烏魯木齊河水源地自動化控制改造設計方案比選

張潤杰

（新疆天山源水管理經(jīng)營有限公司 烏魯木齊河管理處 烏魯木齊市 830000）

1 問題的提出

烏魯木齊河水源地自動化控制系統(tǒng)是烏魯木齊河綜合自動化系統(tǒng)工程的一個子系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個井群泵站監(jiān)控系統(tǒng)，包括八一閘、西山和甘河子三個水源地的井群泵站。經(jīng)過對整個泵站進行自動化控制，以 PLC為中心形成一個監(jiān)控控制系統(tǒng)，即SCADA系統(tǒng)，可以實現(xiàn)現(xiàn)地控制和遠程控制，共計可控制 26臺泵。原設計實施是采用有線電纜傳輸方式進行的，經(jīng)過兩年多的運行出現(xiàn)了一些問題：

（1）對烏魯木齊河水源地自動化控制系統(tǒng)原設計考慮設備避雷問題有欠缺，主要是烏魯木齊地區(qū)夏季打雷閃電的機會不多，可是近幾年反而該地區(qū)打雷閃電的機會逐漸多起來，導致西山水源地控制8個模塊被雷擊，造成系統(tǒng)不能工作。

（2）烏魯木齊河水源地自動化控制系統(tǒng)采用的有線控制，受到泵站強電的影響，干擾了控制系統(tǒng)的運行。確切地說是控制系統(tǒng)的PLC的模塊受到了影響，并出現(xiàn)了故障，經(jīng)供貨商技術人員到場檢測，是受到了泵站的強電干擾。那么為什么剛建設時沒有發(fā)現(xiàn)其問題，運行一段時間后才出現(xiàn)此問題，商家也解釋不清楚，同時這種影響一直沒有排除。

（3）水源地內(nèi)的基本建設對有線電纜的傳輸影響比較大。近些年來，西山水源地增加了許多泵站，建設了輸水管道和管理房，并且還增加了綠化，對控制系統(tǒng)的有線電纜的傳輸損壞很大。另外甘河子水源地也進行了綠化生態(tài)建設，情況也是如此。

鑒于上述問題，對烏魯木齊河水源地自動化控制系統(tǒng)的改造設計（主要是指西山和甘河子水源地）勢在必行，就此提出了三種方案進行比選。

2 方案的比選

2.1 方案的概述

烏魯木齊河水源地自動化控制系統(tǒng)采用的是經(jīng)過專家論證確定的共纜傳輸方式，是集報警、圖像、對講和自動控制為一體的系統(tǒng)，由于上述問題的存在，出現(xiàn)了信號傳輸故障，報警不靈的現(xiàn)象。此改造設計方案是解決信號傳輸問題，即在保留前端報警及音視信號采集設備的基礎上更換傳輸設備或改變傳輸方式以恢復系統(tǒng)所有的功能，同時需要結合以下制約因素統(tǒng)一考慮：（1）可靠、安全、可擴容和高保密性；（2）要經(jīng)濟合理，要求采用最經(jīng)濟方式實現(xiàn)，真正做到物超所值。就此提出了光纜傳輸方式、無線傳輸方式和共纜傳輸方式（有線電纜傳輸方式）三種方案。

2.1.1 光纜傳輸方式

該方案比較成熟，目前大多數(shù)項目都在使用，其優(yōu)點：光纖不僅傳輸距離遠，還沒有衰減，抗干擾性能強，擴容余地大，還能很簡單的實現(xiàn)所有報警功能。其缺點為：（1）施工期相對較長，需要半個月以上；（2）要進行光纜鋪設，由于泵房是星狀布設的，光纜鋪設較麻煩，需要鋪設近4km；（3）淘汰現(xiàn)有的共纜線路及所有傳輸終端設備，造成浪費；（4）成本較高，包括光纜鋪設及光端機配置需要近20萬元左右。

