長(cháng)距離輸水工程中調流閥精度控制

　　本文主要介紹了長(cháng)距離輸水調度過(guò)程中流量調節閥的精度調節。通過(guò)介紹SCADA(即數據采集與監視控制)系統多級控制調度中德國VAG調流閥的三種控制方案的精度區別及誤差特點(diǎn)，不僅找到了提高調節精度的解決方法，而且還可為其他類(lèi)似工程。

1、引言

　　長(cháng)距離輸水工程的調流閥精度控制一直是困擾水利流量調度一個(gè)高難度的課題。對于大型及超大型輸水工程，輸水管路長(cháng)，對流量調節的精度要求高。長(cháng)距離輸水工程水力過(guò)程非常復雜，給輸水調度SCA-DA系統的控制過(guò)程提出來(lái)了很高的要求。對于重力流輸水工程，利用閥門(mén)開(kāi)度增加局部水頭損失可降低管道壓力和調節管道流量。

　　本文講到的大伙房輸水工程全線(xiàn)共計十九臺調流閥，分布在二百多公里的管線(xiàn)上。調流閥驅動(dòng)機構均采用英國Rotork公司生產(chǎn)的電動(dòng)頭，此電動(dòng)頭屬于智能型執行器，能提供力矩開(kāi)關(guān)、開(kāi)限位、關(guān)限位等硬接點(diǎn)的同時(shí)，根據選裝還可以配置通信卡，SCADA系統通過(guò)通信可以采集電動(dòng)頭的啟閉方向、啟閉力矩、閥門(mén)位置等。同時(shí)，通過(guò)通信還可以對電動(dòng)頭進(jìn)行全行程或位置控制。

2、系統概述

　　本工程上位機系統包括調度中心和調度分中心，下位機系統包括SCADA系統LCU和調流閥控制箱(見(jiàn)圖1)。調度中心可以通過(guò)調度分中心間接控制SCADA系統LCU，也可以通過(guò)備用鏈路直接控制SCADA系統LCU。SCADA系統配置了雙PLC構架，調度分中心通過(guò)雙網(wǎng)與雙PLC進(jìn)行通信。SCADA系統分別通過(guò)IO硬接線(xiàn)和Modbus總線(xiàn)及調流閥控制箱對電動(dòng)頭進(jìn)行控制。Modbus總線(xiàn)的載體為RS-485，RS-485為現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)，RS-485工業(yè)總線(xiàn)為二線(xiàn)制傳輸，具有抗干擾強、傳輸距離遠等特點(diǎn)，廣泛應用在工業(yè)控制領(lǐng)域。

圖1 調流閥控制網(wǎng)絡(luò )拓撲示意

　　如上所述，控制系統對電動(dòng)頭的控制的安全性是非常高的，所有的鏈路均為雙鏈路，所有的設備均為主備冗余。但是調節精度因為不同鏈路的影響而不同。

3、數據交互

　　調流閥控制箱PLC配置了模擬量模件和2個(gè)Modbus通信接口。調流閥控制箱通過(guò)1個(gè)Modbus通信接口與電動(dòng)頭進(jìn)行通信。獲取電動(dòng)頭的啟閉方向、啟閉力矩、閥門(mén)位置等所有信息及對電動(dòng)頭進(jìn)行控制。調流閥控制箱配有觸摸屏，運行人員可以在現場(chǎng)對調流閥進(jìn)行控制。SCADA系統LCU配置了開(kāi)關(guān)量輸入模件、開(kāi)關(guān)量輸出模件、模擬量模件及Modbus通信接口。因為電動(dòng)頭只選配了Modbus通信接口，所以閥門(mén)位置信號只有調流閥控制箱的PLC能采集到。

　　3.1、SCADA系統獲取閥門(mén)位置信號的途徑及特點(diǎn)

　　(1)通過(guò)與調流閥控制箱的PLC進(jìn)行Modbus通信獲得，獲得的數值誤差為零，但是因為通信造成了時(shí)間延遲(3s左右)。

　　(2)調流閥控制箱的PLC把開(kāi)度換算成模擬量，通過(guò)輸出模擬量供SCADA系統采集，時(shí)間響應及時(shí)(小于1s)。

　　3.2、SCADA系統獲取閥門(mén)限位信號的途徑及特點(diǎn)

　　(1)通過(guò)IO硬接線(xiàn)信號直接采集，不受調流閥控制箱的PLC的影響，可靠性和及時(shí)性都非常高。

　　(2)通過(guò)與調流閥控制箱的PLC進(jìn)行Modbus通信獲得，可靠性和及時(shí)性都較差。

　　3.3 SCADA系統對電動(dòng)頭進(jìn)行全開(kāi)全關(guān)控制的途徑及特點(diǎn)

　　(1)通過(guò)IO硬接線(xiàn)信號直接控制，不受調流閥控制箱的PLC的影響，可靠性和及時(shí)性都非常高。

　　(2)通過(guò)與調流閥控制箱的PLC進(jìn)行Modbus通信控制，可靠性和及時(shí)性都較差。

　　3.4、SCADA系統對電動(dòng)頭進(jìn)行位置控制的途徑及特點(diǎn)

