摘要：由于新疆特殊的地理环境，使新疆的水源地运行和管理中普遍采用自动化控制手段。本文论述了自动化在水源地应用的必要性，要达到的技术要求及系统结构。
关键词：水源地 自动化 SCADA 遥测 遥控 遥信
随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展和广泛应用，目前水源地的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC、测控单元组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。
一、概述
新疆具有特殊的地理环境，主要特点是河流少，沙漠地带多。开发地下水资源，钻井取水是人们获取水源的主要手段。由于水源井点多、分布广，一般水源井群距管理部门约几公里或数十公里，为节约电能与水资源，提高生产率，实现最优化管理。因此，对水源井管理和监测已成为当前水厂建设的重要环节。
在供水与节水矛盾中找到统一。人工调度管理模式存在着许多弊端，归纳如下：
1.靠人工操作水源井和定时采样，由于交通和通讯原因，数据不能及时反映到调度室。即使已经掌握的数据，由于滞后时间过长，数据准确率低又不全面，因而失去应有的使用价值。
2.各水源井上报调度室的生产数据，以及调度室下达各水源井的供水量指标，通常是靠电话传达，数据不准确概率较高，下达的供水量指标往往带有盲目性，尤其是在高日和高时供水峰期显得极为被动。
3.由于缺乏全面准确的历史数据，做出的水量预报准确率低，可靠性差。
4.人工记录报表，由于人为的读数误差或某些经济利润指标的原因，致使报表数据存在弄虚作假。记录的生产数据不能真正反映实际生产情况，从而不利于节水节电。主管部门也不便直接指挥和监督供水管理。
二、系统的总体结构
考虑到新疆的独特地理结构及经济发展水平，系统设计必须符合以下要求：(1)系统投资省，保证质量，稳定可靠，满足要求；(2)采用先进技术，设计起点高；(3)系统组合合理，具有良好的互换性和通用性，易于管理；(4)系统易于操作，简单易懂，便于推广和应用。
系统的总体结构:（1）系统应设有中心调度室，水源地管理站，中继站，出口监控站以及若干个水井控制终端站。（2）中心调度室应设在城市自来水管理中心。
三、系统的主要功能
3.1遥控功能：在中心调度室，操作鼠标或键盘可以随时开或停任意一口水井，同时将控制后的状态反馈到调度室。对某些水源井，也可按需要开泵或停泵的时间预先输入计算机，待时间到后，会按指定的水源井号自动开泵或停泵。
3.2遥测功能：（1）定时自动巡测各个检测站；（2）随机测各个检测站；（3）分组检测各个检测站；（4）设置定时时间间隔；
可以遥测水源井水泵电机的电流电压，有功功率，还可遥测水源井出口流量、压力、静水位、动水位；以及通讯状态及电台电源低电压、现场断电报警等信号。并且自动存储在计算机内供检索查阅。
3.3遥信功能：能实时监测开关状态，水源井开泵、停泵信号，水泵电机短路保护动作和过负荷保护动作信号，有人闯入水源井泵房信号。
3.4图形显示功能：在中心调度室可显示水源井群各种平面分布图、地形图，实时在画面上动态显示模拟量、累计量、控制量、遥信量。流程图、编辑工艺图、在线绘图。图上的参数及显示位置可在线修改，可绘制时变曲线、直方图、水泵运行图，多种形式的单轴、多轴对比曲线。
3.5 具有动画连接功能:能以连接目标或图符的外观变化来反映实时数据的变化。可通过建立滑动连接、按组连接，有颜色、声音、打印与报警状态连接，百分填充连接等各种支画连接来把目标值的设定、开关量状态、报警状态、液位的变化等情况生动地表示出来。
3.6 报警功能：具有基于优先级别的任务高度功能，事故越限优先报警。水泵运行参数超限以声、光、手机短信方式接收等方式报警，能人工中断声、光报警。有颜色、声音、打印三种报警功能，故障越限报警定位准确。
