南水北調(diào)中線工程抽排泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

謝廣東 管世珍

文章編號(hào)：1006-0081（2019）09-0037-04

摘要：高地下水位是南水北調(diào)中線工程總干渠設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題，尤其以全挖方和渠基透水性較強(qiáng)渠道更為突出，這些渠段襯砌層可能因其底面水壓力過(guò)大而產(chǎn)生浮動(dòng)破壞。以總干渠湯陰段渠段為例，對(duì)高地下水位存在的危害以及處理方法進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)地下水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的湯陰段抽排泵站。該系統(tǒng)采用傳感領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)監(jiān)控等領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)積水井的地下水位等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心建立TCP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)中心負(fù)責(zé)處理、存儲(chǔ)和分析來(lái)自各監(jiān)測(cè)井點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)。并控制各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。運(yùn)行管理人員通過(guò)APP軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位數(shù)據(jù)，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、能夠及時(shí)采集水位數(shù)據(jù)，在設(shè)備異常時(shí)報(bào)警，確保了抽排泵站在無(wú)人值守狀態(tài)下能夠安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：抽排泵站;自動(dòng)控制;高地下水位;總干渠;南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號(hào)：TV675

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.09.009

南水北調(diào)中線一期總干渠工程采用自流調(diào)水，渠道的布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是全挖方渠段受地質(zhì)條件影響較大，其中約470km渠段為高地下水渠段（地下水位高于渠底高程），渠道穿越高地下水區(qū)域，對(duì)于渠坡和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響非常大，直接影響渠道運(yùn)行安全。正確認(rèn)識(shí)高地下水位對(duì)渠道的危害和采取對(duì)應(yīng)的技術(shù)措施，是確保渠道安全的核心問(wèn)題。

1工程概況

湯陰段設(shè)計(jì)單元是南水北調(diào)中線一期工程總干渠Ⅳ渠段（黃河北-羑河北）的組成部分，位于Ⅳ渠段中黃羑段的最北部。湯陰段設(shè)計(jì)單元南起自鶴壁與湯陰交界處，與總干渠鶴壁段終點(diǎn)相連接，北接安陽(yáng)段的起點(diǎn)，位于羑河渠道倒虹吸出口10m處，起點(diǎn)總干渠設(shè)計(jì)樁號(hào)為Ⅳ175+432.8，終點(diǎn)設(shè)計(jì)樁號(hào)為Ⅳ196+749。

湯陰段渠段過(guò)水?dāng)嗝娌捎锰菪螖嗝?，按挖填分為全填方、半挖半填和全挖?種斷面型式。典型斷面見(jiàn)圖1-3。

對(duì)于全挖方渠道，襯砌前地下水位已接近或高于渠底，高地下水將造成以下3個(gè)方面危害。

（1）襯砌混凝土底部揚(yáng)壓力上升。由于渠道兩側(cè)地下水位恢復(fù)原有高度，導(dǎo)致襯砌混凝土底部揚(yáng)壓力較襯砌前大幅上升，對(duì)襯砌混凝土的邊坡穩(wěn)定性造成影響，易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等事故發(fā)生。

（2）襯砌混凝土脹裂。渠道開(kāi)挖時(shí)，土體干燥失水，體積收縮;襯砌完成后，地下水位上升，土體濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力，易導(dǎo)致混凝土脹裂。

（3）滑坡。地下水位變化造成土體膨脹、收縮的往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減，造成渠坡襯砌混凝土基礎(chǔ)承載力降低，引起滑坡等事故發(fā)生[1]。

基于上述危害，依據(jù)地下水情況，湯陰段工程采取現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，并設(shè)置橫向及縱向縫;填縫采用聚硫密封膠及聚乙烯泡沫塑料板，根據(jù)土層的滲透能力，設(shè)置土工膜加強(qiáng)防滲[2]。在總干渠樁號(hào)Ⅳ181+200和Ⅳ182+000渠道右岸設(shè)置了兩座抽排泵站。

2排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布置

泵站型式采用井筒式，井筒用導(dǎo)水鋼管與軟式透水管連接，以將軟式透水管內(nèi)匯集的地下水通過(guò)導(dǎo)水鋼管輸送至井筒內(nèi)。導(dǎo)水鋼管直徑為250mm，透水鋼管直徑為250mm。井筒材料為C20鋼筋混凝土，平面呈艮方形，內(nèi)部尺寸為3.0 mx5.0m，井壁頂部厚0.6m，底部厚1.0m，井筒底板厚1.2m。

