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    儀器儀表 2019-03-13 14:14
    中國電工網訊:
        人類社會已經進入萬物互聯的大數據時代。隨著物聯網和大數據技術的發展,各行各業都在研究如何應用物聯網和大數據技術提升行業的管理水平和盈利能力。
     
        城市供水行業是公用事業,肩負著城市供水服務和水資源管理的雙重重任。物聯網和大數據技術的應用必將為城市供水行業發展帶來巨大的進步。
     
        一、智能水表在物聯網和大數據技術應用中的作用
     
        智能水表的初級階段是IC卡水表,其功能是單純的計量收費。隨著物聯網和大數據技術的發展,智能水表將以遠傳表為主,其功能既包括計量收費,又要擴展到供水管網智能管理。后者的經濟價值遠大于前者。
     
        物聯網的作用是實現供水管網智能硬件的互聯互通,搭建的是物理平臺。大數據的作用是為供水管網實現智能化管理提供數據和信息,是智能化管理平臺。通過數據的采集、分析和處理可得到供水管網實現最佳運行狀態的決策信息,然后依據獲得的大數據信息實施供水管網的運行管理,從而提高運行效率,減少水資源損耗,降低運行成本,提高用戶服務能力,增強企業盈利能力。
     
        計量數據是供水管網運行最重要的數據。通過大量計量數據的統計分析可以得到供水管網運行狀態的信息,使管理決策更為準確和及時。因此,智能水表在物聯網和大數據技術應用中具有極其重要的作用。
     
        智能水表的主要作用是收費管理、供水管理和監控管理。
     
        收費管理是水表的基本功能。過去水表的作用只是提供單一的收費數據。隨著階梯水價政策的推出,智能水表在階梯水價收費管理中發揮了智能化運算作用。
     
        供水管理就是通過管網供水數據的采集、統計和分析,為生產與供應管理提供準確的決策信息,使生產與供應的匹配更為合理,生產計劃的制定有了科學依據。
     
        監控管理就是通過供水數據的采集和分析及時發現管網供水異常現象。用戶使用了智能水表,就可以建立包含用戶的分區管理網絡。通過分區管理及時發現管網漏水、用戶盜水和計量損失,以便及時檢查和維修。通過監控用戶供水異常,可以及時發現用戶端漏水和盜水,為用戶及時提供服務。供水監控是水資源管理的重要手段,也是降低運行成本,增強盈利能力的重要手段。
     
        綜上所述,大數據技術在供水管網中的應用可以極大提高效率,降低人力資本支出,減少生產資源損失;減少水資源損失,將盜取的水量轉變為收入;可以為用戶提供漏水信息服務,減少用戶損失。
     
        二、現有智能水表存在的問題
     
        面對大數據技術的應用,對智能水表應該從兩個角度提出要求。一是滿足大數據技術應用對智能水表的要求;二是水司作為用戶對智能水表的要求。
     
        從大數據技術應用角度,首先智能水表的計量數據采集精度應該為0.001立方米。計量數據采集精度低對供水管網異常現象很難監測出來。其次智能水表應該具有防盜水和監控爆管功能,這就要求智能水表具有檢測逆流的功能。其三,智能水表的數據采集、存儲和通信功能可靠。
     
        滿足大數據技術應用是水司的基本要求。此外,水司更為關切的有兩點,一是智能水表計量數據采集的準確性和可靠性,二是智能水表的綜合成本。
     
        智能水表(從IC卡表開始)進入市場已經20多年。水司對應用結果不滿意。首當其沖的是計量數據采集的準確性和可靠性讓水司不放心。計量數據采集的準確性要貫穿于水表整個壽命周期。事實證明,影響水表整個壽命周期計量數據準確性的主要因素是水表的可靠性,而不單單是計量精度。可以說可靠性影響更大。
     
        傳統的機械水表使用了200多年。現在無論先進或落后國家機械水表還是主流產品,也就是說機械水表的準確性和可靠性得到了普遍認同。機械水表是容積式計量,只要傳動機構正常工作,計量就沒有問題。只要機械磨損是可控的,計量的準確性就沒有問題。環境變化和各種干擾均不能影響機械水表計量的準確性和可靠性。居民用戶使用的小規格機械水表,從計量精度到價格應該是性價比非常適合的產品。
     
        相對于傳統的機械水表,為了實現智能化增加的電子數據采集裝置影響了水表的可靠性。因此電子數據采集裝置是智能水表的核心技術。從原理上講現有的幾種智能水表如果應用于理想工作環境中采集的計量數據都應該是準確的。問題出在智能水表工作環境的變化和各種干擾,嚴重影響了智能水表電子數據采集裝置的可靠性。常見的環境變化和干擾有水泡、水錘、強磁、強光、水質變化、水垢、溫度、電子器件老化與漂移。不受環境變化和各種干擾影響的智能水表才能在整個壽命周期內可靠準確地采集數據。要想使智能水表的電子數據采集裝置不受環境變化和各種干擾的影響,在原理上必須有可靠的保障措施。原理上存在問題,工作中一定出問題。
     