3.7 数据库管理功能:为了使水源地的运行情况得到真实有效的记录，系统必须具有数据库管理功能:(1)自动形成历史数据文件(2)可对历史数据按多种条件进行查询、修改。(3)对不可测得的参数可人工输入。(4)可对历史数据进行各种统计、处理。(5)数据文件可转换为标准的数据库文件。（6）以上文件以报表格式可以用字处理软件在屏幕进行显示并可打印。
3.8 多种形式的曲线:(1)可绘制时变曲线、直方图、机泵运行图等多种形式曲线；(2)可绘制多种形式的单轴、多轴对比曲线。
四．系统描述
采用监视控制与数据采集系统（SCADA系统）对整个城市供水系统进行二级调度管理。水源地管理站通过设置于站内计算机局域网对各深井泵站的各个参数进行处理、分析、打印、显示和管理，实现一级调度管理。同时将各深井泵站的参数转发到中继站，再由中继站将这些数据传送至自来水公司中心调度室，实现二级调度管理。控制优先权级别最高的为水源地管理站，自来水公司中心调度室次之。系统图如图1：
中心调度室的主要功能：中心调度室设置一个计算机监控网络,通过一台通信前端计算机同系统无线网相连。用一个网关将监控网络同管理系统网络隔离开来。通信前端计算机具有两个功能：一是作为监控中心的通信端口与终端站（RTU）进行有线或无线的数据传输；二是作为一个网关，将监控网络与无线管理系统网有机的连接起来。通信前端机通过一个交换机与管理系统的工控机相连。管理系统设置两台工控机，一台作为主计算机站，另一台作为操作员站，通过无线通讯信道，将命令传给智能测控终端（RTU），对整个供水系统集中管理，实现城市供水的统一调度，为系统操作人员提供了对系统操作的完全可视控制。
4.2 水源地管理站的主要功能：水源地管理站内通过设置于管理站内的计算机对深水泵房智能测控终端（RTU）传输到管理站通信前端机的数据进行处理、分析、打印、显示和管理，同时将这些数据转发到中继站，最后将这些数据传送到自来水公司中心调度室。采集变电所的主要电量参数和状态，送入管理站计算机系统，并能通过中继站将这些参数通过无线信道发往中心调度室。
4.3 控制终端站（深井泵房）的主要功能：采集泵房内的设备运行数据；将数据、报警信号进行处理后上传至水源地管理站；接受来自水源地管理站的参数设定，控制设备的运行；具有报警监视和报警处理功能，同时将报警信号上传至管理站；通过标准的通信和网络接口，同计算机和其它RTU或其它设备相连，对整个系统的设备进行全方位控制。
4.4 中继站的主要功能：将水源地管理站传送的各种数据通过无线传输信道转发到自来水公司中心调度室，采集取水井、泵站监控站的数据并将数据处理后传送给水源地管理站和自来水公司中心调度室，对各种问题能及时反馈，作出正确处理。
通过以上的数据采集及管理系统，可以实时、准确的了解水源地的运行状况，为水源地的安全、可靠、高效的运行提供了很好的技术保障。在此基础上，可以引入地理信息系统，进一步提高水源地管理的信息化水平。
参考文献：
１ 金蓓弘编著.分布式系统概念与设计..北京：机械工业出版社.2004
综上所述一次电缆投资节省成本=1800000-200000=1600000元
一次电缆线投资节省率=（1800000-200000）/1800000=88.9%
2.改造成本的降低
由于生产产品的改变也会造成生产线的变动，那么就会造成控制系统的改变，也就意味着重新加一套PLC，还要有若干信号线和铺设电缆，如果原系统用的是DeviceNet总线的话就可以不用新加一套PLC，在总线网络中的任意地方加入节点，也没有电缆铺设，因此可以节省大量的改造时间和改造成本。
以现在总装车间改造为例：总装车间由于要新增加二种车型的生产，设备和控制系统都要增加，控制点数要增加1000点。
如果没有用DeviceNet总线的话那要增加的系统硬件的费用有一套PLC（300000元）+1000*150*4=900000元
用DeviceNet总线的话只需要增加的费用远程IO 150000+40*500=170000元
