器。确保数据传输的及时性和准确性，减少数据丢失或延迟的情况。

然后，利用云计算平台的海量数据存储能力，能够对长期积累的加药数据和水质数据进行妥善存储。同时，可以对数据进行分类、索引等管理操作，方便后续的查询和分析。通过大数据分析技术，对采集到的数据进行实时分析。例如，根据供水流量和水质变化趋势，建立数学模型来预测加药量的需求变化。通过对历史数据和实时数据的对比分析，不断优化加药控制策略。根据数据分析结果，云计算平台生成精准的加药控制指令，如控制加药泵的转速、加药时间等，以确保药剂的投加量符合当前供水的实际需求。

最后，加药泵、搅拌器等加药设备接收来自云计算平台的控制指令，并按照指令执行加药操作。同时，设备状态监测传感器将设备的运行状态反馈给云计算平台，实现闭环控制。

1.2 子系统功能

1.2.1 次氯酸钠发生器和投加器

将盐水稀释并注入电解槽，电流通过氯化钠溶液，导致水分解并在电极上发生氧化还原反应。在电解过程中，阳极（正极） 上，氯离子（Cl-） 失去电子，变成氯气（Cl₂） 逸出。同时，在阴极（负极） 上，水分子（H₂O） 得到电子，生成氢气和氢氧根离子（OH-） 。在此过程中，氯气和氢氧根离子在溶液中发生反应，生成次氯酸钠（NaClO） 和氯化钠（NaCl） 。次氯酸钠是发生器的主要产物，具有强烈的氧化性和杀菌能力，可用于水处理和消毒等领域。次氯酸钠发生器的工作原理是将稀释后的盐水注入电解槽，通过电解反应生成次氯酸钠溶液。其电解化学方程式如下：

2NaCl + 2H₂O = 2NaClO + H₂↑ （1）

式（1） 中：NaCl代表氯化钠，H₂O代表水，NaClO代表次氯酸钠，H₂代表氢气。

此外，次氯酸钠发生器还通过控制系统对电解过程进行精确控制。控制系统可以监测电解槽中的电流、电压以及溶液的温度和浓度等参数，并根据这些参数调整电解条件，以确保次氯酸钠的稳定生产。

次氯酸钠发生器规格的选取，主要根据水站的产水规模以及含氯指标确定。根据公式（2） 计算每小时所需的有效氯总量：

每小时有效氯总量（g） =产水规模（t/h） ×余氯含量（mg/L） （2）

式（2） 中：产水规模为用产水流量（t/h） ，余氯含量为（mg/L）。每小时余氯总量为g。比如产水规模为20 t/h，余氯含量为0.5 mg/L，则有效氯总量为：20 ×0.5 = 10 g。考虑到电解过程中食盐的消耗，每生产1kg有效氯需要消耗4～6 kg NaCl。因此，盐消耗估算公式如下（此处消耗系数取5.0） ：

每小时盐消耗量（g） =产水规模（t/h） ×余氯含量（mg/L） ×5 （3）

根据公式（3），结合实际加药量，推算每天消耗的盐，从而可以通知运维人员及时加盐。次氯酸钠溶液通过次氯酸钠发生器的提升泵投加送入清水池。每小能投加的有效氯可以通过公式（4） 计算[1]：

每小时投加有效氯=额定流量×药液浓度×投加频率 （4）

式（4） 中，额定流量为提升泵每小时能投入的体积，单位为（L/h） ；药液浓度为次氯酸钠中的氯含量，单位为（g/L） ；投加频率为额定流量的百分比。

一般次氯酸钠发生器产生的药液含氯溶度为：6 ～8 g/L[2]。对于额定投加量为9 L，投加频率为50% 时，每小时可以投加的有效氯为：

每小时投加有效氯（g） = 9 ×6×0.5 = 25g

在产水规模为20 t/h，余氯含量要求0.5 mg/L的条件下，可以选择提升泵最大容量为9 L，投加频率为20%～50%。

1.2.2 PLC 控制系统及物联网通信系统

PLC控制系统是智能加药系统的核心控制单元，负责数据采集、指令执行和与云平台通信。其主要功能如下：

1） 数据采集：实时采集清水池液位、余氯值、次氯酸钠发生器产药数据、投加数据、管道状态等关键参数，并上传至云平台[3]。

2） 执行命令：接收云平台下发的控制指令，例如加药频率、投加管道切换、取样点位选择等，并控制相关设备执行相应操作。

3） 通信：通过RS485总线和Modbus RTU协议与现场传感器和加药设备进行通信；通过无线网络和MQTT 协议与云平台进行数据交互，实现远程监控和控制[4]。