　　(1)通過(guò)IO硬接線(xiàn)信號直接控制，SCADA系統通過(guò)模擬量輸出模件直接把位置換算成電流信號，調流閥控制箱PLC根據采集到的信號進(jìn)行控制，此方法不可行，因為調流閥控制箱PLC不容易區分小開(kāi)度和信號干擾。

　　(2)SCADA系統把目標開(kāi)度與調流閥控制箱的PLC通信采集到開(kāi)度的對比，確定閥門(mén)的動(dòng)作性質(zhì)，實(shí)際的開(kāi)停是通過(guò)IO硬接線(xiàn)來(lái)實(shí)現的，這種方法的可靠性較好，但是因為Modbus通信的延遲造成誤差較大。

　　(3)SCADA系統根據目標開(kāi)度與調流閥控制箱的PLC輸出的模擬量開(kāi)度的對比，確定閥門(mén)的動(dòng)作性質(zhì)，實(shí)際的開(kāi)停是通過(guò)IO硬接線(xiàn)來(lái)實(shí)現的，這種方法的可靠性較好，時(shí)間延遲造成的誤差也很小。

　　(4)SCADA系統把目標開(kāi)度通過(guò)Modbus通信直接下發(fā)到調流閥控制箱的PLC里，調流閥控制箱的PLC再把此值直接下發(fā)到電動(dòng)頭里，電動(dòng)頭根據當前位置進(jìn)行自動(dòng)調節控制。實(shí)際的開(kāi)停是通過(guò)電動(dòng)頭自己來(lái)實(shí)現的，這種方法因為全是通信控制(需要進(jìn)行控制確認的邏輯判斷)所以可靠性不是很高，停閥等動(dòng)作響應比較遲緩，但是誤差很小。

　　根據上述特點(diǎn)，選擇不同的方式可以配比出來(lái)幾種不同的方案，SCADA系統經(jīng)過(guò)多次調試得出結論，全行程的控制采用IO硬接線(xiàn)進(jìn)行直接控制較合理。位置控制的控制方案有三種選擇，另外開(kāi)發(fā)微調功能，彌補精度調節的不足。

4、控制方案

　　4.1、基于通信采集的開(kāi)度

　　本方案開(kāi)度誤差在1%～1.7%之間，其中也受電動(dòng)頭自身誤差(大于等于1%)的影響。

　　首先，SCADA系統根據設定的目標開(kāi)度，并與調流閥當前開(kāi)度(由調流閥控制箱PLC通信送來(lái))進(jìn)行比較，確定調流閥開(kāi)度需要增大還是減少;SCADA系統通過(guò)I/O信號線(xiàn)控制電動(dòng)頭的開(kāi)、關(guān)、停(此步無(wú)誤差)。SCADA系統在線(xiàn)比較設定開(kāi)度和實(shí)際開(kāi)度，當實(shí)際開(kāi)度達到設定開(kāi)度時(shí)，停止調流閥開(kāi)(或關(guān))操作(經(jīng)調試觀(guān)察，本方式開(kāi)度誤差在1.2%～1.7%之間)。

　　開(kāi)閥過(guò)程：首先SCADA系統通過(guò)I/O信號線(xiàn)給閥門(mén)發(fā)送開(kāi)啟命令，并通過(guò)modbus總線(xiàn)監視閥門(mén)的開(kāi)度，當開(kāi)度達到預設值時(shí)，通過(guò)I/O信號線(xiàn)給閥門(mén)發(fā)送停止命令。

　　這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)頭對SCADA系統開(kāi)關(guān)閥命令的執行很到位，但是停閥命令的執行會(huì )有一定延遲，對閥門(mén)開(kāi)度造成0.5%以?xún)鹊恼`差。調流閥控制箱設備的故障對開(kāi)關(guān)停閥門(mén)的影響較小，在調流閥控制箱設備故障的時(shí)候也能及時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)停閥控制(只是實(shí)現不了開(kāi)度的預置)，安全性較好。缺點(diǎn)是開(kāi)度誤差較大，不滿(mǎn)足工程調節要求。本方案只能實(shí)現調流閥的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)停及預置開(kāi)度控制，精度比其他兩種方案差，響應速度也比較遲緩。如圖2所示。

圖2 基于通信采集的開(kāi)度的控制方案

　　4.2、基于模擬量采集的開(kāi)度

　　本方案開(kāi)度誤差在0%～0.4%之間，其中也受電動(dòng)頭自身誤差(大于等于1%)的影響。

　　首先，SCADA系統根據設定的目標開(kāi)度，并與調流閥當前開(kāi)度(由調流閥控制箱PLC的模擬量送來(lái))進(jìn)行比較，確定調流閥開(kāi)度需要增大還是減少;SCADA系統通過(guò)I/O信號線(xiàn)控制電動(dòng)頭的開(kāi)、關(guān)、停(此步無(wú)誤差)。SCADA系統在線(xiàn)比較設定開(kāi)度和實(shí)際開(kāi)度，當實(shí)際開(kāi)度達到設定開(kāi)度時(shí)，停止調流閥開(kāi)(或關(guān))操作(經(jīng)調試觀(guān)察，本方式開(kāi)度誤差在0%～0.4%之間)。