节省的成本=900000-170000=730000
节省成本率=730000/900000=81%
3.维护成本的降低
由于DeviceNet 总线在吸取了以前各种总线的经验的情况下推出来的一种新的总线，而且在实践的应用中印证DeviceNet的特点和优点，得到了广泛的应用。因此它具有比以前的总线更多的优点，其中智能网络管理和网络健康监测是这种总线最大的优点。举例说明：
a.假设一台变频器损坏，在有备品的情况下使用DeviceNet总线和不用这种总线所需要的时间。
不使用DeviceNet总线的情况：
故障发生到操作工人员通知维修技术人员到现场的时间t1>=10分钟；技术人员到现场确认故障的时间t2>=10分钟；故障解决时间t3。那么我们来分析一下t3时间的组成，故障确认完是变频器损坏了，那么拆变频器和安好变频器的时间为t31=20分钟，变频器安装好后要参数配置时间t32，在这里需要技术人员打开随身带的笔记本电脑，打开变频器参数配置软件，打开这位工位的变频器参数并下传到变频里，确认变频器参数正确，完成这一系列的工作所需要的时间就是t32>=20分钟。
综上所述:一台变频损坏后需要的维修时间T1=t1+t2+t3=t1+t2+t31+t32=10+10+20+20=60分钟
使用DeviceNet总线后的情况：t1=10,因为这种总线有智能监测的功能，变频挂在这条总线下，那么总线就会监测出变频已损坏并在人机界面上显示出来，而且还可以显示出这个变频器的故障类型可不可以恢复还是必须要更换，维修技术人员一看就可以确认故障，那么t2=0分钟；t31=20；因为DeviceNet总线有智能管理总线的能力，因此当一个新换上来的变频器被总线识别之后，发现参数与保存在管理器里的不一样，那么它会把管理器里的参数自动配置到变频器里，因此t32=0;
综上所述：使用了DeviceNet总线后一台变频器损坏后需要的维修时间T2=t1+t2+t31+t32=10+0+20+0=30分钟。
那么节省的时间T=T1-T2=60-30=30分钟
那么维修节省时间率=30/60=50%
现在总装车间一天60辆车/7.5小时，30分钟可生产的车=60/7.5*0.5=4辆，30分钟可减少的经济损失=4*300000=1200000元
b.一般故障二者的差别：假设一条链条的某个接近开关坏了。
没有使用总线的的情况：t1>=10分钟，t2>=20分钟，t3=10分钟。T=t1+t2+t3=10+20+10=40分钟。
使用总线的情况：t1>=10分钟，t2<=2分钟，因为DeviceNet 总线有智能检测网络的每一个节的和每个节点的每个IO通道的健康情况，同时也可以检测到每个接入总线里的传感器的正常还是损坏，这样维修技术人员到达现场在人机界面上就可以看到这个已损坏的传感器的报警信息，因此就不需要浪费故障判断时间，t3=10分钟。T=t1+t2+t3=10+2+10=22分钟。
那么节省的时间T=T1-T2=40-22=18分钟
那么维修节省时间率=18/40=45%
现在总装车间一天60辆车/7.5小时，18分钟可生产的车=60/7.5*18/60=2.4辆，18分钟可减少的经济损失
=2.4*300000=720000元。
2结论
实践表明，DeviceNet 在总装生产线的应用减少了控制系统投资成本，降低了设备故障停机时间、降低了设备维修时间、提高了生产效率。达到了预期的控制目标。实际运行效果，系统功能强大、具有较高安全性、可靠性、经济性。
参考文献
1、Rockwell Automation DeviceNet System Overiew
2、Logix5550 Controller User Manual
3、DeviceNet Communications Module User Manual
作者简介：覃卫华（1967-），男，湖南永州人，主要研究方向：汽车生产工艺，机械制造
相关热词搜索： 水源地 新疆 初探 自动化 建设
