Автоматическая система контроля уровня воды
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF WATER LEVEL

Изобретение относится к метеорологическим системам мониторинга окружающей среды и предназначено, в частности, для контроля и своевременной передачи информации о достижении максимального уровня весеннего половодья, паводковых и ливневых вод на участках железнодорожного полотна.
Известна система мониторинга окружающей среды (RU 2276393 С1, МПК G01W 1/00, опубл. 10.05.2006), содержащая метеооборудование с датчиками и ЭВМ метеоцентра, соединенные линией проводной связи. Метеооборудование установлено на опорах ЛЭП, а в качестве проводной линии связи использована линия электропередачи, подвешенная на опорах ЛЭП. Для контроля за подъемом уровня воды может быть использована видеокамера, подключенная к ПЭВМ.
К недостаткам данной системы мониторинга относятся ее сложность и высокая стоимость за счет использования большого количества высокотехнологического цифрового оборудования, а также невысокая электробезопасность, поскольку на проводах ЛЭП присутствует достаточно высокое напряжение.
Известен датчик оповещатель уровня воды в водоемах (RU 113354 U1, МПК G01F 23/00, опубл. 10.02, 2012), состоящий из рейки с нивелирной разметкой и закрепленным на ней электронным метроштоком, содержащим вертикально размещенный корпус индикатора, в котором смонтированы световое, звуковое и радиосигнальное устройства. Индикационные электроды установлены с возможностью их защиты от механических повреждений, дождя, льда и снега при помощи металлического зонтика, при этом упомянутые электроды выполнены с возможностью автоматического включения электронной схемы и оповещения при достижении водой контрольных или критических отметок уровня в водоемах.
Однако надежность такого оповещателя невысока, т.к. в качестве источника питания используется автономный источник питания в виде аккумуляторной батареи (3…12В) с ограниченным сроком службы. При разрядке батареи система перестает работать. Следовательно, требуется регулярная замена источника питания, что приводит к усложнению обслуживания и повышению эксплуатационных расходов. Из-за использования автономных источников питания, радиопередающее устройство является маломощным и не может обеспечить большой радиус действия. Радиус действия световой и звуковой индикации ограничен расстоянием прямой видимости. Существует возможность ложных срабатываний при загрязнении электродов датчика.
Известна система мониторинга наводнений и датчик уровня воды (RU 115930 U1, МПК G01W 1/00, G01F 23/62, опубл. 10.05.2012), содержащая блок управления, к сигнальным входам которого подключены датчики уровня воды, датчики несанкционированного доступа, датчики температуры воды и пульты централизованного наблюдения, снабженные блоком коммуникаций. Блок управления снабжен устройствами приема-передачи, которые выполнены с возможностью обеспечения двусторонней беспроводной связи между пультами централизованного наблюдения и блоком управления, и возможностью отправки информационных сообщений пользователям системы. К мультимедиа-входам блока управления подключены микрофоны, а к сигнальным входам блока управления подключены устройства оповещения. Датчик уровня воды содержит снабженный отверстиями корпус с размещенным в нем трубкой из немагнитного материала. В нижней части трубки размещен геркон, а в верхней части трубки с возможностью свободного движения размещен магнит, жестко закрепленный на поплавке, охватывающим трубку. Поплавок установлен с возможностью свободного движения относительно трубки.
Известная система сложна конструктивно и содержит элементы, избыточные для практического применения во время чрезвычайных ситуаций и приводящие к существенному удорожанию ее комплектации и использования. Использование беспроводной системы передачи информации в условиях электромагнитных помех и отсутствия прямой видимости (лес, горы) не обеспечивает надежной передачи сигналов о наводнении. Для измерения уровня паводковых и ливневых вод, недостаточно надежно использование датчика уровня, состоящего из поплавка с магнитом и геркона, помещенных в трубку из немагнитного материала. Из-за возможного заклинивания поплавка при попадании в трубу мусора и грязи, или при замерзании воды и поплавка в трубе возможно несрабатывание либо ложное срабатывание датчика.
Изобретение направлено на решение задачи обеспечения безопасности и бесперебойного движения поездов, исключение отвлечения работников путевого хозяйства на наблюдательные посты, сокращение непроизводственных финансовых потерь, обеспечение сохранности локомотивного и вагонного парков, повышение уровня безопасности как работников железнодорожного транспорта, так и граждан, пользующихся его услугами.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении надежности автоматической системы контроля уровня воды, а также обеспечении возможности длительной работы без дополнительного технического обслуживания.
