文章論述長距離輸水控制系統(tǒng)的全局預(yù)覽、壓力自動調(diào)節(jié)、水位聯(lián)鎖保護(hù)、自動排泥、抗水擊保護(hù)、管路檢漏等六大功能。本案例在壓力自動調(diào)節(jié)過程中引入了信號選擇器功能模塊，利用低信號選擇器對輸入信號進(jìn)行選擇輸出，對排水泵進(jìn)、出口壓力實(shí)行自動調(diào)節(jié)。
1、輸水工藝系統(tǒng)
某公司五家溝至南陽坡輸水工程，日輸水量1000m3(日運(yùn)行20h，小時輸水量50m3/h，管道全長7.587km，管路全線傍山路埋地敷設(shè)，沿線地形復(fù)雜，高差達(dá)104m，中途一處穿越河流時管路出地面沿管架跨越河流。工程起點(diǎn)為五家溝礦井水處理間，末端為南陽坡礦井接收水池。
五家溝礦井水池設(shè)加壓泵房一座，沿途設(shè)排泥井4座、閥門井4座、呼吸排氣井3座，為了便于運(yùn)行管理及指明位置，每座閥門井均標(biāo)識樁號。
在加壓泵房設(shè)置兩臺排水泵，一臺工作，一臺備用；在4座排泥井和4座閥門井分別設(shè)有電動閥門，用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動排泥和運(yùn)行保護(hù)。工藝流程圖(帶測量點(diǎn))如圖1所示。
圖1 長距離輸水工藝流程圖(帶測量點(diǎn))
2、長距離輸水控制系統(tǒng)
①選型及特點(diǎn)
根據(jù)該工程管路長、閥門井分散、數(shù)量多且每個閥門井內(nèi)檢測及控制設(shè)備數(shù)量少的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)摒棄了采用常規(guī)光纖連接的有線傳輸方式，創(chuàng)新地采用了無線傳輸系統(tǒng)。 該無線控制系統(tǒng)， 屬于模塊化的微型自動化控制系統(tǒng)， 利用GPRS無線傳輸
。該系統(tǒng)能夠滿足中、小規(guī)模工程的性能要求，具有以下特點(diǎn)：
a、運(yùn)用遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)姆绞剑夹g(shù)先進(jìn)、合理，無線傳輸方式將會成為長距離遠(yuǎn)程控制的發(fā)展方向；
b、沒有通訊電纜的采購及施工費(fèi)用，成本低、施工周期短；
c、控制中心具有信息化的管理軟件平臺，可以隨意查看各個監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)；
d、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整簡易，同時系統(tǒng)可對設(shè)備狀態(tài)變化進(jìn)行智能判斷，為決策提供數(shù)據(jù)支持；
e、簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)，當(dāng)控制任務(wù)增加時，可以自由擴(kuò)展，應(yīng)用靈活；
f、易于操作、編程和維護(hù)。
控制系統(tǒng)配置框圖如圖2所示：
圖2 長距離輸水控制系統(tǒng)配置框圖
②控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(服務(wù)器和操作員站)、控制柜、GPRS接受發(fā)送裝置、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，屬于具有現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層和監(jiān)視控制層的三級控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
a、現(xiàn)場設(shè)備層由通過電纜硬接線連接的設(shè)備(如檢測儀表、電動閥門、電動機(jī)開關(guān)等)組成。現(xiàn)場設(shè)備層實(shí)現(xiàn)過程接口模塊與現(xiàn)場設(shè)備之間信號的雙向傳輸功能。如液位、流量檢測信號，電動機(jī)的運(yùn)行、故障信號，電動閥門的位置信號等，均通過硬接線方式采集并上傳至過程接口模塊；電動機(jī)的起、停指令信號，電動閥門的開、關(guān)指令信號通過硬接線方式由過程接口模塊下傳至設(shè)備。
b、過程控制層由GPRS接受發(fā)送裝置、RS485通訊總線和1臺服務(wù)器(兼工程師站)組成。控制器因緊鄰服務(wù)器，所以采用RS485通訊總線直接與服務(wù)器連接。10個控制器分布于現(xiàn)場各個閥門井，遠(yuǎn)離服務(wù)器。即便最近的控制器距離服務(wù)器亦有324.6m的距離，最遠(yuǎn)的終端控制器距離服務(wù)器多達(dá)7.587km，所以在控制室內(nèi)采用RS485通訊總線連接gprs接受發(fā)送裝置，通過該GPRS接受發(fā)送裝置與遠(yuǎn)端控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
過程控制層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的功能如下：一是工程師站完成系統(tǒng)的組態(tài)與編程功能，并根據(jù)生產(chǎn)要求修改設(shè)定的工藝參數(shù)；二是完成服務(wù)器與控制器之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。如現(xiàn)場儀表信號、設(shè)備狀態(tài)、故障信號、工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)均通過RS485通訊總線由控制器傳輸至服務(wù)器；設(shè)備的操作指令信號通過RS485通訊總線由服務(wù)器傳輸至控制器。