泵室豎向結(jié)構(gòu)共分3層：①下部為檢修水泵泵室層，其高程根據(jù)導(dǎo)水鋼管高程降低2.5m左右確定，并設(shè)1臺(tái)移動(dòng)檢修泵。②中間層為工作泵泵室層，其高程為工作泵安裝高程下0.5m左右，該層上設(shè)置2臺(tái)工作泵，1用1備。③上部為工作平臺(tái)層，其高程略高于總干渠一級(jí)馬道高程，該層設(shè)置啟吊孔、檢修孔等。自動(dòng)泵抽排措施將水泵固定在積水井內(nèi)，一般情況下水泵不工作，根據(jù)地下水和渠道水位之差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽水。該措施適用于地下水位較高且連續(xù)較長(zhǎng)的渠段，這些渠段除設(shè)置抽排泵外，還設(shè)置了逆止閥進(jìn)行自流內(nèi)排。圖4為抽排泵站布置示意[3]。

抽排泵站無(wú)人值守，為確保時(shí)刻監(jiān)控渠道和地下水位情況，并在地下水位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，水泵能夠自動(dòng)啟停，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)改造，在Ⅳ181+200和Ⅳ182+000泵站增設(shè)2個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)安裝4套壓力式水位計(jì)及配套的無(wú)線采集發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)檢測(cè)水位和控制水泵運(yùn)行。

3自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)抽排泵站無(wú)人值守，保證遠(yuǎn)程控制的運(yùn)行安全，提高防范手段以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備設(shè)施、生產(chǎn)流程等工作進(jìn)行定期、定點(diǎn)、及時(shí)的監(jiān)測(cè)、檢查、維護(hù)，泵站增設(shè)了PLC控制系統(tǒng)、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。將采集到的強(qiáng)排泵站和抽排井的相關(guān)信息通過(guò)無(wú)線傳輸模式上傳至終端系統(tǒng)平臺(tái)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)抽排井及強(qiáng)排泵站的水位與運(yùn)行工況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。根據(jù)報(bào)警規(guī)則，生成水情報(bào)警及工況報(bào)警信息，管理人員可根據(jù)報(bào)警信息進(jìn)行接警及閉警處理。系統(tǒng)支持工藝畫(huà)面實(shí)時(shí)調(diào)用，終端無(wú)需額外安裝其他軟件，使用IE瀏覽器即可查看到相關(guān)工藝畫(huà)面;實(shí)現(xiàn)陳測(cè)地下水及渠道水位的動(dòng)態(tài)變化，為渠道的安全提供科學(xué)的決策依據(jù)。

3.1PLC控制柜組成及功能實(shí)現(xiàn)

PLC控制柜內(nèi)含：觸摸屏、PLC、斷路器、接觸器、繼電器、電機(jī)保護(hù)器、電流互感器、防雷浪涌保護(hù)器、電流電壓多功能電表、水位測(cè)量?jī)x表、溫濕度控制器、工業(yè)交換機(jī)、指示燈、按鈕等。

PLC控制柜可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制。在切換至自動(dòng)檔時(shí)，工作泵可通過(guò)觸摸屏設(shè)定的啟泵和停泵條件實(shí)現(xiàn)排水泵的正常啟、停，出現(xiàn)異常情況可以按下“急?！卑粹o緊急停機(jī)。當(dāng)出現(xiàn)異常情況和PLC故障時(shí)，切換至手動(dòng)檔，即可通過(guò)常規(guī)繼電器實(shí)現(xiàn)泵站的正常啟、停。工作泵具有2泵輪流啟動(dòng)，1臺(tái)泵故障，另1臺(tái)泵自動(dòng)啟動(dòng)互為備用的功能。

PLC控制柜與南水北調(diào)中線建管局（以下簡(jiǎn)稱“中線局”）數(shù)據(jù)接收服務(wù)器通信采用無(wú)線通信方式，數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器

泵站控制柜內(nèi)的PLC將采集到的水泵狀態(tài)信號(hào)，電壓、電流信號(hào)，渠道、集水井水位信號(hào)，經(jīng)以太網(wǎng)口（或串口）傳輸給4G無(wú)線路由器，通過(guò)路由器無(wú)線VPDN專網(wǎng)發(fā)送至中線局的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。

無(wú)線路由器電源取自PLC控制柜中的總控開(kāi)關(guān)，經(jīng)斷路器后到達(dá)直流穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源配備了2個(gè)，通過(guò)冗余模塊給路南器供電，當(dāng)1個(gè)電源故障時(shí)，另1個(gè)電源能夠繼續(xù)維持路由器供電。另外，電源部分配備了防雷浪涌保護(hù)器。

該項(xiàng)目中使用的SIM卡是中國(guó)移動(dòng)公司的無(wú)線VPDN專網(wǎng)卡。每張卡都具有固定的IP地址，便于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)應(yīng)每個(gè)站點(diǎn)的同定IP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于采用的是專網(wǎng)卡，因此能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.3遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備

該套設(shè)備由壓力式水位計(jì)、采集發(fā)射終端（含電池）、GPRS SIM卡、室外設(shè)備箱等組成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)射。