Указанный результат достигается тем, что автоматическая система контроля уровня воды содержит источник питания, блок управления, электрически соединенный с датчиками уровня, блок коммутации, пульт централизованного наблюдения и устройства оповещения, подключенные к сигнальным выходам блока управления. Источник питания и блок коммутации размещены в блоке управления, при этом выход источника питания подключен к входу блока коммутации, блок управления дополнительно содержит первый и второй дешифраторы, входы каждого из которых соединены с выходами источника питания и блока коммутации, а выходы соответственно соединены с первым и вторым устройством оповещения и панелью индикации.
В автоматической системе контроля уровня воды реализована полная диагностика состояния соединительных линий, т.е. производится обнаружение обрыва, короткого замыкания линий и отсутствия питания датчиков, что уменьшает вероятность ложной индикации. Использование в устройствах оповещения светосигнальных колонн, показания которых дублируются светодиодными лампами, размещенными на панели индикации блока управления, повышает надежность системы контроля.
Технический результат достигается также тем, что датчики уровня выполнены поплавковыми и закреплены раздельно в двух отсеках шкафа, в днище которого выполнены отверстия для пропуска воды, позволяющие предотвратить попадание крупных посторонних предметов в шкаф с датчиками.
Использование в качестве датчиков уровня тяжелых поплавков с большой подъемной силой, делает их работу независящей от наличия загрязнителей в шкафу и неблагоприятных погодных условий. Благодаря таким своим свойствам, поплавковые датчики уровня практически не требуют обслуживания, т.е. расходы на их содержание минимальны Дублирование компонентов системы, т.е. использование двух датчиков, двух соединительных линий и двух устройств оповещения, двукратно повышает надежность устройства, что вполне оправдано экономически, учитывая возможный ущерб от аварийных ситуаций.
Кроме того, источник питания выполнен регулируемым и содержит комбинацию из трех блоков питания.
Благодаря применению источника питания с широким диапазоном регулирования, достигается возможность увеличения расстояния от датчиков уровня до устройств оповещения до 25 км. При этом в качестве соединительных линий используются свободные провода магистрального кабеля связи, расположенного вдоль путей. Таким образом, экономятся средства, необходимые на прокладку и обслуживания линий. Кроме того, использование проводных соединительных линий, защищенных от внешних воздействий, увеличивает надежность информирования пользователей, т.к. отсутствует зависимость от помех, погодных условий, рельефа местности и т.д.
Применение недорогих комплектующих изделий, простота и оригинальность схемотехнических решений позволило реализовать систему с минимальными затратами. Автоматическая система контроля уровня воды проста в эксплуатации и не требует привлечения высококвалифицированных сотрудников.
На фиг. 1 изображена структурная схема автоматической системы контроля уровня воды; на фиг. 2 - шкаф с размещенными в нем датчиками уровня; на фиг. 3 - вид сверху фиг. 2.
Автоматическая система контроля уровня воды содержит электрически соединенные блок управления 1 (фиг. 1), шкаф 2 для размещения первого датчика уровня 3 и второго датчиков уровня 4, а также пульт централизованного наблюдения 5, включающий первое устройство оповещения 6 и второе устройство оповещения 7.
Блок управления 1 содержит регулируемый источник питания 8 и подключенные к его выходам блок коммутации 9, первый дешифратор 10, второй дешифратор 11.
Выходы первого дешифратора 10 и второго дешифратора 11 электрически соединены с панелью индикации 12, а также со входами первого устройства оповещения 6 и второго устройства оповещения 7.
Регулируемый источник питания 8 обеспечивает набор из нескольких напряжений (24В, 36В, 48В, 60В), комбинация которых позволяет подобрать оптимальное питающее напряжение первого и второго датчиков уровня 3 и 4, компенсирующее падение напряжения в соединительной линии (магистральном кабеле, длина которого может достигать 25 км). В данном примере регулируемый источник питания выполнен в виде комбинации трех блоков питания: двух БП15-Д2-24 (на 24В) и одного БП15-Д2-12 (на 12В).
Блок коммутации, выполненный на базе блока зажимов, обеспечивает соединение первого и второго датчиков уровня 3 и 4 с блоком коммутации 9, а также позволяет проводить подбор питающего напряжения для датчиков в зависимости от длины соединительной линии (магистрального кабеля).
Первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11 в данном примере выполнены на модульных реле "Finder". Они определяют состояние датчиков уровня 3 и 4 по наличию/отсутствию соответствующих сигналов и формируют команды для панели индикации 12 блока управления 1 и устройств оповещения 6 и 7 пульта централизованного наблюдения 5.
Панель индикации 12 расположена на лицевой панели блока управления 1 и выполнена в виде трех пар светодиодных ламп красного, зеленого и желтого цвета. Комбинация из трех разноцветных ламп для каждого датчика уровня 3 и 4 обеспечивает информирование оператора о следующих состояниях датчиков:
- нормальная работа, уровень воды ниже критического;
- аварийный уровень воды на контролируемом участке (датчик сработал);
- обрыв сигнальной цепи датчика;
- замыкание сигнальной цепи датчика;
- отсутствие питания датчика.