c、監(jiān)視控制層包括1臺操作員站、1臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、1臺激光打印機(jī)和1套監(jiān)控軟件。
監(jiān)視控制層實(shí)現(xiàn)的功能如下：控制系統(tǒng)圖形監(jiān)控、動態(tài)圖形顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢及調(diào)用、系統(tǒng)狀態(tài)診斷等功能，同時還具備系統(tǒng)報(bào)警顯示查詢，報(bào)表制作、生成數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)趨勢顯示、生產(chǎn)調(diào)度的管理等功能。
③控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
為了減少檢測設(shè)備的誤動作故障率和拒動作故障率，增加自動化控制系統(tǒng)的可靠性，對于重要的工藝參數(shù)檢測設(shè)置多重儀表，如對水池水位檢測儀表，分別在始、末水池各裝設(shè)三臺投入式水位計(jì)，采用 “三取二”信號法，供系統(tǒng)聯(lián)鎖、保護(hù)使用。。“三取二”信號法如圖3所示，表達(dá)式為：Y=AB+BC+CA。依據(jù)該表達(dá)式，該項(xiàng)目設(shè)置的“三取二”邏輯框圖如圖4所示(以始端水池為例)。這種多重化的信號攝取法，雖然增加了檢測設(shè)備的數(shù)量和投資，但對提高測量準(zhǔn)確度，增加系統(tǒng)的可靠性，具有重要意義。
圖3 三取二信號法 圖4 三取二邏輯圖
④控制系統(tǒng)功能
控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過遠(yuǎn)程控制泵組啟、停和閥門開、關(guān)，實(shí)現(xiàn)對輸水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理；運(yùn)行和調(diào)度人員可通過控制室對整個輸水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理，可實(shí)時了解各環(huán)節(jié)的運(yùn)行工況；采用監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的集中監(jiān)控管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享；查詢各種歷史數(shù)據(jù)記錄，對系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)和智能分析。
⑤全局預(yù)覽
控制系統(tǒng)將采集到的各類水位值、管道壓力值、泵站的三相電壓值、水泵的三相電流值、水泵運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、流量值等工藝參數(shù)，實(shí)時顯示在操作員站上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，同時將各類歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，可供運(yùn)行人員查看、調(diào)用、制作圖表并進(jìn)行分析總結(jié)。
此外，根據(jù)工藝要求，設(shè)置水位超限、水泵故障、壓力超限、管路泄漏等工藝參數(shù)的報(bào)警閾值，在生產(chǎn)過程中，若工藝參數(shù)超過閾值，將觸發(fā)報(bào)警，以便運(yùn)行人員及時做出處理。
⑥壓力自動調(diào)節(jié)功能
對于長距離密閉輸送管道而言，壓力調(diào)節(jié)是保證輸水泵正常工作和管道安全的重要措施。壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)泵進(jìn)口壓力不低于允許的最低吸入壓力，出口壓力不高于管路的最高允許操作壓力，常用的調(diào)節(jié)方式有節(jié)流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。根據(jù)工藝要求，該工程為節(jié)流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)由泵進(jìn)、 出口壓力變送器(PT100，PT101)、信號選擇器(PS101)、 PID調(diào)節(jié)器(PIC100、PIC101)及電動調(diào)節(jié)閥(MCV101)組成，這些由表中壓力變送器選用YR-ER102單晶硅壓力變送器、信號選擇器選用YR9033A-00-G-AL、PID調(diào)節(jié)器選用YR-GDA805-820-12-HLNN-N-P-T，如圖1所示。
單晶硅壓力變送器YR-ER102 信號選擇器YR9033A-00-G-AL PID調(diào)節(jié)器YR-GDA805-820-12-HLNN-N-P-T
調(diào)節(jié)原理如下：泵進(jìn)口調(diào)節(jié)器PIC100設(shè)計(jì)為正作用，其壓力設(shè)定值為SP1；泵出口調(diào)節(jié)器PIC101設(shè)計(jì)為反作用，其壓力設(shè)定值為SP2。
a、當(dāng)PT100≥SP1時， 調(diào)節(jié)器PIC100輸出信號增大，最大為20mA。
b、當(dāng)PT100＜SP1時， 調(diào)節(jié)器PIC100輸出信號減小。
c、當(dāng)PT101≤SP2時， 調(diào)節(jié)器PIC100輸出信號增大，最大為20mA。
d、當(dāng)PT101＞SP2時， 調(diào)節(jié)器PIC101輸出信號減小。