        現有的智能水表從電子數據采集裝置的形式上講可以分為兩大類:
     
        第一類是以傳統機械水表為基表,增加一套電子數據轉換裝置,把機械量轉換為電子數據的智能水表。典型產品有光電直讀水表和脈沖水表。正是由于增加了這套電子數據轉換裝置,計量數據采集的準確性和可靠性易受各種干擾影響。
     
        光電直讀水表影響計量數據準確性的因素主要是由其編碼原理決定的。光電直讀水表用字輪上三個腰型孔來進行編碼,就是說每個字輪上有三個上升沿和三個下降沿。在數據采集時會同時出現2個或3個沿的情況。這種情況會出現誤碼。因此,光電直讀水表通過軟件判斷來解決誤碼問題。軟件判斷的條件是根據實驗和經驗人為設定的,無法包羅萬象。只要超出軟件設定的判斷條件,光電直讀水表就會出現錯誤數據。因此,光電直讀水表不是真正意義上的直讀水表。這也是國外普遍不認同光電直讀水表的原因。光電直讀水表在采集精度為1立方米時(字輪轉速較慢)可以勉強使用。光電直讀水表的優勢是沒有累計誤差,本次出現錯誤讀數,后面采集的數據會糾正過來。大數據技術的應用要求水表采集精度為0.001立方米,每天采集次數較多,字輪上的三個沿在快速運動狀態,光電直讀水表無法正常讀取數據。另外當出現水錘現象時,字輪上的三個沿處于抖動狀態,嚴重影響光電直讀水表準確讀取數據。當水中氣泡處于發光管和接收管之間時,也嚴重影響讀數的正確性。光電直讀水表抗光干擾能力較弱。水表安裝環境千差萬別,無法設定標準光線安裝環境。大數據技術應用于供水管網管理,每天需要頻繁采集數據,尤其要在白天采集數據。強光干擾將嚴重光電直讀水表數據采集的準確性。
     
        脈沖水表的原理是計數轉盤每轉一圈產生一個計量脈沖,將脈沖數量轉換為計量數據。脈沖水表是在水流通過時采集脈沖信號。當水流運動平穩連續時脈沖信號的采集是準確的。當水流出現波動時會造成誤讀脈沖數量。倒轉時脈沖水表照樣計量脈沖數。當高樓加壓時管網會產生水錘,當閥門開斷時會產生水流振蕩。這些現象都影響計量數據的準確性。脈沖水表產生的誤差是累計的,時間越久累計誤差越大。而且,脈沖水表不可測逆流。
     
        第二類是超聲波水表。超聲波水表的工作原理是采取時差法對流量進行測量。在測量通道(流量管)的上游和下游分別安裝一只超聲波換能器。甲換能器向乙換能器發射一個超聲波信號(順流),同時乙換能器向甲換能器發射一個超聲波信號(逆流),順流和逆流的超聲波信號在傳輸過程中形成一定的時間差,在標定的管徑截面積和標準測量管長度的情況下,通過積分儀上的計算芯片計算出表的流量。
     
        從原理上可見超聲波水表計量的準確性和可靠性受環境變化和各種干擾影響是最大的。氣泡、水錘、水質變化、水垢、溫度、電子器件老化與漂移都會影響超聲波水表的計量。超聲波水表被計量的水必須在層流狀態,氣泡、水錘及閥門的開斷都會使流經水表的水流成為紊流狀態,從而影響其測量的時差。水質變化會影響其測量的時差與標定時差不同。水表使用較長時間后換能器會結水垢,水質不同結垢程度不同,也會影響其測量的時差,溫度變化、電子器件老化和漂移更會影響測量的準確性。超聲波水表計量精度受影響的因素較多是水司不放心的根本原因。
     
        建設供水管網的大數據系統,需要投資最多的是居民用戶水表。無論建設投資還是運行維護,企業投入的資金都是巨大的。智能水表的成本對于供水企業是非常重要的選項。眾多企業在說到成本時都只說制造成本,這對供水企業是不科學的。供水企業要考慮經濟效益,在考慮智能水表的成本時應該考慮兩個因素,一是智能水表的制造成本,反映在采購價格上;二是智能水表的運行維護及換代費用。我們暫且把這兩項叫做智能水表的綜合成本。綜合成本低應該是供水企業在選擇智能水表時考慮的主要經濟因素。目前現有的三款智能水表,綜合成本最低的是脈沖水表,其次是光電直讀水表,超聲波水表成本較高。
     
        三、光纖直讀水表介紹
     
        光纖直讀水表也是以機械水表為基表,增加一套電子數據轉換裝置,把機械量轉換為電子數據的智能水表。光纖直讀水表與光電直讀水表都是通過光電轉換原理把機械量轉換為電子數據,但在結構和原理上完全不同。因此,兩者在性能完全不同。
     
