胡 妮

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

輸配水工程中管線(xiàn)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)包含輸水線(xiàn)路上數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和閘閥的遠(yuǎn)程控制，對(duì)輸水管線(xiàn)的監(jiān)控可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線(xiàn)的泄漏點(diǎn)，采取措施，防止事故擴(kuò)大，在水量變化時(shí)調(diào)整輸水管線(xiàn)的壓力，以防止管道內(nèi)的壓力過(guò)高或過(guò)低。本文以彬長(zhǎng)礦區(qū)輸配水工程為例，介紹如何實(shí)現(xiàn)輸水管線(xiàn)的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)。

1 工程概況

彬長(zhǎng)礦區(qū)輸配水工程主要為亭口水庫(kù)、紅巖河水庫(kù)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(kù))、鴨兒溝水庫(kù)四座水庫(kù)。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(hù)擬建水廠(chǎng)供水。共布置四條輸水線(xiàn)路，分別為:A 線(xiàn)重力流輸水管道，從紅巖河水庫(kù)輸水洞出口匯流池至紅巖河溝口；B 線(xiàn)輸水管道，從亭口匯流池至朱家灣七星臺(tái)一級(jí)泵站，之后加壓送在新民塬自動(dòng)計(jì)量配水站輸水線(xiàn)路；C 線(xiàn)指亭口匯流池至亭口配水站加壓送往長(zhǎng)武縣城輸水線(xiàn)路；D 線(xiàn)為亭口匯流池至亭口配水站加壓送往馬屋電廠(chǎng)輸水線(xiàn)路。A、B、C、D 四條輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)58 km。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方案

為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸水管線(xiàn)哪里出現(xiàn)的故障，在彬長(zhǎng)礦區(qū)輸配水工程中布置的A、B、C、D四條輸水管線(xiàn)布設(shè)了113 處水位、壓力、流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)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(shí)時(shí)發(fā)送到亭口配水站，并通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件分析處理，以報(bào)表、圖形等方式，提示工作人員查看有關(guān)事故、報(bào)警等信息，以便及時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，保證輸水管線(xiàn)安全供水。

（1）系統(tǒng)組成

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

（2）系統(tǒng)組網(wǎng)

根據(jù)輸水管線(xiàn)整體工程通信設(shè)計(jì)方案的要求，該工程輸水管線(xiàn)的通信方式采用有線(xiàn)光纖通信與無(wú)線(xiàn)傳輸相結(jié)合的方式。

在距離泵站較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用光纖傳輸方式，在距離泵站較遠(yuǎn)，敷設(shè)光纜不方便或者管線(xiàn)位置比較偏僻的地方采用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信方式，以后條件成熟可以升級(jí)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(xiàn)較長(zhǎng)，位置處于偏僻的地方，其中一些監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離配水站或供水單位較遠(yuǎn)，采用泵站用電或供水單位廠(chǎng)用電不便，故選用太陽(yáng)能供電。壓力、流量監(jiān)測(cè)設(shè)備用電功耗較小，采用太陽(yáng)能蓄電池直流供電完全滿(mǎn)足運(yùn)行需求。根據(jù)當(dāng)?shù)啬昶骄照諘r(shí)數(shù)和兩周連陰雨天氣情況下，確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備的正常工作進(jìn)行計(jì)算，并考慮適當(dāng)余量，太陽(yáng)能電池板的功率確定為40 W，單個(gè)蓄電池容量為12 V、100 Ah。

（4）系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)采集水位、流量、管線(xiàn)壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器發(fā)生變化時(shí)，設(shè)備自動(dòng)采集數(shù)據(jù)變化值，數(shù)據(jù)自動(dòng)濾波處理，并存儲(chǔ)每一個(gè)經(jīng)過(guò)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(yùn)行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)越限報(bào)警信息的功能。

3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)管理、操作簡(jiǎn)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(wú)人值守的條件下長(zhǎng)期連續(xù)正常工作。

4）具有軟件故障自動(dòng)恢復(fù)功能。

（5）系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)管線(xiàn)進(jìn)出水池水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)、管道進(jìn)口出口流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)、壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、隧洞進(jìn)口調(diào)壓池前調(diào)節(jié)閥門(mén)啟閉狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，各RTU 或PLC 收到指令后，上報(bào)相應(yīng)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形、聲音方式的報(bào)警。

1）系統(tǒng)將按指定時(shí)間間隔自動(dòng)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行例行數(shù)據(jù)采集。

2）可根據(jù)用戶(hù)的要求隨時(shí)對(duì)某個(gè)點(diǎn)的某些數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便觀(guān)察比較。

3）可根據(jù)用戶(hù)的要求對(duì)一組點(diǎn)的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以便觀(guān)察比較。