1.2.3 取样/投加管道

取样/投加管道系统由水泵、电磁阀、止逆阀、球阀、管材等组成。PLC控制系统根据云平台的指令，控制水泵和电磁阀，实现对不同取样/投加点位的切换，确保水质监测和药剂投加的均匀性和效率[5]。取样/投加点位的数量和布局应根据清水池的大小和形状进行优化设计，以达到最佳混合效果。

1.3 云智能程序

云智能程序负责数据分析、加药策略制定和预警功能。

1.3.1 动态加药

云智能程序实时接收现场采集的数据，并根据清水池余氯含量、目标余氯值、液位、出水流量等参数，动态调整加药频率，实现精准加药控制。加药策略的核心是维持清水池余氯含量在设定范围内。

1） 清水池余氯含量：通过现场仪表分析并上报，支持定期上报和实时召测。

2） 清水池余氯标准含量：预设值，农饮水一般建议为0.5～1.0 mg/L。

3） 清水池液位/表面积：液位通过现场的液位计监测，表面积根据实际情况设定。

4） 出水流量：通过在出水口安装流量计进行采集获取。

5） 累计产药量：根据设备型号和产药时间累计计算获得。

6） 累计加药量：在某段时间内，计算公式如下：

式（5） 中：F（t）为累计加药量，F_i为第i 个时间段的投加频率，T_i为第i 个时间段累计投药时间，R为每小时额定投药流量。

具体到每个点位的加药操作和加药策略，在保证次氯酸钠溶液充足的条件下（如远程启动自动产药功能） ，通过动态调整加药频率来改变加药速度，使余氯的含量在短时间内达到标准范围之内。

1.3.2 预警功能

云智能程序具备以下预警功能。

1） 加盐预警：根据累计产药量估算盐消耗量，并在盐量不足时发出预警，提醒运维人员及时加盐。

2） 清水池液位低预警：当清水池液位低于设定阈值时发出预警。

3） 设备维修预警：当系统长时间无法达到目标余氯含量时，发出设备维护预警。

2 试验分析

为了验证系统的有效性，在宁波市海曙区横街镇云洲村天益供水站进行了实地试验。水站基本情况如下。

水站名称：天益水站，地处浙江省宁波市海曙区横街镇云洲村；供水规模：112 t/d；膜处理设备流量：20 m³/h；清水池体积：114 t，尺寸为3m×6 m×8 m；余氯含量标准值：0.5 mg/L；次氯酸钠发生器：每小时最大产药量为50 g，次氯酸钠浓度为6000 mg/L；提升泵额定流量：9 L/h，每小时最大食盐消耗量为200g。

云智能程序采用Java开发，运行在阿里云ECS服务器，与PLC控制系统通过MQTT协议连接，采用物联网卡，数据采集周期为5分钟。设计了3个采样和加药点位。

2.1 实验一

实验条件：出水口无流量，净水设备持续产水，保持加药频率不变；f₀ = 45% ，H₀（液位） = 1.05 m， 产水流量约19 t，X₀（余氯） = 0.0 mg/L。

从图2可以看出，随着智能加药系统的运行，清水池中的余氯含量从0开始逐步逼近目标设定的值，加药效果明显。

2.2 实验二

实验条件：系统运行一段时间，居民正常用水，净水设备正常产水，保持清水池余氯含量稳定。从表2可以看出来，在智能加药系统的控制下，出水流量虽然有所波动，但余氯基本保持不变，效果明显。在观察时间段里面：余氯平均值：0.46 mg/L，出水流量平均值：23.115 m³/h。

3 结论

本文设计的基于云计算的农村单村供水站智能加药系统，能够实现对清水池余氯含量的实时监测和自动控制，有效解决了传统加药方式存在的诸多问题。现场试验结果表明，该系统能够将清水池余氯含量稳定控制在目标范围内，显著降低了运维成本，提高了供水安全保障水平，具有良好的推广应用价值。