淺談地下水廠的電氣自控設計

　　文章通過地下水廠水源地電氣自控系統的介紹，對于地下水廠工程在設計及實施過程中遇到的一般性問題進行探討，可以對今后的設計及工程實施工作起到一定的借鑒作用。

　　《電氣工程應用》以馬列主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，全面貫徹黨的教育方針和“雙百方針”，理論聯系實際，開展教育科學研究和學科基礎理論研究，交流科技成果，促進學院教學、科研工作的發展，為教育改革和社會主義現代化建設做出貢獻。

　　隨著國家對引用水源的重視，在關系國民基本生活保證的市政給水設施建設方面投入很大，近年來新建和改擴建水廠工程項目很多，其中大多以縣級中小型供水工程居多，這類工程供水規模一般不大，且水源大多為深井地下水源，水廠占地面積較小，日變化系數和時變化系數均較大，水廠技術力量較薄弱，管理水平較低，財力也較為緊張，這就決定了設計思路有別于大中型水廠，不能搞大而全的工程投資，加之各個縣鎮具體情況不一，不能生搬硬套。這就對電氣自控設計提出許多具體要求，要求在有限的財力下，應堅持設計經濟、合理、可靠、安全的原則，設備和系統要能滿足當前和未來幾年內技術發展趨勢。

　　本文結合具體工程對中小型供水系統電氣自控設計實踐談幾點經驗和教訓。

　　1.工程介紹

　　某縣城區給水擴建工程建設規模為5.0萬m3/d。電氣自控設計內容主要包括：1.新水源地電氣自控工程;2.自來水公司總調自控系統;3.舊水源地電氣自控改造。

　　本工程電氣自控工程于2001年開始分兩期實施。一期工程以新建項目為主，主要包括新水源地11座深井泵房的建設，自來水公司總調自控系統;二期工程以改造項目為主，包括舊水源地10座深井泵房電氣自控改造及自來水公司總調自控系統擴充。

　　2.系統介紹

　　根據當前水源地井群監控的技術發展現狀，本工程采用水源地井群遠程實時監控系統，本系統采用現代化的通訊技術、計算機技術和自動監測儀器，對各遠端設備及水質、流量等參數進行遠程實時監控，實現了管理的自動化、信息化、網絡化。可減少大量值班維護人員，節省運行維護費用，綜合造價較低。

　　此系統由計算機控制的監控中心臺和若干分臺(集中了控制水質、水量的在線檢測設備及泵房泵閥控制設備等)組成的一個網絡系統。

　　監控中心臺包括監控臺計算機、打印機、無線數據傳輸電臺等，并可通過計算機網絡連接多個中斷，實現數據共享。

　　分臺包括集中控制器、無線數據傳輸電臺、遠程測控終端RTU、泵閥開關控制器、鍵盤顯示器、流量計、PH計、水位、壓力檢測儀表及水處理設備運行狀態監測儀等。

　　由于本系統點多而分散, 地理環境復雜，所以非常適合采用無線數據傳輸方式，中心臺與分臺通過無線方式進行通訊連接，具體在中心臺和分臺各連接一臺無線電臺，各分臺監控設備能實時采集和記錄每個點的水處理設備運行情況及水質和流量等數據，并通過無線電臺發送給中心臺;中心臺工作人員作出判斷并發出指令，實現控制設備的運行。記錄的數據存放在中心臺計算機的數據庫中，可以隨時查詢或打印，其它計算機也可以通過網絡進行數據查詢。

　　3.電氣保護

　　電氣保護主要包括配電保護及防雷保護。其中設計需要特別注意的保護設置主要有一下幾點：

　　水源地井群因為距市區較遠，分布比較分散，供電通常采用高壓架空線路配電到深井泵房戶外，采用桿上變電站方式供電。戶外變壓器保護采用高壓負荷開關加熔斷器保護。因為熔斷器保護動作通常會某一相提前熔斷，造成深井泵電機缺相運行工作，因此電機應設置缺相保護功能，同時根據《通用用電設備配電設計規范》的要求設置過電流和短路保護等。

　　深井泵房選用潛水電機，可配備其專用的繼承電子監控裝置，用以監控和防護電機，可監控以下參數：在啟動前系統對地的絕緣性;電機溫度;電機電流及電流不平衡狀態;供電電壓;相序。可防護以下情況的發生：水泵干轉;電機的早期故障，如絕緣等級下降;電機溫度過高;電機燒毀，同時對于持續的欠壓、過壓，欠電流、過電流，冷卻不足、過載、超溫有可靠的保護。但是，此電子監控裝置對于瞬間的電壓波動脈沖(如雷電),電機堵轉等情況無保護功能，必要時應另外增加相應必要保護措施。

　　水源地井群防雷設計的好壞是保證電氣自控系統工作能否正常的重要保證。系統主要包括：變壓器高壓進線防雷保護，采用高壓閥型避雷器保護;低壓側進線的過電壓保護，可采用防浪涌電流保護器件SPD;無線電臺天線饋線應采用專用避雷器保護，同時應做好天線支架的防雷接地措施。保證天線在避雷針保護范圍內。另外，做好泵房的等電位聯結，是保證處于經常潮濕環境的泵房的操作維護人員人身安全的重要措施。

　　水源地深井泵房控制柜一般由以下設備組成：配電斷路器，SPD元件，電機啟動器(如軟啟動器)，工控設備RTU等，高頻開關電源，無功補償設備，無線電臺，電氣二次儀表，液位、壓力及流量等儀表的二次顯示儀表等，通常設計采用一體化控制柜，將所有元件安裝在整個柜內，便于運輸及安裝。一體化控制柜柜內存在多個高頻干擾源，其能否保證設備能夠正常工作，柜內設備布置應考慮其相互間要有一定防護距離外，還應做好屏蔽措施及良好的接地。控制柜的抗干擾能力和電磁兼容性EMC應在柜體生產出廠前有相關性能測試，應能滿足設備正常工作，并且符合環保及對人體健康的要求。

