彬長礦區輸配水工程自動化控制設計探究

胡 妮

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

輸配水工程中管線的自動化控制設計包含輸水線路上數據監測系統和閘閥的遠程控制，對輸水管線的監控可以及時發現管線的泄漏點，采取措施，防止事故擴大，在水量變化時調整輸水管線的壓力，以防止管道內的壓力過高或過低。本文以彬長礦區輸配水工程為例，介紹如何實現輸水管線的自動化控制設計。

1 工程概況

彬長礦區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(包括中塬溝反調節水庫)、鴨兒溝水庫四座水庫。根據水源的相互事故應急調度方式，以及輸配水工程涉及三處水源地，采用原水供應，在礦區內建設兩處配水站，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 自動化控制系統設計方案

2.1 數據監測方案

為了能夠及時發現輸水管線哪里出現的故障，在彬長礦區輸配水工程中布置的A、B、C、D四條輸水管線布設了113 處水位、壓力、流量監測點，通過無線與有線相結合的方式將數據采集到的水位、流量、壓力數據實時發送到亭口配水站，并通過數據監測軟件分析處理，以報表、圖形等方式，提示工作人員查看有關事故、報警等信息，以便及時去現場進行處理，保證輸水管線安全供水。

（1）系統組成

監測中心位于亭口配水站，主要由監測服務器、4G 通信模塊、前置通信接收機、交換機、工作站等組成。現地監測站由壓力傳感器、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備組成。

（2）系統組網

根據輸水管線整體工程通信設計方案的要求，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合的方式。

在距離泵站較近的監測點采用光纖傳輸方式，在距離泵站較遠，敷設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 通信技術數據通信速度高，能夠傳輸高質量視頻圖像，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）系統供電

設備供電使用已有供電系統為原則，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、流量監測設備用電功耗較小，采用太陽能蓄電池直流供電完全滿足運行需求。根據當地年平均日照時數和兩周連陰雨天氣情況下，確保監測點設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）系統功能

1）實時采集水位、流量、管線壓力數據。當傳感器發生變化時，設備自動采集數據變化值，數據自動濾波處理，并存儲每一個經過濾波的數據，將處理后的數據發送至配水站。

2）具有向配水站發送設備運行狀態信息和數據越限報警信息的功能。

3）監測系統設備結構簡單、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正常工作。

4）具有軟件故障自動恢復功能。

（5）系統軟件

系統軟件主要完成對管線進出水池水位監測點、管道進口出口流量監測點、壓力監測點、隧洞進口調壓池前調節閥門啟閉狀態等進行實時采集，各RTU 或PLC 收到指令后，上報相應數據，將采集到的數據顯示在顯示屏上，對異常數據進行圖形、聲音方式的報警。

1）系統將按指定時間間隔自動對各個監測點進行例行數據采集。

2）可根據用戶的要求隨時對某個點的某些數據項進行數據采集，以便觀察比較。

3）可根據用戶的要求對一組點的一組數據進行采集，以便觀察比較。

4）可設定相關的優先權，方便用戶進行操作。

5）對終端的各種事故以及數據的越線情況，提供聲音、圖形等方式的提示，可查看有關事故、各種報警等信息。顯示內容的顏色隨指標數值的變化而不同，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流調壓閥進行遠程控制。閘閥現地信號通過有線的方式發送到口配水站，亭口配水站管理人員可根據信號對閘閥下達控制命令，當發生緊急事故時系統可以立即報警，并能夠根據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生，確保工程安全運行。結合彬長供水閘閥布置情況，閘門監控系統對亭口配水站1 孔進水閘以及3 個調流調壓閥門進行遠程監控。

由于控制信號數據傳輸對傳輸帶寬要求較高，且對信號穩定性要求高，故采用穩定、可靠的光纖通信的方式。閘閥自動監控系統設置為三層控制結構：現地控制、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

閘閥自動監控系統所有采集的信息均通過信息傳輸網絡實時傳送到亭口配水站數據庫服務器，實現資源共享，滿足其它各系統的應用。

（2）現地監控

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，實現閘閥的現地自動控制。

（3）遠程監控

在現地監控站處于自動監控狀態情況下，當亭口配水站發出閘閥控制目標流量或水位后，現地監控站將自動接收并通過自動控制系統，實施閘閥自動控制。

（4）亭口水庫管理處遠程監控

在現地監控站處于自動監控狀態情祝下，可通過遠在咸陽市水庫管理處的閘閥監控系統發出閘門控制信息，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、實時監視圖像及其它各種實時監測信息。

（5）優先級別控制

根據閘閥控制的特點，優先級別最高的是現地手動控制、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

閘閥監控軟件是基于工業組態軟件的基礎上開發，監控軟件可運行于各種操作平臺上。閘閥監控應用軟件主要負責系統數據的采集處理、各種運行操作、參數設置、系統運行狀態監視，數據記錄，動態運行報告生成及打印，提供故障報警故障信息顯示等。

1）數據采集：從設備控制層實時采集生產信息及設備的運行參數和各種狀態參數。運行參數包括電量參數和非電量參數。主要包括電流、電壓、閘門開度、水位等，設備狀態參數包括開、停、運行、故障狀態。

2）流程畫面：可顯示控制設備運行狀態總貌，多層次顯示每個系統單元、每個設備、單個調節回路、順序控制回路、通信狀態、網絡狀態。

3）工況狀態：通過數字、指示燈、圖形等形式實時顯示每個工藝設備工況狀態，并將相關工況狀態顯示在一起，便于生產操作、維護和管理。

4）指令確認：對現地控制主單元發送控制指令后，在設定的時間段內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定的時間段后仍接收不到確認信號，則發出報警信號，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：根據調度中心發送的控制命令對閘門的開度控制、全開、全關、升、降、停等控制。

故障保護與急停控制：在閥門運行過程中，當系統發生故障時，系統立即報警，并根據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，能夠實施急停控制。

現地獨立控制能力：現地監控單元能夠依據調度中心發送的控制命令和現地各項保護措施和監測信息在脫離上位監控系統的條件下獨立運行。

閘閥遠程控制以可編程控制器（PLC）為核心構成現地監控單元，利用閘閥開度傳感器、閘閥工況采集器等數據采集測量裝置實現閘閥工作狀況的全面監控。

3 結語

輸水管線的數據監測與遠程控制系統是實現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，實現供水工程統一管理調度，同時還可減少事故發生，保證輸水工程安全供水。