　　開(kāi)閥過(guò)程：首先SCADA系統通過(guò)I/O信號線(xiàn)給閥門(mén)發(fā)送開(kāi)啟命令，并通過(guò)調流閥控制箱PLC反送上來(lái)的模擬量監視閥門(mén)的開(kāi)度，當開(kāi)度達到預設值時(shí)，通過(guò)I/O信號線(xiàn)給閥門(mén)發(fā)送停止命令。對于運行越慢的閥，誤差也越小。

　　這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)頭對SCADA系統開(kāi)關(guān)閥命令的執行很到位，停閥命令的執行響應也比較及時(shí)，對閥門(mén)開(kāi)度造成0.4%以?xún)鹊恼`差。此誤差可以通過(guò)微調功能進(jìn)行小范圍調節，最終誤差可以控制在0.1%以?xún)�。調流閥控制箱設備的故障對開(kāi)關(guān)停閥門(mén)的影響較小，在調流閥控制箱設備故障的時(shí)候也能及時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)停閥控制，安全性較好。缺點(diǎn)是本方案只能實(shí)現調流閥的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)停及預置開(kāi)度控制，同時(shí)對調流閥控制箱PLC有一定的依賴(lài)性。綜合其他兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本方案是最優(yōu)越的。如圖3所示。

圖3 基于模擬量采集的開(kāi)度的控制方案

　　4.3、基于通信開(kāi)度的直接寫(xiě)入

　　Rotork執行器內部裝有死區微調電位器，用來(lái)調整執行器的死區，死區在運行中非常重要，認真地確定好死區，可減小執行器的振蕩，以延長(cháng)執行器的壽命[4]。根據死區設置的大小不同，本方式開(kāi)度調節誤差0.1%～10%之間。將死區參數設為最小即可達0.1%的誤差。

　　第一步，SCADA系統通過(guò)modbus總線(xiàn)首先把開(kāi)度發(fā)送給調流閥控制箱(此步無(wú)誤差)。

　　第二步，調流閥控制箱再通過(guò)modbus總線(xiàn)把開(kāi)度設值直接發(fā)送給電動(dòng)頭，智能型的電動(dòng)頭具備自我調節的能力，它按照相應的開(kāi)度進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉。

　　這種方案的優(yōu)點(diǎn)是SCADA系統控制簡(jiǎn)單，總誤差為0.1%，精度比其他兩種方案高，且精度不受閥門(mén)大小的限制。缺點(diǎn)是因為modbus通信影響，接受命令的響應遲緩，需要增加確認標志控制命令的下發(fā)。另外需要通過(guò)modbus通信的停命令實(shí)現閥門(mén)的停閥操作。所以停閥的響應也是比較遲緩的。安全性較其他兩種方案差。如圖4所示。

　　4.4 、基于脈沖開(kāi)出的微調

　　為了彌補第二種控制方案的不足，SCADA系統增加微調功能。通過(guò)上位機系統直接下發(fā)一個(gè)帶脈沖時(shí)間的開(kāi)出命令。SCADA系統的下位機PLC通過(guò)開(kāi)出模件把500ms的開(kāi)出命令發(fā)出，繼電器執行500ms的動(dòng)作。電動(dòng)頭接受到后進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)運行，通過(guò)微調可以實(shí)現閥門(mén)逐步接近目標開(kāi)度。經(jīng)過(guò)多次調試，驗證誤差能控制在0%～0.1%以?xún)�，而且微調功能不受其他方案和調流閥控制箱PLC的限制。

圖4 基于通信開(kāi)度的直接寫(xiě)入的控制方案

5、方案比較

　　根據運行要求，需要選擇兩種可行方案作為調流閥調節的控制方案。第一種方案因為誤差較大，需要多次微調才能達到目標要求，另外對于小開(kāi)度的調節比較困能，故這種方案實(shí)用性不高。第二種方案調節精度在0%～0.4%之間，它響應時(shí)間快，安全性較好，對于精度的誤差可以通過(guò)微調功能進(jìn)行調節。所以實(shí)用性較高。第三種方案調節誤差固定為0.1%，精度滿(mǎn)足要求，但是響應遲緩，停閥操作不及時(shí)，安全性不高。綜合以上問(wèn)題，把第二種方案作為主方案配合微調使用，同時(shí)把第三種方案作為備用方案是比較合理的。在上位機增加方案選擇按鈕，SCADA系統PLC根據上位機下發(fā)的方案選擇來(lái)確定使用哪種方案。