文章论述长距离输水控制系统的全局预览、压力自动调节、水位联锁保护、自动排泥、抗水击保护、管路检漏等六大功能。本案例在压力自动调节过程中引入了信号选择器功能模块，利用低信号选择器对输入信号进行选择输出，对排水泵进、出口压力实行自动调节。
1、输水工艺系统
某公司五家沟至南阳坡输水工程，日输水量1000m3(日运行20h，小时输水量50m3/h，管道全长7.587km，管路全线傍山路埋地敷设，沿线地形复杂，高差达104m，中途一处穿越河流时管路出地面沿管架跨越河流。工程起点为五家沟矿井水处理间，末端为南阳坡矿井接收水池。
五家沟矿井水池设加压泵房一座，沿途设排泥井4座、阀门井4座、呼吸排气井3座，为了便于运行管理及指明位置，每座阀门井均标识桩号。
在加压泵房设置两台排水泵，一台工作，一台备用；在4座排泥井和4座阀门井分别设有电动阀门，用来实现系统的自动排泥和运行保护。工艺流程图(带测量点)如图1所示。
图1 长距离输水工艺流程图(带测量点)
2、长距离输水控制系统
①选型及特点
根据该工程管路长、阀门井分散、数量多且每个阀门井内检测及控制设备数量少的特点，控制系统摒弃了采用常规光纤连接的有线传输方式，创新地采用了无线传输系统。 该无线控制系统， 属于模块化的微型自动化控制系统， 利用GPRS无线传输
。该系统能够满足中、小规模工程的性能要求，具有以下特点：
a、运用远程无线传输的方式，技术先进、合理，无线传输方式将会成为长距离远程控制的发展方向；
b、没有通讯电缆的采购及施工费用，成本低、施工周期短；
c、控制中心具有信息化的管理软件平台，可以随意查看各个监测点的运行数据；
d、系统运行参数调整简易，同时系统可对设备状态变化进行智能判断，为决策提供数据支持；
e、简单实用的分散式结构，当控制任务增加时，可以自由扩展，应用灵活；
f、易于操作、编程和维护。
控制系统配置框图如图2所示：
图2 长距离输水控制系统配置框图
②控制系统的结构
控制系统由工业控制计算机(服务器和操作员站)、控制柜、GPRS接受发送装置、网络交换机、打印机等设备构成，系统功能强大，属于具有现场设备层、过程控制层和监视控制层的三级控制网络系统。
a、现场设备层由通过电缆硬接线连接的设备(如检测仪表、电动阀门、电动机开关等)组成。现场设备层实现过程接口模块与现场设备之间信号的双向传输功能。如液位、流量检测信号，电动机的运行、故障信号，电动阀门的位置信号等，均通过硬接线方式采集并上传至过程接口模块；电动机的起、停指令信号，电动阀门的开、关指令信号通过硬接线方式由过程接口模块下传至设备。
b、过程控制层由GPRS接受发送装置、RS485通讯总线和1台服务器(兼工程师站)组成。控制器因紧邻服务器，所以采用RS485通讯总线直接与服务器连接。10个控制器分布于现场各个阀门井，远离服务器。即便最近的控制器距离服务器亦有324.6m的距离，最远的终端控制器距离服务器多达7.587km，所以在控制室内采用RS485通讯总线连接gprs接受发送装置，通过该GPRS接受发送装置与远端控制器实现数据交换。
过程控制层网络实现的功能如下：一是工程师站完成系统的组态与编程功能，并根据生产要求修改设定的工艺参数；二是完成服务器与控制器之间数据的双向传输。如现场仪表信号、设备状态、故障信号、工艺生产数据均通过RS485通讯总线由控制器传输至服务器；设备的操作指令信号通过RS485通讯总线由服务器传输至控制器。
c、监视控制层包括1台操作员站、1台网络交换机、1台激光打印机和1套监控软件。
监视控制层实现的功能如下：控制系统图形监控、动态图形显示、历史数据查询及调用、系统状态诊断等功能，同时还具备系统报警显示查询，报表制作、生成数据库、状态趋势显示、生产调度的管理等功能。
③控制系统的可靠性设计
为了减少检测设备的误动作故障率和拒动作故障率，增加自动化控制系统的可靠性，对于重要的工艺参数检测设置多重仪表，如对水池水位检测仪表，分别在始、末水池各装设三台投入式水位计，采用 “三取二”信号法，供系统联锁、保护使用。。“三取二”信号法如图3所示，表达式为：Y=AB+BC+CA。依据该表达式，该项目设置的“三取二”逻辑框图如图4所示(以始端水池为例)。这种多重化的信号摄取法，虽然增加了检测设备的数量和投资，但对提高测量准确度，增加系统的可靠性，具有重要意义。
图3 三取二信号法 图4 三取二逻辑图
④控制系统功能
控制系统主要实现以下功能：通过远程控制泵组启、停和阀门开、关，实现对输水系统的远程管理；运行和调度人员可通过控制室对整个输水系统进行远程监测和管理，可实时了解各环节的运行工况；采用监控终端实现对现场设备的集中监控管理、分散控制、数据共享；查询各种历史数据记录，对系统运行数据进行科学统计和智能分析。
⑤全局预览
控制系统将采集到的各类水位值、管道压力值、泵站的三相电压值、水泵的三相电流值、水泵运行状态、故障状态、流量值等工艺参数，实时显示在操作员站上，以实现数据的实时监测，同时将各类历史数据进行存储，可供运行人员查看、调用、制作图表并进行分析总结。
