彬长矿区输配水工程自动化控制设计探究

胡 妮

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710000）

0 引言

输配水工程中管线的自动化控制设计包含输水线路上数据监测系统和闸阀的远程控制，对输水管线的监控可以及时发现管线的泄漏点，采取措施，防止事故扩大，在水量变化时调整输水管线的压力，以防止管道内的压力过高或过低。本文以彬长矿区输配水工程为例，介绍如何实现输水管线的自动化控制设计。

1 工程概况

彬长矿区输配水工程主要为亭口水库、红岩河水库的配套工程，供水水源为红岩河、亭口(包括中塬沟反调节水库)、鸭儿沟水库四座水库。根据水源的相互事故应急调度方式，以及输配水工程涉及三处水源地，采用原水供应，在矿区内建设两处配水站，分别为各用户拟建水厂供水。共布置四条输水线路，分别为:A 线重力流输水管道，从红岩河水库输水洞出口汇流池至红岩河沟口；B 线输水管道，从亭口汇流池至朱家湾七星台一级泵站，之后加压送在新民塬自动计量配水站输水线路；C 线指亭口汇流池至亭口配水站加压送往长武县城输水线路；D 线为亭口汇流池至亭口配水站加压送往马屋电厂输水线路。A、B、C、D 四条输水线路总长58 km。

2 自动化控制系统设计方案

2.1 数据监测方案

为了能够及时发现输水管线哪里出现的故障，在彬长矿区输配水工程中布置的A、B、C、D四条输水管线布设了113 处水位、压力、流量监测点，通过无线与有线相结合的方式将数据采集到的水位、流量、压力数据实时发送到亭口配水站，并通过数据监测软件分析处理，以报表、图形等方式，提示工作人员查看有关事故、报警等信息，以便及时去现场进行处理，保证输水管线安全供水。

（1）系统组成

监测中心位于亭口配水站，主要由监测服务器、4G 通信模块、前置通信接收机、交换机、工作站等组成。现地监测站由压力传感器、水位计、流量计、RTU 遥测终端机、4G 通信模块以及太阳能供电设备组成。

（2）系统组网

根据输水管线整体工程通信设计方案的要求，该工程输水管线的通信方式采用有线光纤通信与无线传输相结合的方式。

在距离泵站较近的监测点采用光纤传输方式，在距离泵站较远，敷设光缆不方便或者管线位置比较偏僻的地方采用无线通信的方式。4G 通信技术数据通信速度高，能够传输高质量视频图像，通信灵活，覆盖面积广，所以选用4G 的无线通信方式，以后条件成熟可以升级为5G 通讯。

（3）系统供电

设备供电使用已有供电系统为原则，但由于输水管线较长，位置处于偏僻的地方，其中一些监测点距离配水站或供水单位较远，采用泵站用电或供水单位厂用电不便，故选用太阳能供电。压力、流量监测设备用电功耗较小，采用太阳能蓄电池直流供电完全满足运行需求。根据当地年平均日照时数和两周连阴雨天气情况下，确保监测点设备的正常工作进行计算，并考虑适当余量，太阳能电池板的功率确定为40 W，单个蓄电池容量为12 V、100 Ah。

（4）系统功能

1）实时采集水位、流量、管线压力数据。当传感器发生变化时，设备自动采集数据变化值，数据自动滤波处理，并存储每一个经过滤波的数据，将处理后的数据发送至配水站。

2）具有向配水站发送设备运行状态信息和数据越限报警信息的功能。

3）监测系统设备结构简单、易于维护管理、操作简单、性能可靠及低功耗，并可防潮湿、防雷电、抗干扰等，所有采集都能够在无人值守的条件下长期连续正常工作。

4）具有软件故障自动恢复功能。

（5）系统软件

系统软件主要完成对管线进出水池水位监测点、管道进口出口流量监测点、压力监测点、隧洞进口调压池前调节阀门启闭状态等进行实时采集，各RTU 或PLC 收到指令后，上报相应数据，将采集到的数据显示在显示屏上，对异常数据进行图形、声音方式的报警。

1）系统将按指定时间间隔自动对各个监测点进行例行数据采集。

2）可根据用户的要求随时对某个点的某些数据项进行数据采集，以便观察比较。

3）可根据用户的要求对一组点的一组数据进行采集，以便观察比较。

4）可设定相关的优先权，方便用户进行操作。

5）对终端的各种事故以及数据的越线情况，提供声音、图形等方式的提示，可查看有关事故、各种报警等信息。显示内容的颜色随指标数值的变化而不同，采用色彩或者声音的方式提示用户。

