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技术文章

水利自动化有哪些注意重点

点击次数:2953 发布时间:2019/7/25

这是在城市化后,城市水利治理的大问题。现在全球的发展趋势,是城市化人口将超过总人口的50%。每个城市的人口高速增长,也给城市水利科学设计与管理带来了很大的挑战。

 

上海作为全国最大的2千多万人口的超大城市,在城市水利管理上面已经走在了世界的前列,上面所说的“过去的上海”已经不再发生!

 

上海是怎么做到了“全球领先”的城市水利先进管理水准的?

这里有科学设计与管理,这里有自动化、数字化技术。

 

一,水是城市生命的缘,治水是城市的良心。

 

智者乐水,仁者治水。

城市化要发展离不开管理“水”。

 

中华民族有着治水的优秀传统,才得以延续生存,发展。

大禹治水,使得中华民族在中原大地安顿下来,开始了农耕大时代。

两千年前的李冰治理了四川都江堰,四川盆地富饶了两千年,才有三国争霸的蜀国与诸葛亮的故事。

两大诗人白居易、苏东坡历史上在杭州大兴城市治水,疏浚杭州西湖至钱塘江,留下了调蓄城市雨水、河水、湖水的美丽的西湖。为纪念白居易和苏东坡,他们在杭州治水时堆积的河堤,被称为“白堤”和“苏堤”,并留下脍炙人口传颂千年的故事,白娘娘的断桥残雪、苏堤春晓、与美丽的诗句:

水光潋滟晴方好,山色空蒙雨亦奇。

欲把西湖比西子,淡妆浓抹总相宜。

 

这是宋代苏东坡在把杭州西湖疏浚治理好之后,在苏堤上向着西湖的得意诗作。

“欲把西湖比西子,淡妆浓抹总相宜”。为民治水,多美啊!

在上海,就在我们公司附近就有一座元代水闸遗址,上海先民在700多年前为上海这座城市修建了水利疏浚系统,利用河流的潮汐水位的落差,自然调节水流。原来上海700多年前就已经开始了城市化居民入住了,不是“小渔村”哦。这种利用河道水位高低落差调节河道水流缓急疏浚河道的办法,放在今天,我们称为“生态流量”管理城市河道。

 

在今天在上海,我们上海精浦机电公司的工程师们和全上海的水利工程师们、城市水利管理者们,在跟700多年前上海先民们做着同样的事,只是我们加上了现代化技术——自动化闸门控制技术管理水闸,并全上海的闸门数字化城市水利系统联网了。

水利自动化是可靠性和责任心,是良心工程。

水利的自动化技术并不复杂,技术亮点似乎不高,但是系统的可靠性要求高,需十年如一日的可靠,因为水利自动化的社会责任重大。其中,数字化联网是亮点,如何产品选型是重点。

十年如一日的责任,它远比央视春晚的四个小时的舞台自动化可靠性要求更高,社会意义更大。

水利是干什么的?

喝水、生活用水——水库;

城市河道、下水道——雨水、防洪防涝防积水“看海”。

城市河道的淤积、黑臭——疏浚,生态流量。

在农村在西北,水利自动化还要担负起方圆几百公里的农村水利灌溉与计量核算。

所有这些都离不开围积蓄水——水龙头打开——开度调节——水位控制——水流落差流动。

水利的“水龙头”就是闸门,水龙头的开度大小,就是闸门开度的自动化高度控制,自动化高度控制的传感器——就是要用到绝对值多圈编码器。必须是绝对值多圈编码器,中国水利上经过二十多年的各种高度传感器比较后,已经证实了用绝对值多圈编码器是最经济可靠的,已没有争论。

而全上海所有闸门的开度高低的调节控制,已经实现了远程数字化联网,关系到全上海各个河道地区的水位高低的调节。

包括与上海周边城市浙江的嘉兴与江苏的苏州的水利联网互动。

 

二。超级工程长江口青草沙水库

——城市优质水源从哪里来?