此外，根据工艺要求，设置水位超限、水泵故障、压力超限、管路泄漏等工艺参数的报警阈值，在生产过程中，若工艺参数超过阈值，将触发报警，以便运行人员及时做出处理。
⑥压力自动调节功能
对于长距离密闭输送管道而言，压力调节是保证输水泵正常工作和管道安全的重要措施。压力自动调节系统用来调节泵进口压力不低于允许的最低吸入压力，出口压力不高于管路的最高允许操作压力，常用的调节方式有节流调节和转速调节。根据工艺要求，该工程为节流调节，调节系统由泵进、 出口压力变送器(PT100，PT101)、信号选择器(PS101)、 PID调节器(PIC100、PIC101)及电动调节阀(MCV101)组成，这些由表中压力变送器选用YR-ER102单晶硅压力变送器、信号选择器选用YR9033A-00-G-AL、PID调节器选用YR-GDA805-820-12-HLNN-N-P-T，如图1所示。
单晶硅压力变送器YR-ER102 信号选择器YR9033A-00-G-AL PID调节器YR-GDA805-820-12-HLNN-N-P-T
调节原理如下：泵进口调节器PIC100设计为正作用，其压力设定值为SP1；泵出口调节器PIC101设计为反作用，其压力设定值为SP2。
a、当PT100≥SP1时， 调节器PIC100输出信号增大，最大为20mA。
b、当PT100＜SP1时， 调节器PIC100输出信号减小。
c、当PT101≤SP2时， 调节器PIC100输出信号增大，最大为20mA。
d、当PT101＞SP2时， 调节器PIC101输出信号减小。
两个调节器的输出信号分别进入低值信号选择器PS101，选择器输出较小信号到电动调节阀MCV101，使调节阀在信号增大时 打开阀门，信号减小时关闭阀门。这样，当PT100＜SP1时，或当PT101＞SP2时，关小阀门，使泵前压力上升或阀后压力下降；反之，当PT100≥SP1时，或当PT101≤SP2时，开大阀门，使泵前压力下降或阀后压力上升。
当泵前压力高于设定值并且阀后压力低于设定值时，应使阀门处于全开状态。
在该系统中，PIC100、PIC101两个调节器均选用PID调节器，系统设有HIC101手作器，当系统切换到手动方式时，可在计算机上对电动调节阀门进行远方手动操作，并且系统具有自动/手动无扰切换功能。
⑦水位联锁保护功能
水池水位过低对输水系统的安全运行影响极大，严重时会造成设备损坏等事故。如始端水池过低，会造成排水泵抽空现象， 影响泵的寿命、甚至造成泵的损坏；如末端水池过低，造成南阳坡矿井井下生产缺水。为防止事故的发生和扩大，该工程设置水位保护功能。该功能有两步构成，第一步，当水位低达规定值时，发出信号，并使预防性的处理操作动作；第二步，当水位严重过低时，发出信号，使系统停止运行。保护框图如图5和图6所示。
图5 始端水池水位低保护框图
图6 末端水池水位低保护框图
⑧自动排泥功能
长距离输水工程中，由于系统内杂质的存在，长时间运行后，将会在管路内沉淀、淤积，甚至堵塞管路，影响系统正常运行，因此，自动化控制系统设置了自动排泥功能。
针对工艺系统在不同位置设置的4处排泥井，分别装设电动阀门，系统自动检测整个系统管路不同位置的压力，当检测到整个系统某处压力低一值时，系统报警，低二值、并且始端流量与末端流量均明显小于额定流量时，系统根据程序，判断出管路堵塞位置，发出指令，打开就近排泥井内的电动阀门，自动排泥，直至系统恢复正常压力。自动排泥逻辑框图如图7所示。
图7 自动排泥逻辑框图
⑨抗水击保护功能
流体在管路内流动，若液流断面上的流速和压强随时间不断发生变化，不能保持恒定运行，这时将会出现不稳定流动的情况。如果发生这种现象，管路压力发生瞬变，将会产生水击现象，危机管道及设备的安全，因此，应对水击采取压力保护措施。
常用的抗水击保护措施有泄放保护、超前保护、调节性保护和停泵保护等，根据本工程特点，利用电动排泥阀门进行泄放保护来抗水击损害。在系统某处出现水击增压波时，水击控制系统根据检测到的压力信号，利用在控制中心计算机中事先编制的保护动作程序，向就近的排泥阀门井发出保护动作指令，通过排泥阀门泄出一定数量的液体，从而削弱增压波，防止水击造成损害。
⑩管路检漏功能
长距离输水工程中，由于管路腐蚀、误操作、线路坍塌等原因，会造成管路泄漏现象。本工程在输水管路的首、末端分别装设电磁流量计，系统根据流量计返回的流量参数，结合管路压力测量，来判断管路是否发生泄漏。若首端流量明显大于末端流量、紧邻两处压力表的参数相差较大、并且上游压力远大于下游压力，系统将自动判断出泄漏点所在的位置，供运行人员处理泄漏事故。
长距离输水工程自动化控制系统采用的远程无线传输方式，技术先进、合理，将会成为长距离远程控制的发展方向。系统自运行以来，其操作方便、安全可靠，既少了操作员的误操作次数、又降低了运行人员的劳动强度，符合设计要求，得到了用户的好评。
本工程的压力自动调节系统是利用节流调节法、采用电动调节阀的方式完成的，从节能角度衡量，这种方式不如转速调节、 即利用变频器改变泵的转速这种方式节能，在以后的工程设计中， 可采用转速调节法来完成压力自动调节功能。
