渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及其運(yùn)行設(shè)計(jì)

眭磊

【摘要】隨著我國(guó)渠道自動(dòng)化程度的不斷提高，研究其控制系統(tǒng)及其運(yùn)行設(shè)計(jì)凸顯出重要意義。本文首先介紹了渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，研究了渠道水力特性與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮的問(wèn)題，并提出了提升渠道自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性的策略。

【關(guān)鍵詞】渠道自動(dòng)化；控制系統(tǒng)；運(yùn)行設(shè)計(jì)

一、前言

作為一種能夠明顯提高渠道運(yùn)行效率的控制系統(tǒng)，渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)在近期得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，研究其相關(guān)內(nèi)容能夠更好地提升渠道控制的自動(dòng)化成效，從而更好地保證渠道運(yùn)行的良好。本文從介紹渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想著手本課題的研究。

二、渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想

與傳統(tǒng)的熱機(jī)機(jī)械設(shè)備相比照，渠道自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)疑信息量小、操作的頻率較低、所控對(duì)象較少，同時(shí)還具有工作效率高、精確化運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)殡姎庠O(shè)備需要自動(dòng)裝置的牢靠特性、高抗干擾和反應(yīng)敏銳的能力，渠道自動(dòng)化的控制系統(tǒng)具備批量連鎖防護(hù)的功能特點(diǎn)，可滿足有效管理的需求。

1.集中監(jiān)控方式。這種監(jiān)控方式優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行維護(hù)方便，控制站的防護(hù)要求不高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)容易。但由于集中式的主要特點(diǎn)是將系統(tǒng)的各個(gè)功能集中到一個(gè)處理器進(jìn)行處理，處理器的任務(wù)相當(dāng)繁重，處理速度受到影響。由于電氣設(shè)備全部進(jìn)入監(jiān)控，伴隨著監(jiān)控對(duì)象的大量增加隨之而來(lái)的是主機(jī)冗余的下降、電纜數(shù)量增加，投資加大，長(zhǎng)距離電纜引入的干擾也可能影響系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)， 隔離刀閘的操作閉鎖和斷路器的聯(lián)鎖采用硬接線，由于隔離刀閘的輔助接點(diǎn)經(jīng)常不到位，造成設(shè)備無(wú)法操作。這種接線的二次接線復(fù)雜，查線不方便，大大增加了維護(hù)量，還存在由于查線或傳動(dòng)過(guò)程中由于接線復(fù)雜而造成誤操作的可能性。

2.遠(yuǎn)程監(jiān)控方式。遠(yuǎn)程監(jiān)控方式具有節(jié)約大量電纜、節(jié)省安裝費(fèi)用、節(jié)約材料、可靠性高、組態(tài)靈活等優(yōu)點(diǎn)。由于各種現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊速度不是很高，而電廠電氣部分通訊量相對(duì)又比較大，所有這種方式適合于小系統(tǒng)監(jiān)控，而不適應(yīng)于全廠的渠道自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)建。

3.現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式。目前，對(duì)于以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，且已經(jīng)積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，智能化電氣設(shè)備也有了較快的發(fā)展， 這些都為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)用于發(fā)電廠電氣系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控方式使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加有針對(duì)性，對(duì)于不同的間隔可以有不同的功能，這樣可以根據(jù)間隔的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用這種監(jiān)控方式除了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控方式的全部?jī)?yōu)點(diǎn)外，還可以減少大量的隔離設(shè)備、端子柜、模擬量變送器等，而且智能設(shè)備就地安裝，與監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通信線連接，可以節(jié)省大量控制電纜，節(jié)約很多投資和安裝維護(hù)工作量，從而降低成本。

三、渠道水力特性與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮的問(wèn)題

跨流域調(diào)水是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置，解決區(qū)域性缺水的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施工程。工程一般具有水量輸送距離遠(yuǎn)，輸運(yùn)流量大，渠道內(nèi)水流形態(tài)復(fù)雜等特點(diǎn)，且設(shè)計(jì)渠系沿線缺少必要的在線調(diào)蓄水庫(kù)，分水口會(huì)不定期開啟，這樣造成了渠道控制的困難。造成控制困難的物理機(jī)制主要有如下幾個(gè)方面：

1.模型非線性水力模型非線性是渠道控制非線性產(chǎn)生的根本原因，描述渠道水流過(guò)渡過(guò)程的St.Venant方程為雙曲型偏微分方程組，目前尚無(wú)法求得其解析解。另外渠道的各個(gè)渠段通過(guò)水流波動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，研究表明，這種關(guān)聯(lián)和作用通常是非線性的，很難表述為線性方程。

