乌鲁木齐河水源地自动化控制改造设计方案比选

2012-05-08张润杰

水利规划与设计 2012年5期

张润杰

（新疆天山源水管理经营有限公司乌鲁木齐河管理处乌鲁木齐市 830000）

1 问题的提出

乌鲁木齐河水源地自动化控制系统是乌鲁木齐河综合自动化系统工程的一个子系统，该系统是一个井群泵站监控系统，包括八一闸、西山和甘河子三个水源地的井群泵站。经过对整个泵站进行自动化控制，以 PLC为中心形成一个监控控制系统，即SCADA系统，可以实现现地控制和远程控制，共计可控制 26台泵。原设计实施是采用有线电缆传输方式进行的，经过两年多的运行出现了一些问题：

（1）对乌鲁木齐河水源地自动化控制系统原设计考虑设备避雷问题有欠缺，主要是乌鲁木齐地区夏季打雷闪电的机会不多，可是近几年反而该地区打雷闪电的机会逐渐多起来，导致西山水源地控制8个模块被雷击，造成系统不能工作。

（2）乌鲁木齐河水源地自动化控制系统采用的有线控制，受到泵站强电的影响，干扰了控制系统的运行。确切地说是控制系统的PLC的模块受到了影响，并出现了故障，经供货商技术人员到场检测，是受到了泵站的强电干扰。那么为什么刚建设时没有发现其问题，运行一段时间后才出现此问题，商家也解释不清楚，同时这种影响一直没有排除。

（3）水源地内的基本建设对有线电缆的传输影响比较大。近些年来，西山水源地增加了许多泵站，建设了输水管道和管理房，并且还增加了绿化，对控制系统的有线电缆的传输损坏很大。另外甘河子水源地也进行了绿化生态建设，情况也是如此。

鉴于上述问题，对乌鲁木齐河水源地自动化控制系统的改造设计（主要是指西山和甘河子水源地）势在必行，就此提出了三种方案进行比选。

2 方案的比选

2.1 方案的概述

乌鲁木齐河水源地自动化控制系统采用的是经过专家论证确定的共缆传输方式，是集报警、图像、对讲和自动控制为一体的系统，由于上述问题的存在，出现了信号传输故障，报警不灵的现象。此改造设计方案是解决信号传输问题，即在保留前端报警及音视信号采集设备的基础上更换传输设备或改变传输方式以恢复系统所有的功能，同时需要结合以下制约因素统一考虑：（1）可靠、安全、可扩容和高保密性；（2）要经济合理，要求采用最经济方式实现，真正做到物超所值。就此提出了光缆传输方式、无线传输方式和共缆传输方式（有线电缆传输方式）三种方案。

2.1.1 光缆传输方式

该方案比较成熟，目前大多数项目都在使用，其优点：光纤不仅传输距离远，还没有衰减，抗干扰性能强，扩容余地大，还能很简单的实现所有报警功能。其缺点为：（1）施工期相对较长，需要半个月以上；（2）要进行光缆铺设，由于泵房是星状布设的，光缆铺设较麻烦，需要铺设近4km；（3）淘汰现有的共缆线路及所有传输终端设备，造成浪费；（4）成本较高，包括光缆铺设及光端机配置需要近20万元左右。

2.1.2 无线传输方式

近几年无线技术发展的比较快，目前无线方式主要有：微波、超短波及无线局域网等方式，此次我们选择zigbee技术，zigbee技术是一个由可多到 65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的 75m，到扩展后的几百米，甚至几公里，另外整个zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个 zigbee控制网络。不同的是zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信主要是为语言通信而建立，每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个zigbee“基站”成本极低，每个zigbee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料，除此之外，每个zigbee网络节点（FFD）还可以在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。每个zigbee网络节点（FFD）和（RFD）可以支持多到 31个传感器和受控设备，每个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。通常符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用zigbee技术做无线传输：（1）需要数据采集式监控的网点多；（2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；（3）要求数据传输可靠性高，安全性高；（4）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；（5）电池供电；（6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；（7）现有移动网络的覆盖盲区；（8）使用现存移动网络进行低数据传输的遥测遥控系统；（9）使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

Zigbee技术的特点：（1）省电，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间；（2）可靠，采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个 zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性；（3）时延短，针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠态激活的时延都非常短；（4）网络容量大，可支持达65000个节点；（5）安全，zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128；（6）高保密性，64位出厂编号和支持AES-128加密。

Zigbee技术是当今世界发展最快的技术，国内真正应用还不多，此次我们的应用也是一个创新。

2.1.3 共缆传输方式（有线电缆传输方式）

共缆传输是基于有线电视技术的一种传输方式，是到目前为止比较成熟，且成本较低，属于易于布置的一种传输方式，而并非淘汰的传输方式，在控制工程中早期也是被广泛应用的，只是近些年，由于光缆技术及网络技术的迅猛发展，较少采用罢了。

该方案不改变现有的传输方式，只是更换传输终端而已，最大限度的利用现有资源，投入较少，没有土建工程。

2.2 方案的比选

将上述3种方案作对比见表1。通过上述方案的对比（从表 1可以看出），结合乌鲁木齐河水源地现有的实际情况，并考虑上述诸多因素，选择无线传输方式是最优方案，即采用 zigbee技术比较合理。

采用无线传输方式——zigbee技术，针对乌鲁木齐河水源地自动化控制主要改造 2个井群，西山水源地井群9口井，甘河子水源地井群7口井，其中中心控制边上有4口在一起，考虑用一个 TY6000zigbee通信采集模块实现采集，所以总共使用13个TY6000zigbee通信采集模块,2个井群数据集中到 TY8000zigbee通信采集模块，TY8000zigbee通信模块和中控室通过网络通信，使用2台TY8000zigbee通信采集模块，这样就实现了水源地自动化控制的改造设计。