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    摘要：本文主要介紹我國北方水廠水源井的現(xiàn)狀及水源井控制器各主要部件：主制器、DTU等設(shè)備的選型，并對RTU與PLC進(jìn)行性能對比。最后以中糧公主嶺生化能源水源井控制系統(tǒng)為例介紹、分析了水源井控制器產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：水源井控制器；GPRS；RTU

    Abstract: The paper mainly introduces the current situation of the water wellin northern waterworks of our country and the main components of water wellmanipulators, including main brake and model selection of DTU devices.Meanwhile, we make comparison of the performance between RTU and PLC.Lastly, by setting the water well control system of COFCO Gong ZhulingBiochemical Energy Limited as an example, the paper introduces and analyzesthe economic benefits triggered by water well control unit.

    Key words: Water well control unit; GPRS; RTU

    1 概述

    目前中國北方大部分水廠采用水源井取水方式，即每個水廠有多口水源井抽取地下水，然后通過輸水管道把所抽取地下水送入水廠，經(jīng)處理后供給市民。

    由于生產(chǎn)工藝落后，水源井的啟停控制大部分還依靠人工完成。且水源井分布比較分散，遠(yuǎn)離市中心，單純依靠人工定時啟停水源井，無法在關(guān)鍵時刻對水源井進(jìn)行控制，并且無法實(shí)時了解水源井的工作狀態(tài)，經(jīng)常發(fā)生水源井燒泵的現(xiàn)象。

    隨著技術(shù)水平的提高及GPRS網(wǎng)絡(luò)的普及，越來越多的水廠開始考慮采用基于GPRS的水源井控制器統(tǒng)一對各個水源井進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控。水源井控制器采用RTU（Remote Terminal Unit 遠(yuǎn)程終端控制器）加GPRS通訊模塊，并根據(jù)水源井的工作特點(diǎn)編寫相關(guān)的控制器程序即可實(shí)現(xiàn)以下功能：水源井水位測量、出水壓力測量、三相電參數(shù)測量、遠(yuǎn)程啟停控制、報(bào)警停機(jī)控制等功能。

    它實(shí)現(xiàn)了工人在值班室（監(jiān)控中心）即可查看各個水源井的運(yùn)行參數(shù)，啟停水源井，及時關(guān)停故障水源井，從而大大減小了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約了水源井的維護(hù)成本，提高了工作效率。

    2 水源井控制器的功能

    水源井控制器是跟據(jù)中國北方水廠的生產(chǎn)需求提出的。它至少應(yīng)滿足以下要求：

    （1）可以適用于中國北方的大部分環(huán)境

    中國北方的很多城市如大慶、哈爾濱在冬天時可以達(dá)到-40℃。因此要求水源井控制器可以適應(yīng)北方的低溫環(huán)境。

    （2）可以實(shí)現(xiàn)水源井的基本控制和測量功能

    水源井控制器應(yīng)至少具有以下功能：測量水井水位、測量水井出水壓力、測量水井出水流量（預(yù)留）、測量水泵的三相電壓、三相電流、可根據(jù)三相電參數(shù)對水泵進(jìn)行保護(hù)、遠(yuǎn)程控制水源井啟停。
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    （3）通訊設(shè)備選擇由于GPRS通訊方式無需申請，無需架設(shè)天線塔架，因此水源井控制器從安裝成本上考慮采用GPRS通訊方式與調(diào)度中心進(jìn)行通訊。

    （4）通道的數(shù)量要求

    控制器的I/O接口數(shù)量要滿足水源井的需求：至少具有4AI（采集常規(guī)儀表的4~20mA信號）、具有6個DI信號（測量水泵的運(yùn)行狀態(tài)、泵房的門狀態(tài)、變頻器狀態(tài)信號、報(bào)警信號等。）、4個DO（可以控制兩個泵的啟停）、兩個RS232/485接口（一個與GPRS通訊，另一個和電量模塊通訊）。

    （5）便于快速安裝

   水源井控制器一般都是批量使用的，因此要便于用戶安裝。

    3 水源井控制器選型

    根據(jù)產(chǎn)品的功能分析，我對水源井控制器所采用的核心部件進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)。

    3.1 主控制器的選擇

    目前的水源井控制器有小型PLC和一體化RTU兩種方案可以作為水源井控制器的主控制器。安控科技生產(chǎn)的Super32-L系列RTU非常適合于這種應(yīng)用并且相對于PLC有以下優(yōu)勢：

    （1）小型PLC主要用于機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域，且主要用于室內(nèi)，一般的溫度范圍0℃~40℃，不適用于大慶、哈爾濱等北方的環(huán)境。而RTU主要、應(yīng)用于野外獨(dú)立的場所溫度范圍可達(dá)-40℃~70℃（安控科技的Super32系列RTU）。

