输水管线的自动化控制与数据采集.doc

输水管线的自动化控制与数据采集范文飙（哈尔滨供排水集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150010） 摘要：输水管线的自动化控制和数据采集是保证输水管线经济、安全供水的技术措施，目前国内实际运行的不多，并且因现场条件不同，控制方案差别也很大，实现起来有很多困难，但是，通过研究还是可以找到切实可行的控制方案的，可以实现对输水管线的自动控制和数据采集。本文以哈尔滨市磨盘山水库供水工程输水管线的自动化控制和数据采集方案为例介绍如何实现对输水管线的控制。 关键词：输水管线 自动化控制 数据采集供水工程中的长距离输水管线的自动化控制和数据采集是一种保证输水管线经济、安全供水的技术措施。对输水管线的监控可以及时发现管线的泄漏点，可以及时采取措施，防止事故扩大；在用水量变化或水库供水液位发生变化时可以及时的调整输水管线压力，防止引起管道内的压力过高或过低，从而造成管道的损坏。同时，还可以合理的对水量进行调配，以及对延长输水管线的使用寿命都会起到比较关键的作用。在过去的工程中发现，由于具体工程特点和技术问题等原因，目前我国在长距离输水管线的自动化控制和数据采集方面，或不采取监控措施或措施不完善，尤其是高压差自流输水管线，还没有比较完善的解决措施。主要的技术问题主要有管线压力控制与水量调节问题、信号传输问题、检测点电源问题等。下面以哈尔滨磨盘山供水工程为例介绍在工程设计中是如何解决上述问题的。1. 基本情况描述哈尔滨磨盘山供水工程是目前国内规模比较大的供水工程，该工程输水管线设计为DN2200管道两条，起自磨盘山水库，终止于哈尔滨平房净水厂，全长176公里（一期工程建设一条管道，二期工程再建设一条）。供水总规模为90万吨/日，分两期建设，一期工程45万吨/日。输水管线两端的水位差为160米水柱，全程自流，该工程建成后将成为哈尔滨市的主要水源之一。为了提高供水的安全性，保证安全、合理的运行，在输水管线的工艺设计中，在管线上的中间位置两处管线管理所（从水库方向依次为管理所A、管理所B），所内设置了调流调压阀，用于在水库水位变化和用水流量变化时，调节输水管线的管道压力和流量，保证输水管线安全运行。并且在两个管理所附近设有输水管线溢流井，用于平衡输水管线的压力，使输水管线在运行时不会超过设计值，保证供水安全。为了控制、调节的需要，相应的在调节阀的前后安装了压力检测点。2. 自动化控制和数据采集方案2.1. 控制要求 2.1.1. 控制管理权的要求为了整个供水系统管理的需要，要求在市区供排水调度中心、管线分控中心要有权对输水管线进行控制的（本处“控制”的概念是指可以在市区供排水调度中心、水库分控中心向输水管线控制程序发布控制命令，执行命令端在3个调节阀的控制PLC）。也就是在供排水调度中心、管线分控中心均有对输水管线有控制管理权，可以对输水量进行调度和管理，控制命令的执行是由输水管线控制软件来完成。输水管线部分的控制系统主要任务是以下两部分：A、 管理所系统参数的采集，管理所的输水管线调压阀的控制和站内设备的数据采集。并且将管理所的有关数据上传到供排水集团调度中心。B、 输水管线沿途压力控制点、压力检测点的数据采集。并且将数据传输到供排水集团调度中心，并且根据输水管线的运行状况实时的调整输水管线的运行，保证输水管线的正常运行。2.1.2. 系统的分层控制要求本系统分为三层控制，就地控制层、输水管线控制层和调度控制层。A、 就地控制层在管理所A、管理所B和净水厂控制分站（水厂进水处调节阀控制站）。B、 输水管线控制层在净水厂的输水管线控制系统中。C、 调度控制层在市区供排水调度中心。正常情况下，输水管线的数据通过GPRS系统传输到市供排水调度中心后，在把相关的数据通过内部的传输网络传输到净水厂的输水管线控制系统。由净水厂的输水管线控制软件根据水库水位的变化和输水管线压力、流量的变化，经过计算后，输出控制命令到管理所A、管理所B及净水厂系统的调节阀控制系统中，完成一次调节任务，使得输水管线安全、稳定的运行。2.2. 输水管线的控制原理2.2.1. 控制原理输水管线的调节是根据两个主要参数来调节的，一是水库的水位，因为水库的水位变化会引起输水管线压力的变化，从而影响输水管线的正常运行，所以必须进行调节，以此来保证输水管线的安全运行。二是输水管线的流量的变化，其变化也会影响输水管线压力的变化。为了减少管道工作压力的波动、稳定输水管线的流态，在管线中部设置两处调压阀。调压阀的作用主要是用于消减水库水位大于设计取水位的水头和输水量小于设计流量时产生的富余水头，用于控制下游管线的工作压力，控制输水管线内的最大水压：不超过额定压力，并且输水管线的地形高点不产生负压。2.2.2. 根据水库水位控制为了保证新建水厂的取水量，输水管线的设计水位按照水库的死水位和正常水位的水位差为20m。这部分水头将影响输水管线的正常运行。水库的死水位是设计水位，在此水位下的输水管线流量是设计流量，在此状态下，输水管线上的调节阀都是全开状态，此时的管线上的各点的压力为设计压力。在流量不变的情况下，如果在丰水期，水库的水位高于死水位，那么，就要减小管理所A处调节阀的开度，调节到调节阀后的压力回到设计压力。2.2.3. 