1、概述
目前中國(guó)北方大部分水廠采用水源井取水方式，即每個(gè)水廠有多口水源井抽取地下水，然后通過(guò)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，大部分水源井的啟?？刂拼蟛糠诌€依靠人工完成。且水源井分布比較分散而且遠(yuǎn)離市中心，單純依靠人工定時(shí)啟停水源井，無(wú)法在關(guān)鍵時(shí)對(duì)水源井進(jìn)行控制，并且由無(wú)法實(shí)時(shí)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)水平的技術(shù)提高及GPRS網(wǎng)絡(luò)的普及，越來(lái)越多的水廠開(kāi)始考慮采用基于GPRS的水源井控制器統(tǒng)對(duì)各個(gè)水源井進(jìn)行實(shí)時(shí)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(xiě)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(cè)量、出水壓力測(cè)量、三相電參數(shù)測(cè)量、遠(yuǎn)程啟?？刂啤?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(gè)水源井的運(yùn)行參數(shù)，啟停水源井，及時(shí)關(guān)停故障水源井，從而大大減小了工人的勞動(dòng)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
水源井控制器是要據(jù)中國(guó)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(guó)北方的大部分環(huán)境
中國(guó)北的很多城市如大慶、哈爾濱在冬天時(shí)可以達(dá)到-40度。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(cè)量功能
水源井控制器應(yīng)至少具有以下功能：測(cè)量水井水位、測(cè)量水井出水壓力、測(cè)量水井出水流量（預(yù)留）、測(cè)量水泵的三相電壓、三相電流、可根據(jù)三相電參數(shù)對(duì)水泵井行保護(hù)、遠(yuǎn)程控制水源井啟停。
(3)、通訊設(shè)備選擇
由于GPRS通訊方式無(wú)需申請(qǐng)，無(wú)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IO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(hào)）、具有6個(gè)DI信號(hào)（測(cè)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(hào)、報(bào)警信號(hào)等。）、4個(gè)DO（可以控制兩個(gè)泵的啟停）、兩個(gè)RS232/485接口（一個(gè)與GPRS通訊，另一個(gè)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(duì)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(duì)于PLC有以下優(yōu)勢(shì)：
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度，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(chǎng)所溫度范圍可達(dá)-40℃~70℃度（安控科技的Super32系列RTU）。
2) PLC為了降低生產(chǎn)成本的接口較少，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 And Data Acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng))系統(tǒng)。
水源井控器采用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)系統(tǒng)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(guó)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(guó)內(nèi)多家組態(tài)軟件廠家和過(guò)合作關(guān)系，即在組態(tài)軟件內(nèi)嵌DTU的驅(qū)動(dòng)程序，用戶無(wú)法開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)。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(kāi)關(guān)、端子等附件。它們的選擇原則先是可以在北方的大部地區(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(duì)多個(gè)水源井現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)箱。經(jīng)過(guò)多個(gè)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(gè)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(kāi)4個(gè)直徑30(mm)的接線孔。
考慮到很多水泵采用三相三線制供電，無(wú)法直接取得220市電，因此有必要在水源井控制器內(nèi)部安裝一個(gè)380轉(zhuǎn)220V變壓器。變壓器的功率要足夠整個(gè)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(chǔ)備，選擇40W的變壓器。
RTU通過(guò)COM1口與電量模塊進(jìn)行連接，并通過(guò)MODBUS協(xié)議讀取電量模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)。電量模塊我們選擇安控科技生產(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(gè)儀表通道單獨(dú)配置一個(gè)0.5A的保險(xiǎn)。防止在更換儀表，或儀表接線時(shí)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(hào)為4~20mA電流信號(hào)。信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為測(cè)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)數(shù)據(jù)形式存放于寄存器中。每個(gè)工程值占用兩個(gè)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(cè)量三相電參數(shù)需要外部接入電量模塊10根線。測(cè)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、各相的功率、功率因數(shù)、總功率、視在功率、有功功率、無(wú)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(guò)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(guò)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(cè)到中心啟指令后控制啟動(dòng)繼電器吸合，當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)已啟動(dòng)或吸合時(shí)間超過(guò)3秒，啟動(dòng)繼電器斷開(kāi)。RTU檢測(cè)到中心停指令時(shí)，控制停繼電器吸合， 當(dāng)檢測(cè)到電機(jī)已停運(yùn)或吸合時(shí)間超過(guò)3秒，控制停斷電器斷開(kāi)。
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(shí)啟停
由于居民的用水量在各個(gè)時(shí)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(shí)間段進(jìn)行啟?？刂啤Ｒ慌_(tái)水源井控制器最多可以設(shè)定五個(gè)時(shí)間段。這樣部分低產(chǎn)水源井可只在用水高峰期開(kāi)啟，其它時(shí)間段停機(jī)。
由于很多城市采用分時(shí)電價(jià)，定時(shí)啟停也可以控制水源井在低電價(jià)時(shí)工作，儲(chǔ)滿蓄水池，在高電價(jià)時(shí)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(cè)到水源井液位低于設(shè)定液位后，自動(dòng)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(cè)的三相電壓判斷三相電是否平恒。當(dāng)出現(xiàn)三相電不平衡或缺相時(shí)自動(dòng)控制水源井停機(jī)。起到保護(hù)水泵的做用。
（4）防盜檢測(cè)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(cè)所在的泵房的門是否被打開(kāi)?？梢酝饨蛹t外報(bào)警器，檢測(cè)是否有人闖入。當(dāng)檢測(cè)到有人闖入時(shí)，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?jī)?nèi)離電機(jī)啟動(dòng)箱比較近的地方。一般有以下線連接電纜：
啟動(dòng)控制電纜：兩根，并聯(lián)在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)箱的啟動(dòng)按鈕上。
停止控制按鈕：兩根，串聯(lián)在現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)箱的停止按鈕上。
啟停狀態(tài)線：兩根，接在接觸器的常開(kāi)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(lái)自電流互感器。
現(xiàn)場(chǎng)儀表接線：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guó)內(nèi)的大部分組態(tài)軟件都可以用來(lái)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)軟件只需要要據(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(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。
由于采用GPRS通訊監(jiān)控中心還需要向中國(guó)電信或網(wǎng)通申請(qǐng)一個(gè)固定公網(wǎng)IP地址。每個(gè)水源井控制器需要辦理一張手機(jī)SIM卡，并開(kāi)通GPRS業(yè)務(wù)。
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(guò)多個(gè)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(gè)地方，至少20處有500臺(tái)水源井控制器在使用中。它的使用大大提高了自來(lái)水生產(chǎn)的自動(dòng)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(guó)道分布，離水廠最遠(yuǎn)40公里，需要3個(gè)班組巡視，每個(gè)班組需要4名巡井人員共12個(gè)人，兩部汽車。采用水源井控制器后，他們只需3名機(jī)動(dòng)巡井人員和兩名中控室值班人員，一部氣車。每年直接節(jié)約運(yùn)營(yíng)費(fèi)用大約15萬(wàn)，間接減少生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用達(dá)25萬(wàn)以上。
水源井控制器的使用可大提高水廠及相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低人工成本，減少產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)可帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)整體的自動(dòng)化水平。