    （2）PLC為了降低生產(chǎn)成本，接口較少，且只支持本公司的通訊協(xié)議。不便于接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。RTU一般接口較多，且支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，便于接入SCADA（Supervisory Control AndData Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)。

    水源井控制器采用Super32-L201 RTU作為水源井控制器的核心控制器。它具有6AI、8DI、4DO、1RS232、1RS232/RS485、1以太網(wǎng)接口。

    3.2 DTU的選擇

    作為水源井控制器的通訊部分，DTU的選擇關(guān)系水源井控制器是否能支持多種SCADA軟件。

    首先，DTU要可以在東北使用。其次，可以接入大部分的國產(chǎn)SCADA軟件。綜合以上原因我們選擇了宏電科技的7110系列DTU，它有本種DTU，即華為芯片DTU（溫度范圍-10℃~45℃）MOTOROLA芯片DTU（-35℃~70℃）。在東北可根據(jù)地域不同選擇西門子芯片和MOTOROLA芯片的DTU。并且宏電和國內(nèi)多家組態(tài)軟件廠家有過合作關(guān)系，即在組態(tài)軟件內(nèi)嵌DTU的驅(qū)動程序，用戶無法開發(fā)驅(qū)動。因此我們選擇宏電的DTU。

    3.3 其它硬件的選擇

    水源井控制器除RTU及DTU外，還要有以下部件：電源、電量模塊、開關(guān)、端子等附件。它們的選擇原則先是可以在北方的大部分地區(qū)使用，其次滿足設(shè)計(jì)功能要求。

    3.4 水源井控制器的硬件設(shè)計(jì)

    根據(jù)對多個水源井現(xiàn)場的考查，水源井控制器的體積要盡可能的小，如有必要可以裝入水泵啟動箱。經(jīng)過多個水廠的考查水源井控制器的機(jī)箱外形尺寸最終定為300×450×180（mm）。這個尺寸可以放入大部分現(xiàn)有的強(qiáng)電控制箱，也可以直接安裝在水源井泵房。水源井控制箱底部開4個直徑30mm的接線孔。

     考慮到很多水泵采用三相三線制供電，無法直接取得220V市電，因此有必要在水源井控制器內(nèi)部安裝一個380V轉(zhuǎn)220V變壓器。變壓器的功率要足夠整個設(shè)備的使用。RTU功耗大約2W、DTU最大功耗12W、電量模塊1W、儀表功耗2W，整體功耗大約17W，再加上儲備，選擇40W的變壓器。

    RTU通過COM1口與電量模塊進(jìn)行連接，并通過MODBUS協(xié)議讀取電量模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)。電量模塊選擇安控科技生產(chǎn)的E306電量模塊，它可以采集三相電壓、三相電流、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

    水源井控制器的外接儀表部分，每個儀表通道單獨(dú)配置一個0.5A的保險。防止在更換儀表，或儀表接線時因意外短路損壞電源。

    3.5 水源井控制器的軟件設(shè)計(jì)

    軟件是水源井控制的核心部分。它決定了水源井控制器的控制水平。水源井控制器的軟件共有以下幾部分。

    3.5.1 數(shù)據(jù)采集部分

    水源井控制器采集的儀表信號為4~20mA電流信號。信號進(jìn)入RTU后轉(zhuǎn)換為10000~50000的通道值數(shù)據(jù)。RTU根據(jù)以下公式把電流信號轉(zhuǎn)換為測量工程值。工程值=（（通道值－10000）/40000）×（儀表量程上限－儀表量程下限）。

    最終以實(shí)時數(shù)據(jù)形式存放于寄存器中。每個工程值占用兩個16位的寄存器地址。

     3.5.2 電量采集部分

    水源井控制器的電量采集由電量模塊完成。要測量三相電參數(shù)需要外部接入電量模塊10根線。測量結(jié)果存于電量模塊的寄存器中，并且電量模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)不能直接使用，要根據(jù)RTU設(shè)定的互感器變比K進(jìn)行計(jì)算后才能得到最終的計(jì)算數(shù)據(jù)。

    電量模塊所得的數(shù)據(jù)存放在40001~40040寄存器中。這些數(shù)據(jù)包括：各相電壓、各相電流、各相功率、功率因數(shù)、總功率、視在功率、有功功率、無功功率等參數(shù)。

    要讀取這些數(shù)據(jù)，首先要在RTU中設(shè)置電量模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)地址、互感器的變比。然后讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，并把計(jì)算后的數(shù)據(jù)存放在Super32-L201中。