——处于长江入海口的江中心的青草沙水库,实现全上海市民70%以上的生活供水的水源地,送往全上海各个区的16个水厂。

 

上海青草沙水库,位于长江入海口的江心。

青草沙水库两端相距十几公里,围一圈四十公里,水库容量大于十个西湖。

 

超级工程青草沙水库在设计时,设计者就面临着三大难题:

1,上海虽然是属于江南水乡,但是缺少优质水源,面对滚滚长江,却已经是长江的最下游了,长江水裹挟着从上游冲下来的泥沙和一路排放的污水、上游城市人的“洗脚水”,一起混在江水里流了下游来。

这如何能在长江滔滔大流中心找到其中的优质好水,从中取出无数瓢,留下来并送给上海市民享用?

2,长江口外面就是大海,每年会有海水咸潮突然返流,海水盐分是不能进入水库的,不然很难清理。当咸潮出现时,必须立刻关闭所有闸门,不得有任何差错。

3,长江口处于海边,海风带有盐分,每年还有台风暴雨、雷击感应,这对于在现场使用的自动化电子产品的可靠性是极大的考验。在暴雨台风时候,是无法再上去检修更换电子部件的。

 

带着这几个问题,就需要设计者设计科学的调度,自动化联网控制水库上下游的十几个闸门开度大小,保持流水不腐,留下好水,排出泥沙,放掉脏水,堵住咸潮返流。而且上下游闸门相距十几公里,两端的闸门开度调节不仅仅是要实现可靠的自动化控制,而且还需要数字化联网联动。

所以,闸门自动化控制及系统可靠性,对于青草沙水库运行成功与否极为关键。

水闸高度控制是由左右两个开度传感器检测高度,同步纠偏的提升或者下降。开度传感器是通过一个机械传动的拉绳传感器机构和绝对值多圈编码器组成。

 

绝对值多圈编码器的信号进入近地的控制柜,由PLC控制左右液压油缸同步启闭,不能发生任何倾斜,如果大闸门左右高度发生倾斜就有可能卡死闸门,一旦发生闸门卡死,这就要有兵哥哥上来处理了。这需要对左右两个油缸高度的传感检测绝对的准确性,并且始终调节两边油缸的液压流量,保持左右油缸的位移同步上下启闭闸门。

 

 

这必须要用绝对可靠的机械式绝对值多圈编码器,因为不允许数据有错,在闸门安装调试好以后,是再也没有“开机找零”这样的机会了。设想一下,两个油缸只要有一个油缸高度反馈是错误的,这门还怎么能动的去找零位?

 

而在现场使用的绝对值多圈编码器,又需要有符合各种户外及海边使用的高标准严要求,例如外壳的防水防尘IP保护等级,外壳材质的防海风侵蚀,甚至还有鸟粪腐蚀;例如抗感应雷击的电磁兼容性EMC基本测试认证;例如夏季长期暴晒的工作温度范围;例如水闸开动时受水流激烈冲击的巨大的振动,抗振动等级标准,例如编码器的输出信号有两路输出,便于现场紧急检查。等等。

 

青草沙水库交付使用近十年了,这么大的水库三班倒的管理人数仅几十人,自动化程度很高,长期运行的可靠性得到了印证。它保证了上海超过70%以上的人口的优质用水,从此自来水管放出来的水不再有“咸味”。

 

三,外滩虹口港泵闸

——城市如何防止暴雨后的积水“看海”

城市如何治理河道黑臭。

 

 

 

这里是外滩虹口港泵闸,我们图片面对的是黄浦江和对岸——上海的标志东方明珠塔,而另一边是虹口区100万居住人口和繁华的商业大街。这座泵闸,就是保卫我们面前的虹口区不会因为暴雨而积水“看海”的守护神。

 

