“500”水庫(kù)供水管道監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)

賈輝+聶建華+許佳

摘 要：本文介紹了“500”水庫(kù)供水配套管道安全監(jiān)測(cè)，流量計(jì)量、自動(dòng)化控制等綜合信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、功能實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行管理等，通過(guò)實(shí)現(xiàn)了“無(wú)人值班、少人值守”的供水運(yùn)行管理模式，為其它供水項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：管道監(jiān)測(cè) 流量測(cè)量 數(shù)據(jù)整合 綜合管控

新疆“500”水庫(kù)屬于大二型水庫(kù)，隨著工業(yè)園區(qū)周邊用戶需水量的不斷增加，目前由供水池連接用戶管道的單一供水模式已無(wú)法滿足使用需求。為解決該日益突出的問(wèn)題，新建11條有壓管道直接從水庫(kù)放空涵取水的模式向各用戶配水。其管道安全監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化計(jì)量及相應(yīng)控制系統(tǒng)能有效減輕運(yùn)行值班人員勞動(dòng)強(qiáng)度，為合理配置水資源及安全供水起到積極作用。

1.安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與儀器布設(shè)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守要求，現(xiàn)場(chǎng)布置的安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集系統(tǒng)經(jīng)過(guò)主干光纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)健?00”管理處匯入大壩安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)。

1.2主要儀器的布設(shè)

1.2.1鋼管管壁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在主管段的明管與埋管交叉部位沿兩管相交閉合曲線布置一周鋼板計(jì)，共計(jì)6支（差阻式）。選擇一根用戶分水管，沿主管與分水管相交閉合曲線布置一周鋼板計(jì)，共計(jì)4支（差阻式）。

1.2.2變形監(jiān)測(cè)

在進(jìn)水口斷面監(jiān)測(cè)鋼管外包新混凝土與老混凝土之間的軸向相對(duì)變形，斷面下、左、右各布置1支剪變形計(jì)，如圖1。

1.2.3鋼管內(nèi)水壓力監(jiān)測(cè)

在明管與埋管交叉部位前端、主管的分水管前端、主管的尾端各布置一支內(nèi)水壓力計(jì)和壓力表。內(nèi)水壓力計(jì)的量程核定為30米。

1.3儀器設(shè)備配置及技術(shù)要求，見(jiàn)表1。

2.計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)備選型

考慮計(jì)量系統(tǒng)需長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以及售后服務(wù)的專(zhuān)業(yè)程度和現(xiàn)場(chǎng)人員掌握維護(hù)，可采用國(guó)外知名品牌GE超聲波流量計(jì)。GE超聲波流量計(jì)集最先進(jìn)的間接流量測(cè)量技術(shù)的變送器封裝為一體，直接安裝在測(cè)量點(diǎn)上可間接無(wú)損測(cè)量，它是專(zhuān)為滿管水，熱水，循環(huán)水和污水等設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

2.2技術(shù)指標(biāo)

夾裝式測(cè)量精度：管徑>150mm：通常為讀數(shù)的±1%～±2%；

管徑<150mm：通常為一般讀數(shù)的±2%～±5%；

測(cè)量范圍：-12.2m/s～12.2m/s。

2.3性能要求

流量計(jì)傳感器采用外貼式安裝，每?jī)蓷l供水管道共用一臺(tái)流量計(jì)主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各管道流量數(shù)據(jù)的現(xiàn)地顯示和存儲(chǔ)。一旦流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端采集裝置出現(xiàn)故障，現(xiàn)地流量計(jì)能脫離遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集單元并保持正常工作，不影響正常供水和計(jì)量。

2.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

供水管道流量計(jì)量系統(tǒng)采用485通信和以太網(wǎng)通信相結(jié)合的方式。每臺(tái)流量計(jì)主機(jī)提供MODBUS協(xié)議的串口，串口間采用串聯(lián)的方式相互連接，通過(guò)通信電纜接入“500”出口管理站已建成的流量測(cè)量系統(tǒng)，在“500”管理處操作員站上進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。在“500”流量計(jì)量房設(shè)置1臺(tái)流量計(jì)屏顯示，用于安裝8套流量計(jì)主機(jī)，屏內(nèi)安裝24V開(kāi)關(guān)電源等裝置。

3.電源及防雷設(shè)計(jì)

3.1UPS不間斷電源

出口管理站使用已建的電源系統(tǒng)，計(jì)量井需新增一套UPS不間斷電源，支持8小時(shí)可持續(xù)供電，以保證流量計(jì)設(shè)備的用電安全。

流量計(jì)主機(jī)及傳感器每套功耗50W，共計(jì)400W；

流量計(jì)屏，共500W；

以上統(tǒng)計(jì)的總功耗為1000W，考慮適當(dāng)?shù)脑Ａ?，選用3KVA的UPS。3.2避雷防護(hù)

流量計(jì)屏中安裝電源避雷器，并做好屏柜接地。考慮測(cè)量系統(tǒng)的電氣和信號(hào)防雷與配電及房建的防雷采用等電位聯(lián)合接地方案，在建筑物每個(gè)房間內(nèi)配置兩個(gè)等電位連接體。

