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下雨了,你的城市會“看海”嗎?水利自動化有哪些注意重點?

時間:2019-07-15來源:@Q裘AQ編碼

導語:城市水利治理的大問題。現在全球的發展趨勢,是城市化人口將超過總人口的50%。每個城市的人口高速增長,也給城市水利科學設計與管理帶來了很大的挑戰。

又下雨了,你的城市在一陣暴雨后會有積水“看海”嗎?

過去的上海,每年夏天總有那么幾天在下雨后,上海成了在城里“看海”。

過去的上海,每年夏天總有那么幾個月,城里的河道發出了黑臭。

過去的上海,每年自來水管子里放出的水,總有那么幾天有一股咸味。

這是在城市化后,城市水利治理的大問題。現在全球的發展趨勢,是城市化人口將超過總人口的50%。每個城市的人口高速增長,也給城市水利科學設計與管理帶來了很大的挑戰。

上海作為全國最大的2千多萬人口的超大城市,在城市水利管理上面已經走在了世界的前列,上面所說的“過去的上海”已經不再發生!

上海是怎么做到了“世界領先”的城市水利先進管理水準的?

這里有科學設計與管理,這里有自動化、數字化技術。

一,水是城市生命的緣,治水是城市的良心。

智者樂水,仁者治水。

城市化要發展離不開管理“水”。

中華民族有著治水的優秀傳統,才得以延續生存,發展。

大禹治水,使得中華民族在中原大地安頓下來,開始了農耕大時代。

兩千年前的李冰治理了四川都江堰,四川盆地富饒了兩千年,才有三國爭霸的蜀國與諸葛亮的故事。

兩大詩人白居易、蘇東坡歷史上在杭州大興城市治水,疏浚杭州西湖至錢塘江,留下了調蓄城市雨水、河水、湖水的美麗的西湖。為紀念白居易和蘇東坡,他們在杭州治水時堆積的河堤,被稱為“白堤”和“蘇堤”,并留下膾炙人口傳頌千年的故事,白娘娘的斷橋殘雪、蘇堤春曉、與美麗的詩句:

水光瀲滟晴方好,山色空蒙雨亦奇。

欲把西湖比西子,淡妝濃抹總相宜。

欲把西湖比西子.jpg 

這是宋代蘇東坡在把杭州西湖疏浚治理好之后,在蘇堤上向著西湖的得意詩作。

“欲把西湖比西子,淡妝濃抹總相宜”。為民治水,多美啊!

在上海,就在我們公司附近就有一座元代水閘遺址,上海先民在700多年前為上海這座城市修建了水利疏浚系統,利用河流的潮汐水位的落差,自然調節水流。原來上海700多年前就已經開始了城市化居民入住了,不是“小漁村”哦。這種利用河道水位高低落差調節河道水流緩急疏浚河道的辦法,放在今天,我們稱為“生態流量”管理城市河道。

 一座元代水閘遺址.png 

在今天在上海,我們上海精浦機電公司的工程師們和全上海的水利工程師們、城市水利管理者們,在跟700多年前上海先民們做著同樣的事,只是我們加上了現代化技術——自動化閘門控制技術管理水閘,并全上海的閘門數字化城市水利系統聯網了。

水利自動化是可靠性和責任心,是良心工程。

水利的自動化技術并不復雜,技術亮點似乎不高,但是系統的可靠性要求高,需十年如一日的可靠,因為水利自動化的社會責任重大。其中,數字化聯網是亮點,如何產品選型是重點。

十年如一日的責任,它遠比央視春晚的四個小時的舞臺自動化可靠性要求更高,社會意義更大。

水利是干什么的?