4）可設(shè)定相關(guān)的優(yōu)先權(quán)，方便用戶(hù)進(jìn)行操作。

5）對(duì)終端的各種事故以及數(shù)據(jù)的越線(xiàn)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(bào)警等信息。顯示內(nèi)容的顏色隨指標(biāo)數(shù)值的變化而不同，采用色彩或者聲音的方式提示用戶(hù)。

2.2 遠(yuǎn)程控制方案

為了整個(gè)工程管理的需要，對(duì)亭口配水站進(jìn)水閘以及管線(xiàn)上調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。閘閥現(xiàn)地信號(hào)通過(guò)有線(xiàn)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(hào)對(duì)閘閥下達(dá)控制命令，當(dāng)發(fā)生緊急事故時(shí)系統(tǒng)可以立即報(bào)警，并能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)終止閘閥運(yùn)行，為工作人員爭(zhēng)取時(shí)間，同時(shí)最大限度地減少事故的發(fā)生，確保工程安全運(yùn)行。結(jié)合彬長(zhǎng)供水閘閥布置情況，閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)亭口配水站1 孔進(jìn)水閘以及3 個(gè)調(diào)流調(diào)壓閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

由于控制信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸對(duì)傳輸帶寬要求較高，且對(duì)信號(hào)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(dòng)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(yuǎn)程控制、亭口水庫(kù)管理處遠(yuǎn)程控制。

（1）信息采集

閘閥自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)所有采集的信息均通過(guò)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到亭口配水站數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)資源共享，滿(mǎn)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(dòng)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(guò)控制柜上的開(kāi)度顯示儀及運(yùn)行指示燈監(jiān)視閘閥運(yùn)行情況。在控制柜處于自動(dòng)控制方式的情下，通過(guò)PLC 配備的觸摸屏，實(shí)現(xiàn)閘閥的現(xiàn)地自動(dòng)控制。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控

在現(xiàn)地監(jiān)控站處于自動(dòng)監(jiān)控狀態(tài)情況下，當(dāng)亭口配水站發(fā)出閘閥控制目標(biāo)流量或水位后，現(xiàn)地監(jiān)控站將自動(dòng)接收并通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)施閘閥自動(dòng)控制。

（4）亭口水庫(kù)管理處遠(yuǎn)程監(jiān)控

在現(xiàn)地監(jiān)控站處于自動(dòng)監(jiān)控狀態(tài)情祝下，可通過(guò)遠(yuǎn)在咸陽(yáng)市水庫(kù)管理處的閘閥監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出閘門(mén)控制信息，實(shí)施閘閥的遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)通信鏈路實(shí)施回傳閘閥運(yùn)行的各種參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)視圖像及其它各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息。

（5）優(yōu)先級(jí)別控制

根據(jù)閘閥控制的特點(diǎn)，優(yōu)先級(jí)別最高的是現(xiàn)地手動(dòng)控制、其次是亭口配水站遠(yuǎn)程控制、最后是管理處遠(yuǎn)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(kāi)發(fā)，監(jiān)控軟件可運(yùn)行于各種操作平臺(tái)上。閘閥監(jiān)控應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集處理、各種運(yùn)行操作、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視，數(shù)據(jù)記錄，動(dòng)態(tài)運(yùn)行報(bào)告生成及打印，提供故障報(bào)警故障信息顯示等。

1）數(shù)據(jù)采集：從設(shè)備控制層實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)信息及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和各種狀態(tài)參數(shù)。運(yùn)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(mén)開(kāi)度、水位等，設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括開(kāi)、停、運(yùn)行、故障狀態(tài)。

2）流程畫(huà)面：可顯示控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)總貌，多層次顯示每個(gè)系統(tǒng)單元、每個(gè)設(shè)備、單個(gè)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(guò)數(shù)字、指示燈、圖形等形式實(shí)時(shí)顯示每個(gè)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(hù)和管理。

4）指令確認(rèn)：對(duì)現(xiàn)地控制主單元發(fā)送控制指令后，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)等待控制主單元反饋回來(lái)的確認(rèn)信號(hào)，如果等待的時(shí)間超出設(shè)定的時(shí)間段后仍接收不到確認(rèn)信號(hào)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員及時(shí)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(duì)閘門(mén)的開(kāi)度控制、全開(kāi)、全關(guān)、升、降、停等控制。

故障保護(hù)與急?？刂疲涸陂y門(mén)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)立即報(bào)警，并根據(jù)需要和實(shí)際情況自動(dòng)終止當(dāng)前閥門(mén)運(yùn)行，若遇到緊急、意外情況，能夠?qū)嵤┘蓖？刂啤?/p>

現(xiàn)地獨(dú)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(xiàng)保護(hù)措施和監(jiān)測(cè)信息在脫離上位監(jiān)控系統(tǒng)的條件下獨(dú)立運(yùn)行。

閘閥遠(yuǎn)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(kāi)度傳感器、閘閥工況采集器等數(shù)據(jù)采集測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)閘閥工作狀況的全面監(jiān)控。

3 結(jié)語(yǔ)

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