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带电水冲洗现场制水设备电气设计研究

2021/4/14        作者:孙方坤  张义炜      
关键字:全膜法制水  车载电气控制  隔离设计  硬件保护  电气设计  
本文依据全膜法制水的步骤,设计了一整套符合实际生产工艺的电气整体解决方案,同时,本文在设备稳定性方面也做了详细的讨论。

1 现场制水电气实现的必要性及稳定性

    绝缘子带电水冲洗是新兴的一种环保清洁方式,是对长期暴露在空气灰尘中的绝缘子进行污秽清除的一种技术,具有效率高,不停电,环保节能等优点。

    制水及冲洗作业都是现场实施,制水过程比较复杂,原有的手工操作需要有相当技术积累的工程师才能够实现,在智能制造的大前提下,实现电气化制水是很有必要的。

    但是带电水冲洗对设备运行的稳定性要求极高。设备的稳定性是安全作业及高效作业的基本前提。冲洗对象是变电站的绝缘子,而变电站多建设在偏远地区,这类环境的施工作业,有备品备件缺乏,技术人员鞭长莫及的现实问题,后备支援及现场维护的困难极高,现场维修设备基本不可能实现。所以,设计一套稳定可行,保护冗余的电路,显得尤为重要。

2 电气设备功能描述

    如图1所示,基于全膜法的车载超纯水处理主要过程为三个部分:精密过滤,RO反渗透,EDI除盐。详细划分为:一级精密过滤,二级精密过滤,超精密过滤;一级RO反渗透,二级RO反渗透,浓水回收RO反渗透;EDI除盐。整个流程精炼,设备效率高,可以实现小型化,轻量化的车载式现场制水系统的需求。

    反渗透制水流程中,电气控制方面,RO膜运行时间由电路板控制运行,低、高压保护器对高压泵进行欠、过压保护,液位控制器在原水箱和中间水箱起到水满停机、水位下限自动启动控制,时间继电器对高压泵起延时启动控制作用,系统同时进行反渗透产水水质在线自动检测及显示。

制水系统控制图

图1 制水系统控制图

    整体制水流程使用全自动化电气控制的方式完成,实时采样各个环节的制水过程数据,控制各个节点的电磁阀流量及开关状态,确保制水平稳进行。设备采样、控制、数据处理部分完全隔离设计,不会因为某个设备故障,牵连其它,同时,所有接口设计有冗余预留。即使部分功能损坏,也可以通过现场更换接口的方式继续工作;甚至在无可更换时,采用更进一步的半自动,半手动方式,完成剩余工作。

3 车载水处理电气控制系统说明

    本车载制水装置采用全膜法制水工艺,包括精滤、超滤、一级反渗透、二级反渗透、浓水回收反渗透、EDI除盐等。

    控制系统运行流程及框架:

制水控制系统运行流程图

图2 制水控制系统运行流程图

    系统采用人机操作平台+数据收集控制平台+采集控制终端三个部分实现总体的控制功能。

制水控制系统框架图

图3 制水控制系统框架图

    人机操作设备使用通用平台,选择基于ARM处理器的嵌入式linux操作系统,确保系统运行稳定,人机界面程序编写方便。

    数据集中控制板需要根据实际项目需要,完全自定义规划设计,根据设计方案,电路板接口详细列表如表1(有预留备用接口)。

表1 电路板接口一览表

电路板接口一览表

    根据实际的控制和信号采集需求,系统电路必须包括模拟信号采集和控制、数字信号采集和控制。根据以上需求,主控电路板设计为模拟和数字两个不同功能区分的独立模块:①为了分担电路板处理器的负担,保证数据的尽快响应;②为了避免因为元件太多,电路板面积过大的问题。

4 系统硬件保护措施

    带电水冲洗实施对象为变电站内绝缘子,所以,车载制水地点一般都在变电站内部。变电站内设备林立,高压设备及线路对站内电子仪器有比较强的工频电场及工频磁场影响,未做防护措施的电气设备极易损坏,导致故障发生,不能正常工作,影响正常的带电水冲洗作业。

    本系统使用的电气测量及控制仪器众多,一个设备故障或被感应电压击穿可能反回来影响整个电路板的电气安全,所以,良好的电气隔离措施是很必要的;同时,现场信号复杂,对信号抗干扰能力的要求也比较高。本系统所采用的电气安保措施主要有以下几个方面:

    (1)电源隔离

    主控板的电源使用经过隔离变压器的独立AC220供电,与控制系统外的电机及泵类设备供电区分,减少电机类设备对控制电路的影响。同时控制电路板的直流电源输入端,增加共模电感,滤除电源端引入的共模信号干扰;增加X/Y安规电容,滤除线路的干扰信号。

    (2)信号隔离

    开关量信号的输入使用成熟的光隔技术,将所有的输入开关信号隔离开来;所有的控制类开关信号使用中间继电器方式,确保完全隔离;对于4-20mA的模拟控制量,使用线性光隔技术,将4-20mA转换为光信号,然后回转为模拟信号,实现了信号隔离。

    (3)信号过流及反向保护

    对于4-20mA信号,采用最新推出的成品保护芯片方案,MAX14626,是业内第一款为工业模拟输入模块设计的4-20mA集成电流环路保护器。MAX14626芯片内部电流限制功能,能够防止外部传感器故障导致检测端输入模块损坏。可以设置电流上限为30mA,对于信号采集端的模块来说,是一个比较合适的上限电流。MAX14626持续监测上限电流,并处理异常情况,还有的一些保护措施有:热关断和反向输入保护,其中热关断可防止保护器因过热而受损;反向输入保护则可避免传感器极性反接。

5 结论

    现场制水作业的带电水冲洗技术,已经慢慢普及开来,对于现场设备的稳定性研究一直在持续,本系统经过多次的现场测试,针对性的优化硬件电路,已形成一套完整的电气解决方案。使用优化后的电气设备,制水现场设备的故障率大大降低,同时,冗余设计使得现场小问题可自行解决,提高了作业的效率。但是产品还是存在电路布线过于复杂,操作人性化不足等缺点,需要进一步优化改进。

责任编辑:程玥
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