喝水、生活用水——水庫;

城市河道、下水道——雨水、防洪防澇防積水“看海”。

城市河道的淤積、黑臭——疏浚,生態流量。

在農村在西北,水利自動化還要擔負起方圓幾百公里的農村水利灌溉與計量核算。

所有這些都離不開圍積蓄水——水龍頭打開——開度調節——水位控制——水流落差流動。

水利的“水龍頭”就是閘門,水龍頭的開度大小,就是閘門開度的自動化高度控制,自動化高度控制的傳感器——就是要用到絕對值多圈編碼器。必須是絕對值多圈編碼器,中國水利上經過二十多年的各種高度傳感器比較后,已經證實了用絕對值多圈編碼器是最經濟可靠的,已沒有爭論。

而全上海所有閘門的開度高低的調節控制,已經實現了遠程數字化聯網,關系到全上海各個河道地區的水位高低的調節。

包括與上海周邊城市浙江的嘉興與江蘇的蘇州的水利聯網互動。

二。超級工程長江口青草沙水庫

——城市優質水源從哪里來?

——處于長江入海口的江中心的青草沙水庫,實現全上海市民70%以上的生活供水的水源地,送往全上海各個區的16個水廠。 

上海青草沙水庫,位于長江入海口的江心。

青草沙水庫兩端相距十幾公里,圍一圈四十公里,水庫容量大于十個西湖。

超級工程青草沙水庫在設計時,設計者就面臨著三大難題:

1,上海雖然是屬于江南水鄉,但是缺少優質水源,面對滾滾長江,卻已經是長江的最下游了,長江水裹挾著從上游沖下來的泥沙和一路排放的污水、上游城市人的“洗腳水”,一起混在江水里流了下游來。

這如何能在長江滔滔大流中心找到其中的優質好水,從中取出無數瓢,留下來并送給上海市民享用?

2,長江口外面就是大海,每年會有海水咸潮突然返流,海水鹽分是不能進入水庫的,不然很難清理。當咸潮出現時,必須立刻關閉所有閘門,不得有任何差錯。

3,長江口處于海邊,海風帶有鹽分,每年還有臺風暴雨、雷擊感應,這對于在現場使用的自動化電子產品的可靠性是極大的考驗。在暴雨臺風時候,是無法再上去檢修更換電子部件的。

 閘門.png 

帶著這幾個問題,就需要設計者設計科學的調度,自動化聯網控制水庫上下游的十幾個閘門開度大小,保持流水不腐,留下好水,排出泥沙,放掉臟水,堵住咸潮返流。而且上下游閘門相距十幾公里,兩端的閘門開度調節不僅僅是要實現可靠的自動化控制,而且還需要數字化聯網聯動。

所以,閘門自動化控制及系統可靠性,對于青草沙水庫運行成功與否極為關鍵。

水閘高度控制是由左右兩個開度傳感器檢測高度,同步糾偏的提升或者下降。開度傳感器是通過一個機械傳動的拉繩傳感器機構和絕對值多圈編碼器組成。

水閘高度控制.jpg 

絕對值多圈編碼器的信號進入近地的控制柜,由PLC控制左右液壓油缸同步啟閉,不能發生任何傾斜,如果大閘門左右高度發生傾斜就有可能卡死閘門,一旦發生閘門卡死,這就要有武警工程兵上來處理了。這需要對左右兩個油缸高度的傳感檢測絕對的準確性,并且始終調節兩邊油缸的液壓流量,保持左右油缸的位移同步上下啟閉閘門。 

這必須要用絕對可靠的機械式絕對值多圈編碼器,因為不允許數據有錯,在閘門安裝調試好以后,是再也沒有“開機找零”這樣的機會了。設想一下,兩個油缸只要有一個油缸高度反饋是錯誤的,這門還怎么能動的去找零位?

而在現場使用的絕對值多圈編碼器,又需要有符合各種戶外及海邊使用的高標準嚴要求,例如外殼的防水防塵IP保護等級,外殼材質的防海風侵蝕,甚至還有鳥糞腐蝕;例如抗感應雷擊的電磁兼容性EMC基本測試認證;例如夏季長期暴曬的工作溫度范圍;例如水閘開動時受水流激烈沖擊的巨大的振動,抗振動等級標準,例如編碼器的輸出信號最好有兩路輸出,便于現場緊急檢查。等等。

青草沙水庫交付使用近十年了,這么大的水庫三班倒的管理人數僅幾十人,自動化程度很高,長期運行的可靠性得到了印證。它保證了上海超過70%以上的人口的優質用水,從此自來水管放出來的水不再有“咸味”。