既然叫泵闸,就是由泵和闸门两部分组成。闸门仍然是有左右两个油缸启动高低,并且还是个弧形闸。闸门自动化控制也是与青草沙水库相似的,由PLC控制左右双油缸同步纠偏的开闭水闸。另外,虹口港泵闸还配置了三个大功率水泵,每个水泵前后也有多个闸门。它有两个作用,其一是在暴雨来临之前,关闭内河外河水闸,用大力水泵将市区下水道的水全部排空至外河黄浦江,空出足够的蓄水容量,当暴雨来时继续大力排水,保持下水水位不会淹至街面。如果局部暴雨雨水很大,泵闸还需要向其他周边泵闸平均水位输送雨水,多路并行的加大排放流量。

 

“大力神”水泵,处于负八米的与下水道一个平面。其中最前面的水泵是双向的。

虹口港这一类泵闸的第二个作用,是河道的生态流量控制,这就是像700年前上海元代水闸做着同样的事,不过我们已有更先进的技术,主动式自动化泵取和潮汐大数据管理。这里的泵闸利用黄浦江潮汐水位高低的变化,以及双向大力水泵的抽取,通过关闸门蓄水,等到水位有一定的落差时再开闸放水,由于有落差,水流较急,起到了冲击河道淤积的作用,并且流水不腐的防治城市河道黑臭发生。

通过江河潮汐和城市水位大数据积累科学调度生态流量。黄浦江的潮汐大约是十个小时多一次,每天两次的泵闸配合,以城市大数据积累,计算出合理的蓄水放水时间,保持了市区河道的生态流量的流动,户枢不蠹、流水不腐,上海的河道已经不再黑臭。 

这些都需要自动化控制,并且全市河道泵闸的联网。

在全上海,浦东、虹桥两大机场、全市市区各个河道、各个工业园区、黄浦江上游、淀山湖流域直至太湖东山,都有这样一个个的泵闸站,综合有几百个水闸闸门,都已经实现了自动化控制和数字化联网。

 

图片——虹桥机场附近的泵闸正在汛期前检查

 

上海的周边城市浙江的嘉兴和江苏的苏州也已经与上海水利实现了数字化联网。

 

四、水利自动化编码器选型的几个重点

水利自动化的关键是闸门的开度调整与数字化联网,绝对值多圈编码器是关键传感器,又因为是在户外环境下需要长期可靠的使用,水利自动化编码器的选型就极为重要了。

1,防水防尘的IP保护等级,以及外壳材料

水利项目肯定是和水有关,防水的防护等级当然相当重要,编码器的外壳要达到IP67的防护等级,必须是无螺丝密封的,才能有效的防止雨淋、水雾等天气因素造成编码器的损坏。还有南方天气湿度高也会对编码器的防护等级有所要求,再有就是汛期水闸开闸放水巨大的水雾也相当于是编码器接受水淋,所以防护等级非常重要,需要强调的是IP防护等级是注册送28元体验金标准,需要有经过注册送28元体验金标准组织认可的第三方认证的证明。例如可以由德国TUV莱茵实验室测试认证。 

IP67第三方实验认证报告

 

2,工作温度范围

因为水闸大多是露天环境下的,编码器大都是暴露在露天的环境下工作,最多加一个罩壳,不像很多自动化产品是为工厂自动化设计的,呆在工厂较好的环境下。水利自动化编码器在夏天要经受长期的高温暴晒,所以对工作温度的要求也是非常严苛的,汛期往往是大伏天,有些地区蕞高温度可达到40度以上,编码器必须经受烈日下长时间的暴晒,长期在高温下工作,这就需要编码器经过高温通电工作测试。

这里的工作温度测试,是指在极限高温和极限低温下,保持在极限温度下通电能正常工作,所谓正常工作是转动编码器轴数据输出正常。存储温度的测试是无需通电的。在水利项目户外的环境下标注存储温度没有意义。

 

另外,电子产品的工作温度范围从侧面也反映了内部元器件选型的性能标准,经过大量的比较,标注70度和标注80度工作温度范围的比较,经长期和大量各种场景下的使用,具可的分析,可靠性或者是损坏率有着非常明显的差别。