   3.5.3 水源井控制器的控制部分

    水源井控制器通過Super32-L201的COM2口與監(jiān)控中心通訊，接受監(jiān)控中心的命令。水源井控制器可以通過遠(yuǎn)程指令啟停。水源井的電機(jī)采用點(diǎn)起或點(diǎn)停的方式進(jìn)行控制，即RTU檢測到中心啟動指令后控制啟動繼電器吸合，當(dāng)檢測到電機(jī)已啟動或吸合時間超過3秒，啟動繼電器斷開。RTU檢測到中心停指令時，控制停繼電器吸合，當(dāng)檢測到電機(jī)已停運(yùn)或吸合時間超過3秒，控制停斷電器斷開。

    水源井控制器除接受遠(yuǎn)端控制，還可以進(jìn)行本地保護(hù)控制。

    （1）定時啟停

    由于居民的用水量在各個時間段表現(xiàn)差異很大，水源井控制器可以根據(jù)設(shè)定的時間段進(jìn)行啟停控制。一臺水源井控制器最多可以設(shè)定五個時間段。這樣部分低產(chǎn)水源井可只在用水高峰期開啟，其它時間段停機(jī)。

    由于很多城市采用分時電價，定時啟停也可以控制水源井在低電價時工作，儲滿蓄水池，在高電價時停止工作。達(dá)到降低運(yùn)行成本的目標(biāo)。

    （2）缺水停機(jī)保護(hù)

    水源井控制器可以外接液位計(jì)。在控制器內(nèi)設(shè)低水位保護(hù)值，當(dāng)檢測到水源井液位低于設(shè)定液位后，自動控制水泵停機(jī)，防止水泵空轉(zhuǎn)損壞水泵。

    （3）缺相保護(hù)

    水源井控制可以根據(jù)所測的三相電壓判斷三相電是否平衡。當(dāng)出現(xiàn)三相電不平衡或缺相時自動控制水源井停機(jī)。起到保護(hù)水泵的做用。

    （4）防盜檢測報(bào)警

    水源井大部分位于比較偏僻的地方，容易發(fā)生失竊。水源井控制器可以檢測所在泵房的門是否被打開。可以外接紅外報(bào)警器，檢測是否有人闖入。當(dāng)檢測到有人闖入時，發(fā)出報(bào)警音阻嚇嫌疑人，并通知監(jiān)控中心。

    4 水源井控制器的安裝

    水源井控制器一般安裝在水源井泵房內(nèi)離電機(jī)啟動箱比較近的地方。一般有以下線連接電纜，如圖1所示。

    啟動控制電纜：兩根，并聯(lián)在現(xiàn)場啟動箱的啟動按鈕上。

    停止控制按鈕：兩根，串聯(lián)在現(xiàn)場啟動箱的停止按鈕上。

    啟停狀態(tài)線：兩根，接在接觸器的常開輔助觸點(diǎn)上。

    三相電參數(shù)：共10根線，4根接在接觸器下端，6根來自電流互感器。

    現(xiàn)場儀表接線：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際安裝的儀表接線。

    5 水源井控制器與中心的通訊

    水源井控制器通過GPRS模塊與監(jiān)控中心進(jìn)行通訊。并且水源井控制器支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊協(xié)議。因此國內(nèi)的大部分組態(tài)軟件都可以用來作為監(jiān)控中心軟件。目前常用的有三維力控、組態(tài)王。這些組態(tài)軟件只需要跟據(jù)水源井控制器內(nèi)部的寄存器地址表即可做出中心組態(tài)，不需要專門的編寫驅(qū)動程序。

    由于采用GPRS通訊監(jiān)控中心還需要向中國電信或網(wǎng)通申請一個固定公網(wǎng)IP地址。每個水源井控制器需要辦理一張手機(jī)SIM卡，并開通GPRS業(yè)務(wù)。
         
                    
                                   圖1  連接電纜示意圖

    6 水源井控制器的應(yīng)用情況及意義

    安控科技水源井控制器是因?yàn)橹屑Z生化能源公主嶺項(xiàng)目提出的需求，后經(jīng)過多個水廠的考查后最終設(shè)計(jì)定型的。

    目前水源井控制器已經(jīng)應(yīng)用于東北及新疆的多個地方，至少20處有500臺水源井控制器在使用中。它的使用大大提高了自來水生產(chǎn)的自動化程度，提高了生產(chǎn)效率。以中糧生化能源為例。在使用前，他們管理28口水源井，水源井沿102國道分布，離水廠最遠(yuǎn)40公里，需要3個班組巡視，每個班組需要4名巡井人員共12個人，兩部汽車。采用水源井控制器后，他們只需3名機(jī)動巡井人員和兩名中控室值班人員，一部汽車。每年直接節(jié)約運(yùn)營費(fèi)用大約15萬，間接減少生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用達(dá)25萬以上。

    水源井控制器的使用可大大提高水廠及相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低人工成本，減少生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。同時可帶動相關(guān)行業(yè)整體的自動化水平。

     摘自《自動化博覽》2011年第八期