SUMMIT-W6000P3型壓力式遙測(cè)水位計(jì)由溫度壓力一體變送器、微功耗RTU、大容量可更換鋰離子電池和不銹鋼殼體組成，可按照設(shè)定的間隔時(shí)間喚醒并啟動(dòng)測(cè)量，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地大容量閃存中，并通過(guò)GPRS＼GSM發(fā)送至中心服務(wù)器。該水位計(jì)采用超低功耗設(shè)計(jì)，無(wú)需外部供電。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是建立在丌放型結(jié)構(gòu)的GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“開(kāi)放”體系，使系統(tǒng)易于擴(kuò)充和升級(jí)。該套設(shè)備具有非易失性FLASH存儲(chǔ)器，每4h存儲(chǔ)一次，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10a，便于后期維修時(shí)查看數(shù)據(jù)。

3.4觸摸屏的應(yīng)用

湯陰段抽排泵站采用施耐德觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了水泵運(yùn)行及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直觀顯示。

通過(guò)設(shè)置渠道與積水井水位差值，實(shí)現(xiàn)水泵從系統(tǒng)正常運(yùn)行開(kāi)始累計(jì)運(yùn)行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，最大累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為9.9x1O10min。

3.5軟件部分

抽排泵站自動(dòng)控制是一套綜合性控制系統(tǒng)，通過(guò)多種軟件實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程的監(jiān)控，主要有以下幾套軟件。

（1）南水北調(diào)中線干線工程強(qiáng)排泵站運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)及抽排井水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。

（2）強(qiáng)排泵站、抽排井信息采集管理APP系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)。

（3）強(qiáng)排泵站內(nèi)PLC軟件開(kāi)發(fā)及調(diào)試。

（4）強(qiáng)排泵站觸摸屏軟件丌發(fā)及調(diào)試。

4自動(dòng)控制功能

自動(dòng)控制功能可實(shí)現(xiàn)水泵相關(guān)的電壓、電流、有功、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與實(shí)時(shí)顯示，泵組運(yùn)行狀態(tài)、PLC運(yùn)行狀態(tài)、軟啟動(dòng)器保護(hù)裝置動(dòng)作狀態(tài)等的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和指示，還可實(shí)現(xiàn)水位測(cè)量、水泵自動(dòng)啟停、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

4.1水位測(cè)量

采用高精度、高質(zhì)量的CQF/RS485壓力類變送器，將傳感器采集壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，通過(guò)PLC處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。變送器采用專用集成電路及配件，具有穩(wěn)定性好、漂移小、精度高的特點(diǎn)。采用高性能MCU、高精度ADC，將壓力信號(hào)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，直觀監(jiān)測(cè)到集水井和渠道水位。

4.2水泵自動(dòng)啟停

利用水位傳感器檢測(cè)積水井和渠道水位高度，將兩組數(shù)據(jù)傳送給PLC，并和系統(tǒng)設(shè)定的排水閥值高度進(jìn)行比較，以此來(lái)判斷啟停排水泵的條件。若集水井和渠道水位變動(dòng)的差值超過(guò)規(guī)定閥值高度，PLC將發(fā)出啟動(dòng)水泵信號(hào)，抽排井水;當(dāng)水位下降至低于二者差值時(shí)，水泵自動(dòng)停止[4]。圖5為水泵自動(dòng)啟停技術(shù)路線圖。

4.3遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸

根據(jù)泵站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，定時(shí)將采集劍的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，包含實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)、規(guī)則配置、報(bào)警信息、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)信息等6個(gè)模塊，遠(yuǎn)程傳輸可實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）數(shù)據(jù)臨測(cè)。監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行電流、電壓、工作累計(jì)時(shí)間、渠道水位、集水井水位等參數(shù)。

（2）臨控中心及本地操作平臺(tái)人機(jī)界面以圖形和數(shù)據(jù)形式動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，顯示報(bào)警信息，且系統(tǒng)自動(dòng)保存，可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢歷史數(shù)據(jù)。

（3）監(jiān)控中心不斷采集集水井水泵運(yùn)行信息、傳感器數(shù)據(jù)等，將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)，并分析形成歷史曲線，以便查詢。

（4）用戶通過(guò)IE瀏覽器及手機(jī)App軟件查詢相關(guān)數(shù)據(jù)[5]。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)湯陰段高地下水渠段工程，采用PLC技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的集水井排水自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控于一體，具有數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制、故障報(bào)警等功能。

通過(guò)提出泵站自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)的總體方案，設(shè)計(jì)了科學(xué)合理的硬件和軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試并最終投運(yùn)。結(jié)果表明，該套自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高，有效控制和監(jiān)測(cè)全挖方渠段高地下水位，改進(jìn)運(yùn)行管理模式，從而實(shí)現(xiàn)了泵站無(wú)人值守。

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（編輯：李曉漾）

收稿日期：2019-04-02

作者簡(jiǎn)介：謝廣東，男，工程師，主要從事水利水電管理等方面的工作。E-mail：271095986@qq.com