　　4.電臺的選擇

　　無線電臺作為一種通訊媒介，與光纖、微波、明線一樣，有一定的適用范圍：它提供某些特殊條件下專網中監控信號可靠的數據傳輸，具有成本低、安裝維護方便、繞射能力強、組網結構靈活、覆蓋范圍遠的特點，適合點多而分散、地理環境復雜等的場合。在很多專網領域有著廣泛的應用。本工程四周山巒較多，水源地深井布置在城區外，分散在城區四周農村中，點多而分散，如果采用有線方式，直接面臨復雜的布線工程，施工及征地以將困難重重，結合本工程特點，設計采用無線方式完成水處理遠程實時監控系統。該系統的應用大大提高了水處理的自動化程度，取得了良好的經濟和社會效益。

　　本工程電氣自控工程分兩期實施。 本工程采用公開招標方式確定系統集成商，根據招標結果， 一期工程采用了松下Panasonic模擬數傳電臺，電臺由工作于230MHz頻段的模擬調頻對講收發信機加MODEM改制而成的。此電臺報格便宜，非常有商業競爭優勢，基本能滿足水源地井群調度要求。但是通過半年調試和試運行，發現許多通訊問題。故二期工程根據一期工程時實施的經驗和教訓，改用美國MDS公司2710數字電臺，兩種電臺選用具體差別為：1。可靠性——一期模擬電臺要求不能連續發射，否則燒功放，為了滿足工程需要，本工程電臺根據實際現場測試，選用功率為80W，遠大于MDS公司2710數字電臺最大發射功率25瓦。2.技術指標低——一期模擬電臺傳輸速率2400bps，需用反復調試才能達到較好的10-6誤碼靈敏度，數字電臺傳輸速率可達19200bps,并可連續發射工作。3.誤碼高——一期模擬電臺中心臺和分臺經常發生通訊錯誤，因為模擬電臺采用單鎖相環及PTT時延造成收發轉換時間50ms以上，發射端容易丟掉字頭數據，調頻靜噪尾噪聲造成在接收端出現多余的字符，無糾錯編碼，容易受干擾。為了彌補通訊故障缺陷，設計采用中心臺上位機軟件延時，增加編碼校驗，保證通訊的可靠性。這樣整個中心臺對分臺的輪尋時間增加。數字電臺采用數字信號處理、數字調制、糾錯編碼、SMT一體化設計等先進技術。很容易完成通訊任務，信號準確，使工程調試周期縮短。4.無網管——一期模擬電臺如果數據傳不回來或者控制不能下達，無法判斷是停電、電源壞、信號差、天饋線不匹配、溫度高還是RTU無數據。采用數字電臺后，可在中心站遠程監視遠端電臺狀態(電壓、溫度、誤碼、功率、接收電平等)，可遠程提示遠端電臺的告警信號(低電壓、數據格式錯誤、溫度過高、不匹配等)，遠程設置遠端電臺參數(串口速率、發射功率等)。

　　5.組態軟件選擇

　　一期由自控工程公司采用Visual C++編程自行開發水源地管理系統上位機監控軟件，軟件基本不涉及知識產權問題，造價較低，針對性強，基本能滿足業主的要求。但是，因為軟件平臺選擇為通用開發軟件，很難做到良好的人機界面，同時，因為不同人編程風格不同，編程人員更換后，當需要增加功能時，工作量很大，反映出可擴展性差。二期采用國產正版軟件 \"組態王\"監控軟件，該軟件系統功能豐富且靈活易用，實時性好，且支持支持數百種國內流行的外備，在系統配置和維護方面非常方便。軟件以優秀的性能、純中文界面、編程風格簡單、實時性能好，且與其他應用程序交換方便，易調試，具有一定的價格優勢，編制的上位機監控軟件具有的多媒體技術，將語音，圖像以及視頻文件融入其中，不但滿足了監控要求，還可以滿足參觀演示的功能。同時采用采用電子表格軟件EXCEL內嵌的VBA開發軟件，自動生成EXCEL報表文件。

　　6. 遠程測控終端RTU的選擇

　　當今作為水源地井群深井泵房遠程測控終端RTU的設備主要有三種：可變程邏輯控制器PLC、專用RTU設備(如摩托羅拉公司MOSCAD等)以及電臺與RTU一體化產品(如澳大利亞APOLLO等)，因為深井泵房I/O測控點數量較少，通訊要求簡單，所以對于RTU選擇無特別要求。

　　對于中小型地下水廠，電氣自控的設計與實施應密切結合，設計人員應把握設計重點難點，在設備采購及招標中嚴把技術關，保證工程的順利實施。同時因為通常中小型水廠投資有限，在系統方案及設備選擇方面經濟因素經常占據了主導地位，造成工程完成后，設備調試和運行維護需要投入比較大的時間的精力，甚至可能會影響工程質量，造成不必要的浪費。一個工程能否順利完滿的完成，有賴于整個工程的投資單位、建設單位、勘察單位、設計單位、監理單位、施工單位等的配合，在當前市場經濟下，如何合理利用投資方的資金，建成一個經濟、合理、先進、優質的工程，值得工程單位各方的共同努力和探索。

　　參考文獻：

　　1.《給水排水設計手冊》第八分冊電氣與自控 中國建筑出版社，2006年

　　2. 《自動控制技術》北京郵電大學出版社2008年

　　3.《實用PLC技術》遼寧科學技術出版社 2010年