根据输水管线流量控制由于净水厂的进水量是变化的，所以要求输水管线的输水量随之变化。而当输水管线中的流量小于设计流量时，管线输水损失减小，输水管道的富余水头增加。如果用水流量减小时仅在水厂进水管道采取流量控制措施，则输水管道内的水压将必然增加，当极端情况即水厂停止进水时，管线内的静水压力将达到最高。为了减少管道工作压力的波动、稳定输水管线的流态，保证输水管线的安全运行，设计中在管线上张地局子、永和屯及平房净水厂进水处设置三处调压阀。利用这两处的调压阀调节由于输水量变化时产生的输水管线的压力变化，控制输水管线内的最大水压不超过输水管线额定压力。张地局子管理所的调节阀还同时调节水库水位变化、稳定输水管线工作压力的作用，详见“水库水位控制”部分的描述。流量控制原理；当平房净水厂进厂水的流量减少的时候，由于输水管线的沿程损失减少，会造成输水管线内的压力增高。反之当平房净水厂进厂水的流量增加的时候，由于输水管线的沿程损失增加，使得输水管线内的压力降低，流量的会引起管线上压力的变化。因此，调压阀的控制定为以进厂水的流量为变量进行控制。当进厂水的流量减少时，观察永和屯管理所附近的溢流井的液位，达到控制水位时，则要减小永和屯管理所调压阀的开度，不断的调节，并且保持到溢流井的液位不超过控制水位。如果，永和屯管理所溢流井的液位超过控制水位，就要减小上一级调节阀（张地局子处调压阀）的开度。然后，不断的调节调节阀，同时观察张地局子处的溢流井的液位，使之溢流井的液位不超过控制水位，并且使得输水管线各个点的压力回到设计压力值。反之，增大调压阀的开度，调节的最终结果使输水管线的压力维持在设计压力要求的范围之内。2.3. 数据采集方案 根据运行管理、安全运行的需要，在水库与水厂之间沿着输水管线设置了6个压力控制点和26个压力检测点，平均约45公里 一个（不包括管理所内调节阀前后的压力检测点）。压力控制点主要是用于输水管线的控制和数据检测，设置在输水管线沿途高程起伏变化的相对高点上，主要的作用是用于控制输水管线在实际运行时该点的表压不低于3米，防止管道局部出现真空，避免管道出现可能的安全隐患；压力检测点仅是用于压力检测，用于检测输水管线的运行状态，做出压力变化图，供管理人员和操作参考，压力出现异常时及时报警。2.3.1. 输水管线总体通信方案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。是在水库和净水厂之间，沿着输水管线敷设专用光纤通信线路，沿线途径管理所。在管理所分别设置一个远程监控站，用于系统的通信和远程控制。2.3.2. 输水管线的压力检测点的通信输水管线的压力检测点的通信是关系到输水管线的数据检测与过程控制的是否可以实现的关键，该系统采用GPRS通讯方案。GPRS监测系统是基于GPRS网络平台，架构在端到端的透明传输链路上，在扩展标准通讯协议的基础上，采用多主兼从的通讯方式，可以实现几千个现场采集终端与中心端的实时数据通讯。通过DDN专线接入中国移动中心的数据服务器，并申请一个私有的合法IP地址，从而建立一个专用的数据传输通道。采集终端以多主方式定时群发数据，或以事件启动发送数据。在供排水集团调度中心设置GPRS接收终端，通过GPRS通信系统上传来的数据经过处理后，再传输到净水厂的DCS控制系统和三个管理所的控制系统中，作为输水管线控制的控制依据。2.3.3. 输水管线数据的检测方式由于压力控制点和压力检测点的附近没有市电电源，其电源采用直流供电的方式。所以为了减少设备的耗电量，增加蓄电池的使用时间，数据的检测方式采用巡检加逢变自报的方式。也就是，当前检测点的压力与前一次的检测值比较，变化超过0.01MPa，就不管是否到了上报时间，要强行上报。2.3.4. 压力检测点的电源的确定压力检测点的电源采用什么形式的是比较关键的问题，由于现场没有市电，只能考虑采用太阳能供电方式和蓄电池供电这两种方式，而太阳能供电方式，由于现场荒无人烟不能解决防盗窃问题只能放弃。根据哈尔滨气候条件要求，采用蓄电池供电必须考虑蓄电池一次充电后的最大供电时间问题，经过协商定为180天。从电池容量、采用的压力变送器、RTU、DTU的耗电量、系统的工作方式等方面对蓄电池的容量经过多次论证和试验后，确定在选用低功耗GPRS、DTU的系统设备情况下，配备12V/100AH 的蓄电池，系统能够满足给GPRS、DTU供电支持180天的时间需求。3. 结论通过实际运行，对长距离输水管线利用GPRS作为传输方式可以进行数据检测在技术上是可行的；所选用的蓄电池是可以满足180天的实际需要的，可以满足设计要求。经过论证和实际运行，按照本工程的特点，每45公里设置一个测压点可以满足管线的检测需要。参考文献1 钟远根,俞明,毛琳.城市地下管线数据库动态维护J.现代测绘,2003,26(2):22- 24.2 张春森.管网信息系统数据质量控制方法.测绘通报,1998(10)3 方允治,赵斌臣,张晓峰.城市地下管线信息管理系统建设中的测量方法J.山东交 通学院学报,2004,12(2):48-50.4 阎金梅.地下管线探测工程的资料自动化整理J.化工矿产地质,2003,25(4): 240-242.5 张望军,王国生,王政华.城市地下管线信息系统在GIS下的建立J.湖南大学学 报,2000,2