彬長礦區(qū)輸配水工程自動化控制設(shè)計探究

胡 妮

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

輸配水工程中管線的自動化控制設(shè)計包含輸水線路上數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和閘閥的遠程控制，對輸水管線的監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)管線的泄漏點，采取措施，防止事故擴大，在水量變化時調(diào)整輸水管線的壓力，以防止管道內(nèi)的壓力過高或過低。本文以彬長礦區(qū)輸配水工程為例，介紹如何實現(xiàn)輸水管線的自動化控制設(shè)計。

1 工程概況

彬長礦區(qū)輸配水工程主要為亭口水庫、紅巖河水庫的配套工程，供水水源為紅巖河、亭口(包括中塬溝反調(diào)節(jié)水庫)、鴨兒溝水庫四座水庫。根據(jù)水源的相互事故應(yīng)急調(diào)度方式，以及輸配水工程涉及三處水源地，采用原水供應(yīng)，在礦區(qū)內(nèi)建設(shè)兩處配水站，分別為各用戶擬建水廠供水。共布置四條輸水線路，分別為:A 線重力流輸水管道，從紅巖河水庫輸水洞出口匯流池至紅巖河溝口；B 線輸水管道，從亭口匯流池至朱家灣七星臺一級泵站，之后加壓送在新民塬自動計量配水站輸水線路；C 線指亭口匯流池至亭口配水站加壓送往長武縣城輸水線路；D 線為亭口匯流池至亭口配水站加壓送往馬屋電廠輸水線路。A、B、C、D 四條輸水線路總長58 km。

2 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測方案

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)輸水管線哪里出現(xiàn)的故障，在彬長礦區(qū)輸配水工程中布置的A、B、C、D四條輸水管線布設(shè)了113 處水位、壓力、流量監(jiān)測點，通過無線與有線相結(jié)合的方式將數(shù)據(jù)采集到的水位、流量、壓力數(shù)據(jù)實時發(fā)送到亭口配水站，并通過數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件分析處理，以報表、圖形等方式，提示工作人員查看有關(guān)事故、報警等信息，以便及時去現(xiàn)場進行處理，保證輸水管線安全供水。

（1）系統(tǒng)組成

監(jiān)測中心位于亭口配水站，主要由監(jiān)測服務(wù)器、4G 通信模塊、前置通信接收機、交換機、工作站等組成。現(xiàn)地監(jiān)測站由壓力傳感器、水位計、流量計、RTU 遙測終端機、4G 通信模塊以及太陽能供電設(shè)備組成。

（2）系統(tǒng)組網(wǎng)

根據(jù)輸水管線整體工程通信設(shè)計方案的要求，該工程輸水管線的通信方式采用有線光纖通信與無線傳輸相結(jié)合的方式。

在距離泵站較近的監(jiān)測點采用光纖傳輸方式，在距離泵站較遠，敷設(shè)光纜不方便或者管線位置比較偏僻的地方采用無線通信的方式。4G 通信技術(shù)數(shù)據(jù)通信速度高，能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，通信靈活，覆蓋面積廣，所以選用4G 的無線通信方式，以后條件成熟可以升級為5G 通訊。

（3）系統(tǒng)供電

設(shè)備供電使用已有供電系統(tǒng)為原則，但由于輸水管線較長，位置處于偏僻的地方，其中一些監(jiān)測點距離配水站或供水單位較遠，采用泵站用電或供水單位廠用電不便，故選用太陽能供電。壓力、流量監(jiān)測設(shè)備用電功耗較小，采用太陽能蓄電池直流供電完全滿足運行需求。根據(jù)當?shù)啬昶骄照諘r數(shù)和兩周連陰雨天氣情況下，確保監(jiān)測點設(shè)備的正常工作進行計算，并考慮適當余量，太陽能電池板的功率確定為40 W，單個蓄電池容量為12 V、100 Ah。

（4）系統(tǒng)功能

1）實時采集水位、流量、管線壓力數(shù)據(jù)。當傳感器發(fā)生變化時，設(shè)備自動采集數(shù)據(jù)變化值，數(shù)據(jù)自動濾波處理，并存儲每一個經(jīng)過濾波的數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至配水站。

2）具有向配水站發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)越限報警信息的功能。

3）監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、易于維護管理、操作簡單、性能可靠及低功耗，并可防潮濕、防雷電、抗干擾等，所有采集都能夠在無人值守的條件下長期連續(xù)正常工作。

4）具有軟件故障自動恢復功能。

（5）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要完成對管線進出水池水位監(jiān)測點、管道進口出口流量監(jiān)測點、壓力監(jiān)測點、隧洞進口調(diào)壓池前調(diào)節(jié)閥門啟閉狀態(tài)等進行實時采集，各RTU 或PLC 收到指令后，上報相應(yīng)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，對異常數(shù)據(jù)進行圖形、聲音方式的報警。

1）系統(tǒng)將按指定時間間隔自動對各個監(jiān)測點進行例行數(shù)據(jù)采集。

2）可根據(jù)用戶的要求隨時對某個點的某些數(shù)據(jù)項進行數(shù)據(jù)采集，以便觀察比較。

3）可根據(jù)用戶的要求對一組點的一組數(shù)據(jù)進行采集，以便觀察比較。

4）可設(shè)定相關(guān)的優(yōu)先權(quán)，方便用戶進行操作。

5）對終端的各種事故以及數(shù)據(jù)的越線情況，提供聲音、圖形等方式的提示，可查看有關(guān)事故、各種報警等信息。顯示內(nèi)容的顏色隨指標數(shù)值的變化而不同，采用色彩或者聲音的方式提示用戶。

