浅谈地下水厂的电气自控设计

　　文章通过地下水厂水源地电气自控系统的介绍，对于地下水厂工程在设计及实施过程中遇到的一般性问题进行探讨，可以对今后的设计及工程实施工作起到一定的借鉴作用。

　　《电气工程应用》以马列主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面贯彻党的教育方针和“双百方针”，理论联系实际，开展教育科学研究和学科基础理论研究，交流科技成果，促进学院教学、科研工作的发展，为教育改革和社会主义现代化建设做出贡献。

　　随着国家对引用水源的重视，在关系国民基本生活保证的市政给水设施建设方面投入很大，近年来新建和改扩建水厂工程项目很多，其中大多以县级中小型供水工程居多，这类工程供水规模一般不大，且水源大多为深井地下水源，水厂占地面积较小，日变化系数和时变化系数均较大，水厂技术力量较薄弱，管理水平较低，财力也较为紧张，这就决定了设计思路有别于大中型水厂，不能搞大而全的工程投资，加之各个县镇具体情况不一，不能生搬硬套。这就对电气自控设计提出许多具体要求，要求在有限的财力下，应坚持设计经济、合理、可靠、安全的原则，设备和系统要能满足当前和未来几年内技术发展趋势。

　　本文结合具体工程对中小型供水系统电气自控设计实践谈几点经验和教训。

　　1.工程介绍

　　某县城区给水扩建工程建设规模为5.0万m3/d。电气自控设计内容主要包括：1.新水源地电气自控工程;2.自来水公司总调自控系统;3.旧水源地电气自控改造。

　　本工程电气自控工程于2001年开始分两期实施。一期工程以新建项目为主，主要包括新水源地11座深井泵房的建设，自来水公司总调自控系统;二期工程以改造项目为主，包括旧水源地10座深井泵房电气自控改造及自来水公司总调自控系统扩充。

　　2.系统介绍

　　根据当前水源地井群监控的技术发展现状，本工程采用水源地井群远程实时监控系统，本系统采用现代化的通讯技术、计算机技术和自动监测仪器，对各远端设备及水质、流量等参数进行远程实时监控，实现了管理的自动化、信息化、网络化。可减少大量值班维护人员，节省运行维护费用，综合造价较低。

　　此系统由计算机控制的监控中心台和若干分台(集中了控制水质、水量的在线检测设备及泵房泵阀控制设备等)组成的一个网络系统。

　　监控中心台包括监控台计算机、打印机、无线数据传输电台等，并可通过计算机网络连接多个中断，实现数据共享。

　　分台包括集中控制器、无线数据传输电台、远程测控终端RTU、泵阀开关控制器、键盘显示器、流量计、PH计、水位、压力检测仪表及水处理设备运行状态监测仪等。

　　由于本系统点多而分散, 地理环境复杂，所以非常适合采用无线数据传输方式，中心台与分台通过无线方式进行通讯连接，具体在中心台和分台各连接一台无线电台，各分台监控设备能实时采集和记录每个点的水处理设备运行情况及水质和流量等数据，并通过无线电台发送给中心台;中心台工作人员作出判断并发出指令，实现控制设备的运行。记录的数据存放在中心台计算机的数据库中，可以随时查询或打印，其它计算机也可以通过网络进行数据查询。

　　3.电气保护

　　电气保护主要包括配电保护及防雷保护。其中设计需要特别注意的保护设置主要有一下几点：

　　水源地井群因为距市区较远，分布比较分散，供电通常采用高压架空线路配电到深井泵房户外，采用杆上变电站方式供电。户外变压器保护采用高压负荷开关加熔断器保护。因为熔断器保护动作通常会某一相提前熔断，造成深井泵电机缺相运行工作，因此电机应设置缺相保护功能，同时根据《通用用电设备配电设计规范》的要求设置过电流和短路保护等。

　　深井泵房选用潜水电机，可配备其专用的继承电子监控装置，用以监控和防护电机，可监控以下参数：在启动前系统对地的绝缘性;电机温度;电机电流及电流不平衡状态;供电电压;相序。可防护以下情况的发生：水泵干转;电机的早期故障，如绝缘等级下降;电机温度过高;电机烧毁，同时对于持续的欠压、过压，欠电流、过电流，冷却不足、过载、超温有可靠的保护。但是，此电子监控装置对于瞬间的电压波动脉冲(如雷电),电机堵转等情况无保护功能，必要时应另外增加相应必要保护措施。

　　水源地井群防雷设计的好坏是保证电气自控系统工作能否正常的重要保证。系统主要包括：变压器高压进线防雷保护，采用高压阀型避雷器保护;低压侧进线的过电压保护，可采用防浪涌电流保护器件SPD;无线电台天线馈线应采用专用避雷器保护，同时应做好天线支架的防雷接地措施。保证天线在避雷针保护范围内。另外，做好泵房的等电位联结，是保证处于经常潮湿环境的泵房的操作维护人员人身安全的重要措施。