三,外灘虹口港泵閘

——城市如何防止暴雨后的積水“看海”

城市如何治理河道黑臭。 

這里是外灘虹口港泵閘,我們圖片面對的是黃浦江和對岸——上海的標志東方明珠塔,而另一邊是虹口區100萬居住人口和繁華的商業大街。這座泵閘,就是保衛我們面前的虹口區不會因為暴雨而積水“看海”的守護神。

外灘虹口港泵閘.jpg

既然叫泵閘,就是由泵和閘門兩部分組成。閘門仍然是有左右兩個油缸啟動高低,并且還是個弧形閘。閘門自動化控制也是與青草沙水庫相似的,由PLC控制左右雙油缸同步糾偏的開閉水閘。另外,虹口港泵閘還配置了三個大功率水泵,每個水泵前后也有多個閘門。它有兩個作用,其一是在暴雨來臨之前,關閉內河外河水閘,用大力水泵將市區下水道的水全部排空至外河黃浦江,空出足夠的蓄水容量,當暴雨來時繼續大力排水,保持下水水位不會淹至街面。如果局部暴雨雨水很大,泵閘還需要向其他周邊泵閘平均水位輸送雨水,多路并行的加大排放流量。

“大力神”水泵.jpg 

“大力神”水泵,處于負八米的與下水道一個平面。其中最前面的水泵是雙向的。

虹口港這一類泵閘的第二個作用,是河道的生態流量控制,這就是像700年前上海元代水閘做著同樣的事,不過我們已有更先進的技術,主動式自動化泵取和潮汐大數據管理。這里的泵閘利用黃浦江潮汐水位高低的變化,以及雙向大力水泵的抽取,通過關閘門蓄水,等到水位有一定的落差時再開閘放水,由于有落差,水流較急,起到了沖擊河道淤積的作用,并且流水不腐的防治城市河道黑臭發生。

通過江河潮汐和城市水位大數據積累科學調度生態流量。黃浦江的潮汐大約是十個小時多一次,每天兩次的泵閘配合,以城市大數據積累,計算出合理的蓄水放水時間,保持了市區河道的生態流量的流動,戶樞不蠹、流水不腐,上海的河道已經不再黑臭。

這些都需要自動化控制,并且全市河道泵閘的聯網。

在全上海,浦東、虹橋兩大機場、全市市區各個河道、各個工業園區、黃浦江上游、淀山湖流域直至太湖東山,都有這樣一個個的泵閘站,綜合有幾百個水閘閘門,都已經實現了自動化控制和數字化聯網。

圖片——虹橋機場附近的泵閘正在汛期前檢查.jpg

圖片——虹橋機場附近的泵閘正在汛期前檢查

上海的周邊城市浙江的嘉興和江蘇的蘇州也已經與上海水利實現了數字化聯網。

四、水利自動化編碼器選型的幾個重點

水利自動化的關鍵是閘門的開度調整與數字化聯網,絕對值多圈編碼器是關鍵傳感器,又因為是在戶外環境下需要長期可靠的使用,水利自動化編碼器的選型就極為重要了。

1,防水防塵的IP保護等級,以及外殼材料

水利項目肯定是和水有關,防水的防護等級當然相當重要,編碼器的外殼要達到IP67的防護等級,必須是無螺絲密封的,才能有效的防止雨淋、水霧等天氣因素造成編碼器的損壞。還有南方天氣濕度高也會對編碼器的防護等級有所要求,再有就是汛期水閘開閘放水巨大的水霧也相當于是編碼器接受水淋,所以防護等級非常重要,需要強調的是IP防護等級是國際標準,需要有經過國際標準組織認可的第三方認證的證明。例如可以由德國TUV萊茵實驗室測試認證。