2.1.2 無線傳輸方式

近幾年無線技術發(fā)展的比較快，目前無線方式主要有：微波、超短波及無線局域網(wǎng)等方式，此次我們選擇zigbee技術，zigbee技術是一個由可多到 65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的 75m，到擴展后的幾百米，甚至幾公里，另外整個zigbee網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡連接。例如，你可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個 zigbee控制網(wǎng)絡。不同的是zigbee網(wǎng)絡主要是為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動通信主要是為語言通信而建立，每個移動基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個zigbee“基站”成本極低，每個zigbee網(wǎng)絡節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對象，例如傳感器連接直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料，除此之外，每個zigbee網(wǎng)絡節(jié)點（FFD）還可以在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。每個zigbee網(wǎng)絡節(jié)點（FFD）和（RFD）可以支持多到 31個傳感器和受控設備，每個傳感器和受控設備終可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。通常符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用zigbee技術做無線傳輸：（1）需要數(shù)據(jù)采集式監(jiān)控的網(wǎng)點多；（2）要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設備成本低；（3）要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高；（4）設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；（5）電池供電；（6）地形復雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡覆蓋；（7）現(xiàn)有移動網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū)；（8）使用現(xiàn)存移動網(wǎng)絡進行低數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)；（9）使用GPS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動目標的定位應用。

Zigbee技術的特點：（1）省電，兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間；（2）可靠，采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突，節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個 zigbee網(wǎng)絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?；?）時延短，針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠態(tài)激活的時延都非常短；（4）網(wǎng)絡容量大，可支持達65000個節(jié)點；（5）安全，zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128；（6）高保密性，64位出廠編號和支持AES-128加密。

Zigbee技術是當今世界發(fā)展最快的技術，國內(nèi)真正應用還不多，此次我們的應用也是一個創(chuàng)新。

2.1.3 共纜傳輸方式（有線電纜傳輸方式）

共纜傳輸是基于有線電視技術的一種傳輸方式，是到目前為止比較成熟，且成本較低，屬于易于布置的一種傳輸方式，而并非淘汰的傳輸方式，在控制工程中早期也是被廣泛應用的，只是近些年，由于光纜技術及網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，較少采用罷了。

該方案不改變現(xiàn)有的傳輸方式，只是更換傳輸終端而已，最大限度的利用現(xiàn)有資源，投入較少，沒有土建工程。

2.2 方案的比選

將上述3種方案作對比見表1。通過上述方案的對比（從表 1可以看出），結合烏魯木齊河水源地現(xiàn)有的實際情況，并考慮上述諸多因素，選擇無線傳輸方式是最優(yōu)方案，即采用 zigbee技術比較合理。

采用無線傳輸方式——zigbee技術，針對烏魯木齊河水源地自動化控制主要改造 2個井群，西山水源地井群9口井，甘河子水源地井群7口井，其中中心控制邊上有4口在一起，考慮用一個 TY6000zigbee通信采集模塊實現(xiàn)采集，所以總共使用13個TY6000zigbee通信采集模塊,2個井群數(shù)據(jù)集中到 TY8000zigbee通信采集模塊，TY8000zigbee通信模塊和中控室通過網(wǎng)絡通信，使用2臺TY8000zigbee通信采集模塊，這樣就實現(xiàn)了水源地自動化控制的改造設計。

表1 三種方案對比表

3 結論

烏魯木齊河水源地自動化控制改造設計方案通過對比，選擇無線傳輸方式,即采用zigbee技術，即可以解決避雷、強電的影響，也可以解決水源地基本建設的影響,即安全可靠，又經(jīng)濟實惠,即可以節(jié)電，又可以擴容。另外創(chuàng)造性地應用了一項新技術，也是新疆應用此技術的首例，它將為城市供水起到舉足輕重的作用。

1 張潤杰.烏魯木齊河綜合自動化系統(tǒng)工程運行維護探討[J].水利建設與管理，2010，（7）：35-37.