　　水源地深井泵房控制柜一般由以下设备组成：配电断路器，SPD元件，电机启动器(如软启动器)，工控设备RTU等，高频开关电源，无功补偿设备，无线电台，电气二次仪表，液位、压力及流量等仪表的二次显示仪表等，通常设计采用一体化控制柜，将所有元件安装在整个柜内，便于运输及安装。一体化控制柜柜内存在多个高频干扰源，其能否保证设备能够正常工作，柜内设备布置应考虑其相互间要有一定防护距离外，还应做好屏蔽措施及良好的接地。控制柜的抗干扰能力和电磁兼容性EMC应在柜体生产出厂前有相关性能测试，应能满足设备正常工作，并且符合环保及对人体健康的要求。

　　4.电台的选择

　　无线电台作为一种通讯媒介，与光纤、微波、明线一样，有一定的适用范围：它提供某些特殊条件下专网中监控信号可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等的场合。在很多专网领域有着广泛的应用。本工程四周山峦较多，水源地深井布置在城区外，分散在城区四周农村中，点多而分散，如果采用有线方式，直接面临复杂的布线工程，施工及征地以将困难重重，结合本工程特点，设计采用无线方式完成水处理远程实时监控系统。该系统的应用大大提高了水处理的自动化程度，取得了良好的经济和社会效益。

　　本工程电气自控工程分两期实施。 本工程采用公开招标方式确定系统集成商，根据招标结果， 一期工程采用了松下Panasonic模拟数传电台，电台由工作于230MHz频段的模拟调频对讲收发信机加MODEM改制而成的。此电台报格便宜，非常有商业竞争优势，基本能满足水源地井群调度要求。但是通过半年调试和试运行，发现许多通讯问题。故二期工程根据一期工程时实施的经验和教训，改用美国MDS公司2710数字电台，两种电台选用具体差别为：1。可靠性——一期模拟电台要求不能连续发射，否则烧功放，为了满足工程需要，本工程电台根据实际现场测试，选用功率为80W，远大于MDS公司2710数字电台最大发射功率25瓦。2.技术指标低——一期模拟电台传输速率2400bps，需用反复调试才能达到较好的10-6误码灵敏度，数字电台传输速率可达19200bps,并可连续发射工作。3.误码高——一期模拟电台中心台和分台经常发生通讯错误，因为模拟电台采用单锁相环及PTT时延造成收发转换时间50ms以上，发射端容易丢掉字头数据，调频静噪尾噪声造成在接收端出现多余的字符，无纠错编码，容易受干扰。为了弥补通讯故障缺陷，设计采用中心台上位机软件延时，增加编码校验，保证通讯的可靠性。这样整个中心台对分台的轮寻时间增加。数字电台采用数字信号处理、数字调制、纠错编码、SMT一体化设计等先进技术。很容易完成通讯任务，信号准确，使工程调试周期缩短。4.无网管——一期模拟电台如果数据传不回来或者控制不能下达，无法判断是停电、电源坏、信号差、天馈线不匹配、温度高还是RTU无数据。采用数字电台后，可在中心站远程监视远端电台状态(电压、温度、误码、功率、接收电平等)，可远程提示远端电台的告警信号(低电压、数据格式错误、温度过高、不匹配等)，远程设置远端电台参数(串口速率、发射功率等)。

　　5.组态软件选择

　　一期由自控工程公司采用Visual C++编程自行开发水源地管理系统上位机监控软件，软件基本不涉及知识产权问题，造价较低，针对性强，基本能满足业主的要求。但是，因为软件平台选择为通用开发软件，很难做到良好的人机界面，同时，因为不同人编程风格不同，编程人员更换后，当需要增加功能时，工作量很大，反映出可扩展性差。二期采用国产正版软件 \"组态王\"监控软件，该软件系统功能丰富且灵活易用，实时性好，且支持支持数百种国内流行的外备，在系统配置和维护方面非常方便。软件以优秀的性能、纯中文界面、编程风格简单、实时性能好，且与其他应用程序交换方便，易调试，具有一定的价格优势，编制的上位机监控软件具有的多媒体技术，将语音，图像以及视频文件融入其中，不但满足了监控要求，还可以满足参观演示的功能。同时采用采用电子表格软件EXCEL内嵌的VBA开发软件，自动生成EXCEL报表文件。

　　6. 远程测控终端RTU的选择

　　当今作为水源地井群深井泵房远程测控终端RTU的设备主要有三种：可变程逻辑控制器PLC、专用RTU设备(如摩托罗拉公司MOSCAD等)以及电台与RTU一体化产品(如澳大利亚APOLLO等)，因为深井泵房I/O测控点数量较少，通讯要求简单，所以对于RTU选择无特别要求。

　　对于中小型地下水厂，电气自控的设计与实施应密切结合，设计人员应把握设计重点难点，在设备采购及招标中严把技术关，保证工程的顺利实施。同时因为通常中小型水厂投资有限，在系统方案及设备选择方面经济因素经常占据了主导地位，造成工程完成后，设备调试和运行维护需要投入比较大的时间的精力，甚至可能会影响工程质量，造成不必要的浪费。一个工程能否顺利完满的完成，有赖于整个工程的投资单位、建设单位、勘察单位、设计单位、监理单位、施工单位等的配合，在当前市场经济下，如何合理利用投资方的资金，建成一个经济、合理、先进、优质的工程，值得工程单位各方的共同努力和探索。

　　参考文献：

　　1.《给水排水设计手册》第八分册电气与自控 中国建筑出版社，2006年

　　2. 《自动控制技术》北京邮电大学出版社2008年

　　3.《实用PLC技术》辽宁科学技术出版社 2010年