Устройства оповещения 6 и 7 обеспечивают световую и звуковую сигнализацию о режимах работы датчиков уровня 3 и 4 и неисправностях в системе. Они выполнены на базе светосигнальных колонн (на чертеже не показаны) типа XVBC фирмы Schneider Electric, каждая из которых включает в себя светосигнальные блоки красного и зеленого цвета и звуковой сигнальный блок. Для каждого датчика индицируются следующие состояния:
- нормальная работа, уровень воды ниже критического;
- аварийный уровень воды на контролируемом участке (датчик сработал);
- обрыв сигнальной цепи датчика;
- замыкание сигнальной цепи датчика;
- отсутствие питания датчика.
Использование в устройствах оповещения одновременно световой и звуковой индикации аварийных сообщений, повышает уровень их восприятия обслуживающим персоналом.
Шкаф 2 (фиг. 2) выполнен в виде емкости с отверстиями 13 в днище, предназначенными для равномерного заполнения шкафа прибывающей водой. Эти отверстия выполняют также роль фильтра грубой очистки, препятствуя попаданию внутрь шкафа крупного мусора, содержащегося в паводковой воде.
Вертикальной перегородкой 14 шкаф 2 разделен на два отсека, в одном из которых закреплен хомутом первый датчик уровня 3, а в другом - второй датчик уровня 4. Оба этих датчика выполнены поплавковыми с внутренним балластом (в данном примере используются поплавковые датчики уровня типа AQUA XL фирмы ATMI).
На внутренней поверхности крышки шкафа 2 закреплена клеммная коробка 15, предназначенная для коммутации датчиков 3, 4 и соединительной электрической линии, идущей к блоку коммутации 9.
Шкаф 2 может быть смонтирован на вертикальной опоре (например, на раме, закрепленной на сваях, на стене и т.д.). Несанкционированный доступ к содержимому шкафа предотвращается его вандалоустойчивой конструкцией.
Работает автоматическая система контроля уровня воды следующим образом.
В отсутствии высокого уровня воды в зоне установки шкафа 2, датчики уровня 3 и 4 свободно лежат на его днище. При подъеме уровня воды, она поступает внутрь шкафа через отверстия 13. При этом датчики уровня поднимаются вместе с поверхностью воды, удерживаемые гибким кабелем. Замыкание контактов каждого из датчиков 3 и 4 происходит при подъеме их свободных торцовых частей выше горизонтального положения датчика. Предусмотрена возможность смещения уровня срабатывания датчиков внутри корпуса до 75 мм с целью подбора оптимальной изгибаемой длины кабеля. Большой вес поплавка датчика уровня (775 г) обеспечивает надежную работу в загрязненной паводковой воде с наличием мусора.
Сигналы от первого датчика уровня 3 и второго датчиков уровня 4 поступают соответственно на первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11, которые в зависимости от состояния датчиков уровня (сработали или нет) и от исправности соединительной линии формируют сигналы для работы лампочек панели индикации 12, а также первого устройства оповещения 6 и второго устройства оповещения 7.
В номинальном режиме, при подключенных датчиках уровня 3 и 4 и отсутствии повреждений в кабеле связи, первый дешифратор 10 и второй дешифратор 11 зажигают на панели индикации 12 и на светосигнальных колоннах зеленые лампочки.
При аварийном затоплении контролируемого участка и срабатывании первого датчика уровня 3 или второго датчиков уровня 4, первый дешифратор 10 или второй дешифратор 11 формирует сигнал, который на панели индикации 12 зажигает красные лампочки, а также на соответствующие этим датчикам первом устройстве оповещения 6 или втором устройстве оповещения 7, размещенных на пульте централизованного наблюдения 5, загорается красный цвет и включается звуковой сигнал.
Кроме того, светосигнальные колонны устройств оповещения по сигналам дешифраторов 10 и 11 выполняет контролирующую функцию работоспособности системы:
- при обрыве цепи датчика световой индикации нет, звучит только звуковой сигнал;
- при замыкании цепи датчика горят и зеленая и красная лампа, и также звучит звуковой сигнал;
- при отсутствии питания в блоке управления (например, он выключен) нет ни световых ни звуковых сигналов.
Светодиодные лампочки на панели индикации 12 блока управления 1 дублируют сигналы светосигнальных колонн. Лампочки красного и зеленого цветов дублируют соответствующие цвета светосигнальных колонн, желтые лампочки на блоке управления загораются, когда звучит звуковой сигнал соответствующей колонны.