2.2 远程控制方案

为了整个工程管理的需要，对亭口配水站进水闸以及管线上调流调压阀进行远程控制。闸阀现地信号通过有线的方式发送到口配水站，亭口配水站管理人员可根据信号对闸阀下达控制命令，当发生紧急事故时系统可以立即报警，并能够根据实际情况自动终止闸阀运行，为工作人员争取时间，同时最大限度地减少事故的发生，确保工程安全运行。结合彬长供水闸阀布置情况，闸门监控系统对亭口配水站1 孔进水闸以及3 个调流调压阀门进行远程监控。

由于控制信号数据传输对传输带宽要求较高，且对信号稳定性要求高，故采用稳定、可靠的光纤通信的方式。闸阀自动监控系统设置为三层控制结构：现地控制、亭口配水站远程控制、亭口水库管理处远程控制。

（1）信息采集

闸阀自动监控系统所有采集的信息均通过信息传输网络实时传送到亭口配水站数据库服务器，实现资源共享，满足其它各系统的应用。

（2）现地监控

在控制柜处于手动控制方式的情况下，利用控制柜上配备的上升、下降、停止操作按钮，操作闸阀的上升、下降、停止，并通过控制柜上的开度显示仪及运行指示灯监视闸阀运行情况。在控制柜处于自动控制方式的情下，通过PLC 配备的触摸屏，实现闸阀的现地自动控制。

（3）远程监控

在现地监控站处于自动监控状态情况下，当亭口配水站发出闸阀控制目标流量或水位后，现地监控站将自动接收并通过自动控制系统，实施闸阀自动控制。

（4）亭口水库管理处远程监控

在现地监控站处于自动监控状态情祝下，可通过远在咸阳市水库管理处的闸阀监控系统发出闸门控制信息，实施闸阀的远程控制，并通过通信链路实施回传闸阀运行的各种参数、实时监视图像及其它各种实时监测信息。

（5）优先级别控制

根据闸阀控制的特点，优先级别最高的是现地手动控制、其次是亭口配水站远程控制、最后是管理处远程控制。

（6）闸阀控制软件

闸阀监控软件是基于工业组态软件的基础上开发，监控软件可运行于各种操作平台上。闸阀监控应用软件主要负责系统数据的采集处理、各种运行操作、参数设置、系统运行状态监视，数据记录，动态运行报告生成及打印，提供故障报警故障信息显示等。

1）数据采集：从设备控制层实时采集生产信息及设备的运行参数和各种状态参数。运行参数包括电量参数和非电量参数。主要包括电流、电压、闸门开度、水位等，设备状态参数包括开、停、运行、故障状态。

2）流程画面：可显示控制设备运行状态总貌，多层次显示每个系统单元、每个设备、单个调节回路、顺序控制回路、通信状态、网络状态。

3）工况状态：通过数字、指示灯、图形等形式实时显示每个工艺设备工况状态，并将相关工况状态显示在一起，便于生产操作、维护和管理。

4）指令确认：对现地控制主单元发送控制指令后，在设定的时间段内等待控制主单元反馈回来的确认信号，如果等待的时间超出设定的时间段后仍接收不到确认信号，则发出报警信号，提示操作人员及时采取措施排除故障。

（7）控制功能

闸阀起闭控制：根据调度中心发送的控制命令对闸门的开度控制、全开、全关、升、降、停等控制。

故障保护与急停控制：在阀门运行过程中，当系统发生故障时，系统立即报警，并根据需要和实际情况自动终止当前阀门运行，若遇到紧急、意外情况，能够实施急停控制。

现地独立控制能力：现地监控单元能够依据调度中心发送的控制命令和现地各项保护措施和监测信息在脱离上位监控系统的条件下独立运行。

闸阀远程控制以可编程控制器（PLC）为核心构成现地监控单元，利用闸阀开度传感器、闸阀工况采集器等数据采集测量装置实现闸阀工作状况的全面监控。

3 结语

输水管线的数据监测与远程控制系统是实现工程自动化控制的重要部分，待本工程建成后能够提高工程运行管理效率，实现供水工程统一管理调度，同时还可减少事故发生，保证输水工程安全供水。