从水利工程看自动化技术

每当谈到自动化技术，我们想到的往往都是那些应用在生产线设备上、集成了先进的变频、运动控制、传感器和通讯总线的机电控制系统，这些产品经常会被称作是帮助企业“印钞”的神器。但事实上，自动化技术的应用很多时候看上去其实很朴素，并没有那么酷炫，可它们为社会所带来的价值，却远非只是挣钱那么简单。

为什么我会这么说呢？

这事还得从我最近走访的两个水利工程项目「青草沙水库」和「虹口港泵闸」谈起。



先说位于长兴岛西北方冲积沙洲青草沙上的青草沙水库。

2006 年上海市政府决定将拥有大量优质淡水的青草沙建设成为上海的水源地，以改变上海 80% 以上自来水源取自黄浦江的格局。2010 年全部青草沙水库工程完工，2011 年 6 月青草沙水源地原水工程全面建成通水。

青草沙水库面积近 70 平方公里，是中国最大的避咸蓄淡型河口江心水库，设计有效库容 4.35 亿立方米，水质要求达到国家 Ⅱ 类标准，供水规模达 719 万立方米/天，超过黄浦江水库的供应总量，占上海原水供应总规模的 50% 以上，受水水厂 16 座，受益人口超过 1100 万人。工程的建成和投入运行，改写了上海饮用水主要依靠黄浦江水源的历史。

水库中有一项极为重要的自动化应用，就是水库上下游水闸的高度调节和启闭控制。其作用一方面是在非咸潮期自流引水入库供水，在咸潮期通过水库预蓄的调蓄水量和抢补水来满足上海市的原水供应需求，另一方面则是借助上下游之间的水位落差和水流，来冲走水库内淤积的泥沙。



据了解，在青草沙水库长达 40 公里的堤坝上，一共分布了 15 个闸口，每个闸口都会有 1～2 个闸门，每个闸门的升降都是由左右两台重载液压油缸驱动，通过现场一台 PLC 进行控制的，它们通过网络连接起来，统一受中央控制室远程操作和监控管理。



为了确保闸门左右两侧的高度始终能够保持一致，防止其在升降过程中因倾斜而发生卡死的状况，两台油缸在伸缩时的动作必须是同步的，这就需要将它们的位置实时反馈给控制系统进行比对，从而实现同步操作。我们注意到，在这里用于检测油缸伸缩位置的其实是两支来自上海精浦机电的拉线式多圈绝对值编码器，除了辅助同步纠偏，它同时也为中控室远程监控水闸的动作状态提供相应数据支持。



当问到“为何会采用这样的系统配置”时，现场技术人员告诉我，青草沙水库处于长江入海口，海风中带有盐分，时常还会受到台风、暴雨和雷电…等复杂气候条件的影响，这些对于在现场使用的自动化电子产品的稳定运行都是极大的考验，要知道在暴雨台风时，是根本无法去现场检修和更换电子部件的。因此，在这个水闸开度的控制应用中，产品在这种极端恶劣环境中运行的可靠性其实是极为重要的，现在这样的配置是经过了多年水利工程项目验证后比较成熟的解决方案。



再来说说虹口港河道上用于挡潮和防汛排涝的虹口港泵闸。

虹口港水系河道贯穿虹口区的 8 个街道，被称为是虹口的“母亲河”。以前虹口港水闸“只进不出”，在遭遇“台风、暴雨、高潮位”时，无法向外港直接排水，容易形成内涝，长期困扰周边居民。



新建的泵闸宽约 30 米，包括宽约 8 米、最大排水量可达 80  立方米/秒的水闸，和 3 座单台排水量 10 立方米/秒的水泵。

水闸的开闭同样是由两台液压缸驱动的，也需要系统基于两支拉线式多圈绝对值编码器的反馈，对闸门动作进行同步控制。



三座泵机，两台向外（黄浦江）排水，一台由外向内（虹口港河道）进水，其动力则来自由日立提供的 3 个 800 kW / 10kV 高压驱动系统。这让港闸具备了极强的双向灌流能力。一方面，即使在遭遇黄浦江高水位时，泵闸依然可以将虹口港的内河水直接排入到黄浦江，极大的提升了虹口、闸北两区的排涝能力；另一方面，泵闸也可将黄浦江的活水引入虹口港，对净化虹口港水质、改善周边水环境起到一定的作用。



整个虹口港泵闸的控制是由 Schneider 的 Modicon Quantum 系统提供的，水闸和泵机的操作则是由泵闸工作人员在中控室内进行的。据了解，从虹口区到整个上海市的很多河道，分布着几十个大大小小像虹口港这样的泵闸，如西泗塘泵闸、郝桥港泵闸…等等，它们实际上是相互联通、协调、共同承担着全市的防汛排涝和“南引北排”…等重要任务的，因此尽管泵闸日常的各种启闭动作是在站内通过自动化系统在本地操作完成的，但这些动作指令的决策却是由市政水利防汛部门结合各河道的水位、潮汐、气候、水文…等各项数据，考虑各泵闸之间的协作联动，综合部署和调度的结果。而在问到“泵闸对自动化技术有怎样的要求”时，我们得到的答案依然是“可靠性”。想象下如果因为 PLC、驱动系统或编码器的故障，导致水闸无法正常开闭或者泵机运转异常，而让城市在雨季汛期进入“看海”模式，这个损失岂是一笔经济账能够算清楚的。

说到这，估计大伙应该能明白我在本文开头那段话的意思了。自动化技术的确是已经进入到了信息化、网络化、智能化的 4.0 时代了，但其“可靠性”在实际应用中的重要意义却并没有改变。就像这两个水利工程的案例一样，尽管为了便于综合管理、提升系统的运营效率，已经采用了不少网络化、信息化和物联网技术，但这一切依然是以系统可靠、稳定的运行为核心基础的，离开了这一点，任何其他所谓的技术“亮点”都是无从谈起的。



同时，我们也应该看到，自动化技术的价值，显然也不应该仅仅停留在为企业提供利润收益上，它实际上还有着十分重要的社会意义。好比这两个水利工程项目就是为了更好的改善民生而引入自动化技术的，真的很难用财务数字去衡量其所带来的社会价值。回过头来说，即使是那些用于生工厂车间内的自动化技术，其实也是在通过生产出更多物美价廉的生活用品，为制造企业创造出了相应的经济效益；其意义在于实实在在的帮助人们提升了生活质量，企业从中盈利只是一个自然的结果。

另外，本文这两个案例所使用的产品看上去似乎并不怎么高大上，但据说如此使用自动化技术去解决市政供水和防汛排涝问题的方式，在全国乃至全世界各大城市都是难得一见的。所以说，所谓的创新并不能仅从产品技术本身来看，还是有必要结合具体的应用场景和实际需求的。用票圈里郭老师的一句话来说：遇到新问题，要先用老方法；而遇到老问题，则要试试新方法...

雨季又来了，你的城市会“看海” 吗?

你的城市的喝水、生活用水是从哪里来的？

你的城市的河道有没有黑臭？

这里有自动化、数字化技术...

信息参考自：

shobserver.com

ifeng.com

baike.baidu.com

特别感谢老友 @Q

以上内容纯属作者本人观点，如有雷同，纯属巧合。

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