3,抗感应雷击和电磁兼容性

水利项目的编码器大多都是暴露在空旷的大地中,在春夏季雷雨较多时节,打雷的感应电磁场很有可能沿着水面传导,对编码器周边环境造成电气冲击,这就需要编码器经过电磁兼容性认证,其中静电放电、快速脉冲群测试,是把雷击感应简单物理化后实验测试。

水利项目的自动化选型,有各种类型的PLC、大型电机、电磁抱刹电磁阀等,尤其还会有潮湿、灰尘等较差的环境,编码器信号电缆至控制柜大部分有十几米,有些是几十米,这对于编码器长期对各种电气抗干扰能力提出很高的要求。编码器的电磁兼容性测试,带着较长的编码器电缆共同测试。

对于编码器的电气抗干扰特性,对应的注册送28元体验金标准是电磁兼容性EMC标准,其中的测试项目例如静电冲击,快速脉冲群冲击,是把雷击感应分解成各种物理特性对编码器进行测试。EMC同样需要有注册送28元体验金标准组织认可的第三方认证,例如德国TUV莱茵实验室的认证。 

 4,抗振动冲击等级

 

小浪底水库开闸冲沙,图片由网友老王头提供

 

上图是黄河小浪底水库闸门开启时,巨大的水力冲击带来巨大的轰鸣声,现场闸门的振动是很大的

 

虹口港主闸油缸上的精浦编码器

再看这种直接将编码器安装在油缸设备上,油缸开启时的振动也是很大的,同样也对编码器的抗振等级提出很高的要求。因此,要求编码器的抗振动、抗冲击等级也需要达到注册送28元体验金标准。抗振动等级是10G,抗冲击等级是100G。这是注册送28元体验金标准,所以需要有第三方测试认证。

TUV莱茵测试的精浦编码器抗振动与冲击认证报告

 

5,双信号输出双重确认——推荐编码器双信号输出

例如一路数字信号,另一路是模拟量信号,可以实现现场和远端双看、互相确认,数字信号可以保证数字准确不受干扰,而模拟量信号现场有电工师傅拿万用表也能量测,可以快速判断编码器的是否正常工作。这对于水利自动化的现场紧急检查是非常重要的。

 

6,对水利自动化编码器供应商的要求

编码器产品的品质可靠性,需要有可追溯的质量管理体系与全生命周期服务的保障。

水利项目工作环境复杂难度高,社会责任大,自动化控制的性能可靠性要求高,马虎不得一点点,不然社会责任后果很严重,提供自动化控制系统及产品的厂家,一是要有全面的质量管理体系保证,需要有第三方品质管理认证。另一方面需要有产品全生命周期服务。

水利自动化需要全生命周期服务,需要长期的在水利系统服务应用业绩与经验积累,从帮助用户选型开始,就要以终为始,从水利应用复杂的场景为用户准确选型。其次,有品质保障的各种第三方认证证书,可保证项目的调试周期,按时交验项目。在项目验收后仍然可保证现场响应与服务,在水利项目长期的使用中,现场使用指导,服务,维护保养,更换与改造项目衔接,等等的全生命周期跟踪服务。这需要有长期在水利系统服务积累的社会责任心。

 

 

感谢上海及上海周边数百个水闸自动化,他们对我们精浦的绝对值多圈编码器的信任!感谢全国各地水利闸门已选用了数千上万个上海精浦的绝对值多圈编码器,它们默默无闻地、十年如一日地守护着各个城市、乡村不被水淹。

水利自动化对编码器产品的品质可靠性要求高、社会责任重大。而为了更多的普及化使用,产品定价又不能高——这是做自动化的社会责任,不是生意经。

我们已经为上海、为全国水利自动化服务了18年。我们用产品品质的可靠性和全生命周期服务的负责任精神,为全国的水利自动化服务。

下雨了,暴雨又要来了,你的城市还会有积水看海” ?

这里有自动化、数字化技术。

这里有我们自动化人的付出。

 

我为上海而骄傲!

我为自动化为城市服务而骄傲!

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