兩個調(diào)節(jié)器的輸出信號分別進(jìn)入低值信號選擇器PS101，選擇器輸出較小信號到電動調(diào)節(jié)閥MCV101，使調(diào)節(jié)閥在信號增大時 打開閥門，信號減小時關(guān)閉閥門。這樣，當(dāng)PT100＜SP1時，或當(dāng)PT101＞SP2時，關(guān)小閥門，使泵前壓力上升或閥后壓力下降；反之，當(dāng)PT100≥SP1時，或當(dāng)PT101≤SP2時，開大閥門，使泵前壓力下降或閥后壓力上升。
當(dāng)泵前壓力高于設(shè)定值并且閥后壓力低于設(shè)定值時，應(yīng)使閥門處于全開狀態(tài)。
在該系統(tǒng)中，PIC100、PIC101兩個調(diào)節(jié)器均選用PID調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)設(shè)有HIC101手作器，當(dāng)系統(tǒng)切換到手動方式時，可在計(jì)算機(jī)上對電動調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)方手動操作，并且系統(tǒng)具有自動/手動無擾切換功能。
⑦水位聯(lián)鎖保護(hù)功能
水池水位過低對輸水系統(tǒng)的安全運(yùn)行影響極大，嚴(yán)重時會造成設(shè)備損壞等事故。如始端水池過低，會造成排水泵抽空現(xiàn)象， 影響泵的壽命、甚至造成泵的損壞；如末端水池過低，造成南陽坡礦井井下生產(chǎn)缺水。為防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大，該工程設(shè)置水位保護(hù)功能。該功能有兩步構(gòu)成，第一步，當(dāng)水位低達(dá)規(guī)定值時，發(fā)出信號，并使預(yù)防性的處理操作動作；第二步，當(dāng)水位嚴(yán)重過低時，發(fā)出信號，使系統(tǒng)停止運(yùn)行。保護(hù)框圖如圖5和圖6所示。
圖5 始端水池水位低保護(hù)框圖
圖6 末端水池水位低保護(hù)框圖
⑧自動排泥功能
長距離輸水工程中，由于系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)的存在，長時間運(yùn)行后，將會在管路內(nèi)沉淀、淤積，甚至堵塞管路，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，因此，自動化控制系統(tǒng)設(shè)置了自動排泥功能。
針對工藝系統(tǒng)在不同位置設(shè)置的4處排泥井，分別裝設(shè)電動閥門，系統(tǒng)自動檢測整個系統(tǒng)管路不同位置的壓力，當(dāng)檢測到整個系統(tǒng)某處壓力低一值時，系統(tǒng)報(bào)警，低二值、并且始端流量與末端流量均明顯小于額定流量時，系統(tǒng)根據(jù)程序，判斷出管路堵塞位置，發(fā)出指令，打開就近排泥井內(nèi)的電動閥門，自動排泥，直至系統(tǒng)恢復(fù)正常壓力。自動排泥邏輯框圖如圖7所示。
圖7 自動排泥邏輯框圖
⑨抗水擊保護(hù)功能
流體在管路內(nèi)流動，若液流斷面上的流速和壓強(qiáng)隨時間不斷發(fā)生變化，不能保持恒定運(yùn)行，這時將會出現(xiàn)不穩(wěn)定流動的情況。如果發(fā)生這種現(xiàn)象，管路壓力發(fā)生瞬變，將會產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，危機(jī)管道及設(shè)備的安全，因此，應(yīng)對水擊采取壓力保護(hù)措施。
常用的抗水擊保護(hù)措施有泄放保護(hù)、超前保護(hù)、調(diào)節(jié)性保護(hù)和停泵保護(hù)等，根據(jù)本工程特點(diǎn)，利用電動排泥閥門進(jìn)行泄放保護(hù)來抗水擊損害。在系統(tǒng)某處出現(xiàn)水擊增壓波時，水擊控制系統(tǒng)根據(jù)檢測到的壓力信號，利用在控制中心計(jì)算機(jī)中事先編制的保護(hù)動作程序，向就近的排泥閥門井發(fā)出保護(hù)動作指令，通過排泥閥門泄出一定數(shù)量的液體，從而削弱增壓波，防止水擊造成損害。
⑩管路檢漏功能
長距離輸水工程中，由于管路腐蝕、誤操作、線路坍塌等原因，會造成管路泄漏現(xiàn)象。本工程在輸水管路的首、末端分別裝設(shè)電磁流量計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)流量計(jì)返回的流量參數(shù)，結(jié)合管路壓力測量，來判斷管路是否發(fā)生泄漏。若首端流量明顯大于末端流量、緊鄰兩處壓力表的參數(shù)相差較大、并且上游壓力遠(yuǎn)大于下游壓力，系統(tǒng)將自動判斷出泄漏點(diǎn)所在的位置，供運(yùn)行人員處理泄漏事故。
長距離輸水工程自動化控制系統(tǒng)采用的遠(yuǎn)程無線傳輸方式，技術(shù)先進(jìn)、合理，將會成為長距離遠(yuǎn)程控制的發(fā)展方向。系統(tǒng)自運(yùn)行以來，其操作方便、安全可靠，既少了操作員的誤操作次數(shù)、又降低了運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)要求，得到了用戶的好評。
本工程的壓力自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)是利用節(jié)流調(diào)節(jié)法、采用電動調(diào)節(jié)閥的方式完成的，從節(jié)能角度衡量，這種方式不如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、 即利用變頻器改變泵的轉(zhuǎn)速這種方式節(jié)能，在以后的工程設(shè)計(jì)中， 可采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法來完成壓力自動調(diào)節(jié)功能。