4.軟件設(shè)計(jì)與主要應(yīng)用功能

4.1逐級(jí)管理分散處置原則

現(xiàn)地控制檢測(cè)層：放空涵閘門(mén)現(xiàn)地控制和供水管道在線監(jiān)測(cè)兩個(gè)單元安全級(jí)別及優(yōu)先級(jí)最高，它向下接收各類(lèi)傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出信息，采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信號(hào)；向上接收上級(jí)控制主機(jī)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控命令，并上傳現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的邏輯控制?，F(xiàn)地控制級(jí)的設(shè)計(jì)保證當(dāng)它與主機(jī)系統(tǒng)脫離后仍然能實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)、管道運(yùn)行進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制功能，而當(dāng)其與主機(jī)恢復(fù)聯(lián)系后又能自動(dòng)地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

4.2 閘門(mén) 5級(jí)聯(lián)控供水工作模式

“500”放空涵建有兩孔30噸液壓閘門(mén)，為保障供水生產(chǎn)和水庫(kù)放空涵安全作用，在2005年已安裝閘控系統(tǒng)現(xiàn)地/手動(dòng)操控、現(xiàn)場(chǎng)/自動(dòng)觸摸屏控制、遠(yuǎn)方/自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上。2009年至2011年分別兩次改造升級(jí)，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)針對(duì)供水模式設(shè)計(jì)的閘門(mén)開(kāi)環(huán)及閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，閉環(huán)供水控制模式為設(shè)定蓄水池水位區(qū)間參數(shù)等控制條件，對(duì)閘門(mén)開(kāi)度控制進(jìn)行反饋，能滿足單日20萬(wàn)方供水量的小量級(jí)使用條件。在2011年后用戶供水量遞增顯著，設(shè)計(jì)用戶供水方式為蓄水池加有壓管道兩種模式，單日供水可滿足20 — 100萬(wàn)方，針對(duì)以上條件開(kāi)發(fā)了閘門(mén)開(kāi)環(huán)自動(dòng)控制模式，閘門(mén)開(kāi)度保護(hù)行程在20cm—100cm范圍，供水池水位減少到低限值時(shí)，閘門(mén)自行逐級(jí)調(diào)節(jié)，到達(dá)預(yù)警水位時(shí)閘門(mén)逐級(jí)關(guān)閉保證蓄水池水位不超過(guò)告警水位數(shù)值，直到達(dá)到下線預(yù)警水位時(shí)才逐級(jí)提升閘門(mén)開(kāi)度。當(dāng)超過(guò)高底線告警水位時(shí)，閘門(mén)執(zhí)行閉鎖條件關(guān)閉閘門(mén)并發(fā)出緊急告警，預(yù)留時(shí)間讓值守人員排除障礙后解除鎖定恢復(fù)正常供水。

5.應(yīng)急預(yù)案及實(shí)施經(jīng)驗(yàn)

5.1應(yīng)急預(yù)案

在一個(gè)獨(dú)立控制系統(tǒng)中，要完成一個(gè)或多個(gè)循環(huán)工作，外部或客觀條件制約作用。建立應(yīng)急預(yù)案也要結(jié)合外部預(yù)案執(zhí)行。如應(yīng)急供電與搶修恢復(fù)預(yù)案；閘門(mén)卡滯與液壓系統(tǒng)故障排除；蓄水池水位超限與關(guān)閉閘門(mén)及用戶供水管道；特定條件下控制系統(tǒng)退出運(yùn)行啟動(dòng)應(yīng)急供水方式等。5.2運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

設(shè)計(jì)重要的供水項(xiàng)目需要建立一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)和軟件平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)硬件的實(shí)際工況確定采用何種自動(dòng)控制模式；供水項(xiàng)目需要單獨(dú)進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案的設(shè)計(jì)，必須考慮周全，確保供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定；加強(qiáng)對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)，能正確掌握供水自動(dòng)化系統(tǒng)的使用模式和要點(diǎn)，同時(shí)需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、排查隱患，確保系統(tǒng)安全工作；信息化系統(tǒng)的設(shè)備可靠性及冗余設(shè)計(jì)安全性至關(guān)重要。

5.3優(yōu)化調(diào)度

該系統(tǒng)能充分發(fā)揮出合理調(diào)水，科學(xué)計(jì)量，安全運(yùn)行，可靠供水，事故預(yù)警和故障及時(shí)排查，并提供專(zhuān)家診斷功能。系統(tǒng)兼容處理流域降水、工農(nóng)業(yè)用水、生活用水以及上下游水資源信息，建立水資源數(shù)據(jù)鏈關(guān)系，在合理調(diào)配水資源統(tǒng)一指揮調(diào)度下，充分發(fā)揮水庫(kù)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6.結(jié)論

新疆“500”供水閘聯(lián)動(dòng)穩(wěn)控及水務(wù)綜合管理系統(tǒng)的建設(shè)采用先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)，充分使用當(dāng)代水利建設(shè)設(shè)計(jì)理念，該項(xiàng)目的建設(shè)極大的提高了“500”水庫(kù)供水安全和供水可靠性，實(shí)現(xiàn)從有人到少人再到無(wú)人化管理，保持該地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)邊疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。

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