 IP67第三方實驗認證報告.jpg

IP67第三方實驗認證報告

2,工作溫度范圍

因為水閘大多是露天環境下的,編碼器大都是暴露在露天的環境下工作,最多加一個罩殼,不像很多自動化產品是為工廠自動化設計的,呆在工廠較好的環境下。水利自動化編碼器在夏天要經受長期的高溫暴曬,所以對工作溫度的要求也是非常嚴苛的,汛期往往是大伏天,有些地區最高溫度可達到40度以上,編碼器必須經受烈日下長時間的暴曬,長期在高溫下工作,這就需要編碼器經過高溫通電工作測試。

這里的工作溫度測試,是指在極限高溫和極限低溫下,保持在極限溫度下通電能正常工作,所謂正常工作是轉動編碼器軸數據輸出正常。存儲溫度的測試是無需通電的。在水利項目戶外的環境下標注存儲溫度沒有意義。

 工作溫度范圍.jpg

另外,電子產品的工作溫度范圍從側面也反映了內部元器件選型的性能標準,經過大量的比較,標注70度和標注80度工作溫度范圍的比較,經長期和大量各種場景下的使用,具可統計的分析,可靠性或者是損壞率有著非常明顯的差別。

3,抗感應雷擊和電磁兼容性

水利項目的編碼器大多都是暴露在空曠的大地中,在春夏季雷雨較多時節,打雷的感應電磁場很有可能沿著水面傳導,對編碼器周邊環境造成電氣沖擊,這就需要編碼器經過電磁兼容性認證,其中靜電放電、快速脈沖群測試,是把雷擊感應簡單物理化后實驗測試。

水利項目的自動化選型,有各種類型的PLC、大型電機、電磁抱剎電磁閥等,尤其還會有潮濕、灰塵等較差的環境,編碼器信號電纜至控制柜大部分有十幾米,有些是幾十米,這對于編碼器長期對各種電氣抗干擾能力提出很高的要求。編碼器的電磁兼容性測試,最好是帶著較長的編碼器電纜共同測試。

對于編碼器的電氣抗干擾特性,對應的國際標準是電磁兼容性EMC標準,其中的測試項目例如靜電沖擊,快速脈沖群沖擊,是把雷擊感應分解成各種物理特性對編碼器進行測試。EMC同樣需要有國際標準組織認可的第三方認證,例如德國TUV萊茵實驗室的認證。

 德國TUV萊茵實驗室的認證。.jpg

4,抗振動沖擊等級

小浪底水庫開閘沖沙,圖片由網友老王頭提供.jpg

小浪底水庫開閘沖沙,圖片由網友老王頭提供

上圖是黃河小浪底水庫閘門開啟時,巨大的水力沖擊帶來巨大的轟鳴聲,現場閘門的振動是很大的

虹口港主閘油缸上的精浦編碼器.jpg 

虹口港主閘油缸上的精浦編碼器

再看這種直接將編碼器安裝在油缸設備上,油缸開啟時的振動也是很大的,同樣也對編碼器的抗振等級提出很高的要求。因此,要求編碼器的抗振動、抗沖擊等級也需要達到國際標準。抗振動等級是10G,抗沖擊等級是100G。這是國際標準,所以需要有第三方測試認證。

 TUV萊茵測試的精浦編碼器抗振動與沖擊認證報告.jpg

TUV萊茵測試的精浦編碼器抗振動與沖擊認證報告

5,雙信號輸出雙重確認——推薦編碼器雙信號輸出

例如一路數字信號,另一路是模擬量信號,可以實現現場和遠端雙看、互相確認,數字信號可以保證數字準確不受干擾,而模擬量信號現場有電工師傅拿萬用表也能量測,可以快速判斷編碼器的是否正常工作。這對于水利自動化的現場緊急檢查是非常重要的。

6,對水利自動化編碼器供應商的要求

編碼器產品的品質可靠性,需要有可追溯的質量管理體系與全生命周期服務的保障。

水利項目工作環境復雜難度高,社會責任大,自動化控制的性能可靠性要求高,馬虎不得一點點,不然社會責任后果很嚴重,提供自動化控制系統及產品的廠家,一是要有全面的質量管理體系保證,需要有第三方品質管理認證。另一方面需要有產品全生命周期服務。


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