        光纖直讀水表由光纖基表和電子裝置兩個相互獨立的模塊構成。光纖直讀水表的核心部件是光纖直讀采集器。光纖直讀采集器由光纖組件與電子裝置構成,具有電子數據采集和傳輸功能。其中,光纖組件由字輪編碼器、光纖網絡和光接口構成;電子裝置由光電管和電子線路板構成。光纖基表的結構是將光纖直讀采集器的光纖組件安裝于機械表內,外面有一個光接口。電子裝置的光電管與光纖基表光接口相對應。光纖基表還是一個機械表,內部沒有任何電子器件和光電管,只是增加了一套光纖組件。電子裝置分為有線和無線兩種模式。有線電子裝置安裝在光纖基表上就是有線智能水表。無線電子裝置安裝在光纖基表上就是無線智能水表。
     
        光纖直讀水表的基本原理是,光纖組件的入射光纖、字輪面及反射光纖構成光信號采集通道。發光管發出的光通過入射光纖投射到字輪面上,如果字輪面是凸面,光通過反射光纖反射到接收管,為“1”;如果字輪面是凹面,光被吸收,不能通過反射光纖反射到接收管,為“0”;通過5組光纖和5個位置的編碼,識別字輪的計量數據。光纖直讀水表的優良性能來源于上述結構原理。主要特點如下:
     
        1、計量數據采集準確,可靠性高
     
        光纖直讀水表在結構、編碼和光源方面采用了可靠性確定的技術,保障了數據采集的準確性,抗各種干擾的能力強。
     
        (1)光纖直讀水表的字輪編碼器采用單沿結構和格雷碼
     
        光纖直讀水表也是在字輪上面編碼,采用的結構是在徑向開一個180度的溝槽,這種結構只有一個上升沿和一個下降沿。每個字輪上設有5個光信號采集點,且采用格雷碼編碼。上升沿每越過一個信號采集點,對應著的一個唯一的編碼狀態。下降沿每越過一個信號采集點,也對應著的一個唯一的編碼狀態。每個字輪10個數據對應著10個編碼狀態。光纖直讀水表讀取的字輪上的編碼實際上就是字輪上的數字。因此光纖直讀水表沒有用于判斷的讀數程序。光纖直讀水表是真正的直讀水表。光纖直讀水表的這種單沿結構可以保證當水錘發生時讀數不會受到影響。
     
        (2)光在水中的傳播距離小,且在字輪下
     
        水泡通常發生在空間較大的地方,空間越小越不易發生和存儲水泡。光纖直讀水表發光點到字輪表面的間隙小于1毫米,而且在字輪的下方。因此,光纖直讀水表不受水泡的影響。
     
        (3)光信號采用620納米的紅光
     
        光纖直讀水表的光源采用了620納米的紅光,有效地避免了太陽光的干擾。光纖直讀水表放置在強太陽光下可以正常工作。
     
        綜上所述,光纖直讀水表讀數準確,抗干擾能力強,可靠性高。常見的氣泡、水錘、強磁、強光、水質變化、水垢、溫度、電子器件老化與漂移等現象對光纖直讀水表的準確讀數都不會產生影響。
     
        2、電子數據采集精度為0.001立方米
     
        光纖直讀水表字輪顯示8位數據,其中小數點后3位,符合國際標準。數據采集精度為0.001立方米,滿足大數據管理的需要。
     
        3、可測逆流
     
        光纖直讀水表的水流正向流動采集的數據是正常的計量數據,如果出現逆流,顯示的是負數,說明有逆流存在。光纖直讀水表滿足大數據應用對管網監控的功能要求。
     
        4、模塊化結構
     
        光纖直讀水表采用了基表和電子裝置相互獨立的模塊化結構。模塊化結構為用戶運行維護帶來了極大的便利性,有效降低了運行維護費用和基表壽命到期更換投資。當光纖直讀水表電子器件或光電管出現故障時,更換電子裝置故障就排除了,基表可以繼續使用;當基表出現故障時,更換基表故障就排除了,電子裝置可以繼續使用。當光纖直讀水表的基表壽命到期時,只更換基表,電子裝置可以繼續使用。
     
        四、智能水表的選擇
     
        目前,物聯網和大數據技術在城市供水行業的應用還在研討和試驗中。大規模的應用還沒有開始。智能水表在城市供水物聯網和大數據技術應用中具有重要作用,也是投資最大的基礎設施。智能水表的選擇至關重要。
     
        本文從原理上解剖和介紹了目前國內外現有的三款智能水表,即光電直讀水表、脈沖水表和超聲波水表;又介紹了一款新型水表——光纖直讀水表。通過上述剖析可見光纖直讀水表可靠性最高,可測逆流,電子數據采集精度達到0.001立方米,字輪顯示8位,符合國際標準;即滿足物聯網和大數據技術的應用要求,又從原理上解決了智能水表電子數據采集裝置的準確性和可靠性問題,而且運用模塊化結構降低了智能水表的運營維護費用,具有良好的經濟性。可見,光纖直讀水表在物聯網和大數據技術應用中會發揮重要作用。
     
        (原文標題:面向大數據時代的智能水表)
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