2.動(dòng)態(tài)多維性多維性是非恒定流的基本特征，分析渠段非恒定流中各參數(shù)之間的關(guān)系，可知在波所涉及的區(qū)域內(nèi)，各過(guò)水?dāng)嗝娴乃灰涣髁坎皇菃我坏膶?duì)應(yīng)關(guān)系，非恒定過(guò)渡過(guò)程的附加水力坡度是產(chǎn)生這種多對(duì)應(yīng)關(guān)系的直接原因，渠段漲水過(guò)程，附加水面坡度為正，流量比恒定流時(shí)大，落水過(guò)程附加水面坡度為負(fù)，流量比恒定流時(shí)小，在漲落水過(guò)程中，水位和流量分布呈現(xiàn)繩套曲線。渠道的整個(gè)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程，就是渠道的槽蓄不斷調(diào)整的過(guò)程，水位一流量的這種多維對(duì)應(yīng)關(guān)系直接導(dǎo)致水位和節(jié)制閘開度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不唯一，因此基于精確模型建立的單輸入單輸出的控制器設(shè)計(jì)方式實(shí)際上是不存在的。

四、提升渠道自動(dòng)化控制設(shè)備可靠性的策略

要想使渠道自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性得到提升，必須結(jié)合控制設(shè)備自身的特點(diǎn)，運(yùn)用有效的設(shè)計(jì)方法，從元件的選擇、使用、氣候防護(hù)等多方面進(jìn)行分析，促使渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)可靠性得到大幅度的提升。

1.在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)控制設(shè)備的零部件技術(shù)條件進(jìn)行分析，研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品的性能及使用條件進(jìn)行探討及保證，促使設(shè)計(jì)方案得到正確有效的制定。其次，按照產(chǎn)量對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式及產(chǎn)品類型進(jìn)行設(shè)定。由于產(chǎn)量的大小對(duì)生產(chǎn)批量的規(guī)模進(jìn)行確定，不同的生產(chǎn)批量存在不同的生產(chǎn)方式類型，同樣也有不同的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性存在。結(jié)合價(jià)值工程觀念，在對(duì)產(chǎn)品性能保證的前提下，運(yùn)用最為經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.設(shè)備操作人員培訓(xùn)的加強(qiáng)。由于渠道自動(dòng)化控制設(shè)備作為一種高科技且復(fù)雜的設(shè)備，因此會(huì)對(duì)操作人員有較高的要求存在。通過(guò)對(duì)設(shè)備操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，促使其對(duì)設(shè)備的使用方法進(jìn)行有效且熟悉的掌握，對(duì)設(shè)備性能的了解能夠在實(shí)際操作中進(jìn)行靈活控制。當(dāng)有故障出現(xiàn)時(shí)，能夠達(dá)到冷靜處理的效果。

3.從生產(chǎn)角度進(jìn)行分析，盡可能將控制設(shè)備中存在的元件及零件的規(guī)格及品種減小，在對(duì)產(chǎn)品或零部件進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的，且價(jià)格低、來(lái)源多的材料，或是國(guó)產(chǎn)高質(zhì)量材料。嚴(yán)格按照技術(shù)條件要求對(duì)設(shè)備及零部件實(shí)施精度加工，禁止盲目對(duì)高精度進(jìn)行追求。當(dāng)精度等級(jí)和產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到相符時(shí)，可適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行降低，或?qū)ζ溲b配實(shí)施簡(jiǎn)化，進(jìn)一步將選配和修配得到減少，減少裝配工人施工中的體能消耗，促使生產(chǎn)達(dá)到自動(dòng)流水效果。

五、渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本工程自動(dòng)化系統(tǒng)采用有調(diào)度層、干渠各站點(diǎn)的現(xiàn)地LCU控制層組成的二層單元結(jié)構(gòu)的分層分布式全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)度中心調(diào)度層以二臺(tái)互為備用的調(diào)度員工作站為核心，通過(guò)以太網(wǎng)下掛各干渠分水口現(xiàn)地LCU通過(guò)通訊服務(wù)器以以太網(wǎng)的方式接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

2.總體布置

在泵站旁設(shè)置一個(gè)中央控制室，設(shè)置兩臺(tái)操作員站，用以監(jiān)視泵站及各分水口的參數(shù)。在泵站、高干渠及中干渠第一和第二級(jí)分水口、低干渠第1-6個(gè)分水口各設(shè)置1面控制柜，用以采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到中央控制室。

3.中央控制室

中央控制室是將各分站數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)監(jiān)控軟件以數(shù)據(jù)、圖像、圖表和曲線等多種方式顯示出來(lái)，并對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄，方便調(diào)用查詢和歸檔統(tǒng)計(jì)。中央控制室由操作員站、工程師站、打印機(jī)、大屏幕、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和短信報(bào)警系統(tǒng)等組成。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)及其運(yùn)行設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，渠道自動(dòng)化控制系統(tǒng)涉及到諸多方面，有關(guān)人員應(yīng)該從渠道的客觀實(shí)際出發(fā)，結(jié)合渠道特點(diǎn)，研究制定最為優(yōu)化可行的渠道自動(dòng)化控制及運(yùn)行方案。

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