2.2 遠程控制方案

為了整個工程管理的需要，對亭口配水站進水閘以及管線上調(diào)流調(diào)壓閥進行遠程控制。閘閥現(xiàn)地信號通過有線的方式發(fā)送到口配水站，亭口配水站管理人員可根據(jù)信號對閘閥下達控制命令，當發(fā)生緊急事故時系統(tǒng)可以立即報警，并能夠根據(jù)實際情況自動終止閘閥運行，為工作人員爭取時間，同時最大限度地減少事故的發(fā)生，確保工程安全運行。結(jié)合彬長供水閘閥布置情況，閘門監(jiān)控系統(tǒng)對亭口配水站1 孔進水閘以及3 個調(diào)流調(diào)壓閥門進行遠程監(jiān)控。

由于控制信號數(shù)據(jù)傳輸對傳輸帶寬要求較高，且對信號穩(wěn)定性要求高，故采用穩(wěn)定、可靠的光纖通信的方式。閘閥自動監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置為三層控制結(jié)構(gòu)：現(xiàn)地控制、亭口配水站遠程控制、亭口水庫管理處遠程控制。

（1）信息采集

閘閥自動監(jiān)控系統(tǒng)所有采集的信息均通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)實時傳送到亭口配水站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實現(xiàn)資源共享，滿足其它各系統(tǒng)的應(yīng)用。

（2）現(xiàn)地監(jiān)控

在控制柜處于手動控制方式的情況下，利用控制柜上配備的上升、下降、停止操作按鈕，操作閘閥的上升、下降、停止，并通過控制柜上的開度顯示儀及運行指示燈監(jiān)視閘閥運行情況。在控制柜處于自動控制方式的情下，通過PLC 配備的觸摸屏，實現(xiàn)閘閥的現(xiàn)地自動控制。

（3）遠程監(jiān)控

在現(xiàn)地監(jiān)控站處于自動監(jiān)控狀態(tài)情況下，當亭口配水站發(fā)出閘閥控制目標流量或水位后，現(xiàn)地監(jiān)控站將自動接收并通過自動控制系統(tǒng)，實施閘閥自動控制。

（4）亭口水庫管理處遠程監(jiān)控

在現(xiàn)地監(jiān)控站處于自動監(jiān)控狀態(tài)情祝下，可通過遠在咸陽市水庫管理處的閘閥監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出閘門控制信息，實施閘閥的遠程控制，并通過通信鏈路實施回傳閘閥運行的各種參數(shù)、實時監(jiān)視圖像及其它各種實時監(jiān)測信息。

（5）優(yōu)先級別控制

根據(jù)閘閥控制的特點，優(yōu)先級別最高的是現(xiàn)地手動控制、其次是亭口配水站遠程控制、最后是管理處遠程控制。

（6）閘閥控制軟件

閘閥監(jiān)控軟件是基于工業(yè)組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)，監(jiān)控軟件可運行于各種操作平臺上。閘閥監(jiān)控應(yīng)用軟件主要負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集處理、各種運行操作、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視，數(shù)據(jù)記錄，動態(tài)運行報告生成及打印，提供故障報警故障信息顯示等。

1）數(shù)據(jù)采集：從設(shè)備控制層實時采集生產(chǎn)信息及設(shè)備的運行參數(shù)和各種狀態(tài)參數(shù)。運行參數(shù)包括電量參數(shù)和非電量參數(shù)。主要包括電流、電壓、閘門開度、水位等，設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括開、停、運行、故障狀態(tài)。

2）流程畫面：可顯示控制設(shè)備運行狀態(tài)總貌，多層次顯示每個系統(tǒng)單元、每個設(shè)備、單個調(diào)節(jié)回路、順序控制回路、通信狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3）工況狀態(tài)：通過數(shù)字、指示燈、圖形等形式實時顯示每個工藝設(shè)備工況狀態(tài)，并將相關(guān)工況狀態(tài)顯示在一起，便于生產(chǎn)操作、維護和管理。

4）指令確認：對現(xiàn)地控制主單元發(fā)送控制指令后，在設(shè)定的時間段內(nèi)等待控制主單元反饋回來的確認信號，如果等待的時間超出設(shè)定的時間段后仍接收不到確認信號，則發(fā)出報警信號，提示操作人員及時采取措施排除故障。

（7）控制功能

閘閥起閉控制：根據(jù)調(diào)度中心發(fā)送的控制命令對閘門的開度控制、全開、全關(guān)、升、降、停等控制。

故障保護與急?？刂疲涸陂y門運行過程中，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)立即報警，并根據(jù)需要和實際情況自動終止當前閥門運行，若遇到緊急、意外情況，能夠?qū)嵤┘蓖？刂啤?/p>

現(xiàn)地獨立控制能力：現(xiàn)地監(jiān)控單元能夠依據(jù)調(diào)度中心發(fā)送的控制命令和現(xiàn)地各項保護措施和監(jiān)測信息在脫離上位監(jiān)控系統(tǒng)的條件下獨立運行。

閘閥遠程控制以可編程控制器（PLC）為核心構(gòu)成現(xiàn)地監(jiān)控單元，利用閘閥開度傳感器、閘閥工況采集器等數(shù)據(jù)采集測量裝置實現(xiàn)閘閥工作狀況的全面監(jiān)控。

3 結(jié)語

輸水管線的數(shù)據(jù)監(jiān)測與遠程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)工程自動化控制的重要部分，待本工程建成后能夠提高工程運行管理效率，實現(xiàn)供水工程統(tǒng)一管理調(diào)度，同時還可減少事故發(fā)生，保證輸水工程安全供水。