長距離輸水工程中調(diào)流閥精度控制
本文主要介紹了長距離輸水調(diào)度過程中流量調(diào)節(jié)閥的精度調(diào)節(jié)。通過介紹SCADA(即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)多級控制調(diào)度中德國VAG調(diào)流閥的三種控制方案的精度區(qū)別及誤差特點(diǎn)，不僅找到了提高調(diào)節(jié)精度的解決方法，而且還可為其他類似工程。
1、引言
長距離輸水工程的調(diào)流閥精度控制一直是困擾水利流量調(diào)度一個高難度的課題。對于大型及超大型輸水工程，輸水管路長，對流量調(diào)節(jié)的精度要求高。長距離輸水工程水力過程非常復(fù)雜，給輸水調(diào)度SCA-DA系統(tǒng)的控制過程提出來了很高的要求。對于重力流輸水工程，利用閥門開度增加局部水頭損失可降低管道壓力和調(diào)節(jié)管道流量。
本文講到的大伙房輸水工程全線共計十九臺調(diào)流閥，分布在二百多公里的管線上。調(diào)流閥驅(qū)動機(jī)構(gòu)均采用英國Rotork公司生產(chǎn)的電動頭，此電動頭屬于智能型執(zhí)行器，能提供力矩開關(guān)、開限位、關(guān)限位等硬接點(diǎn)的同時，根據(jù)選裝還可以配置通信卡，SCADA系統(tǒng)通過通信可以采集電動頭的啟閉方向、啟閉力矩、閥門位置等。同時，通過通信還可以對電動頭進(jìn)行全行程或位置控制。
2、系統(tǒng)概述
本工程上位機(jī)系統(tǒng)包括調(diào)度中心和調(diào)度分中心，下位機(jī)系統(tǒng)包括SCADA系統(tǒng)LCU和調(diào)流閥控制箱(見圖1)。調(diào)度中心可以通過調(diào)度分中心間接控制SCADA系統(tǒng)LCU，也可以通過備用鏈路直接控制SCADA系統(tǒng)LCU。SCADA系統(tǒng)配置了雙PLC構(gòu)架，調(diào)度分中心通過雙網(wǎng)與雙PLC進(jìn)行通信。SCADA系統(tǒng)分別通過IO硬接線和Modbus總線及調(diào)流閥控制箱對電動頭進(jìn)行控制。Modbus總線的載體為RS-485，RS-485為現(xiàn)場工業(yè)總線，RS-485工業(yè)總線為二線制傳輸，具有抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。
圖1 調(diào)流閥控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>
如上所述，控制系統(tǒng)對電動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(shè)備均為主備冗余。但是調(diào)節(jié)精度因為不同鏈路的影響而不同。
3、數(shù)據(jù)交互
調(diào)流閥控制箱PLC配置了模擬量模件和2個Modbus通信接口。調(diào)流閥控制箱通過1個Modbus通信接口與電動頭進(jìn)行通信。獲取電動頭的啟閉方向、啟閉力矩、閥門位置等所有信息及對電動頭進(jìn)行控制。調(diào)流閥控制箱配有觸摸屏，運(yùn)行人員可以在現(xiàn)場對調(diào)流閥進(jìn)行控制。SCADA系統(tǒng)LCU配置了開關(guān)量輸入模件、開關(guān)量輸出模件、模擬量模件及Modbus通信接口。因為電動頭只選配了Modbus通信接口，所以閥門位置信號只有調(diào)流閥控制箱的PLC能采集到。
3.1、SCADA系統(tǒng)獲取閥門位置信號的途徑及特點(diǎn)
(1)通過與調(diào)流閥控制箱的PLC進(jìn)行Modbus通信獲得，獲得的數(shù)值誤差為零，但是因為通信造成了時間延遲(3s左右)。
(2)調(diào)流閥控制箱的PLC把開度換算成模擬量，通過輸出模擬量供SCADA系統(tǒng)采集，時間響應(yīng)及時(小于1s)。
3.2、SCADA系統(tǒng)獲取閥門限位信號的途徑及特點(diǎn)
(1)通過IO硬接線信號直接采集，不受調(diào)流閥控制箱的PLC的影響，可靠性和及時性都非常高。
(2)通過與調(diào)流閥控制箱的PLC進(jìn)行Modbus通信獲得，可靠性和及時性都較差。
3.3 SCADA系統(tǒng)對電動頭進(jìn)行全開全關(guān)控制的途徑及特點(diǎn)
(1)通過IO硬接線信號直接控制，不受調(diào)流閥控制箱的PLC的影響，可靠性和及時性都非常高。
(2)通過與調(diào)流閥控制箱的PLC進(jìn)行Modbus通信控制，可靠性和及時性都較差。
3.4、SCADA系統(tǒng)對電動頭進(jìn)行位置控制的途徑及特點(diǎn)
(1)通過IO硬接線信號直接控制，SCADA系統(tǒng)通過模擬量輸出模件直接把位置換算成電流信號，調(diào)流閥控制箱PLC根據(jù)采集到的信號進(jìn)行控制，此方法不可行，因為調(diào)流閥控制箱PLC不容易區(qū)分小開度和信號干擾。
(2)SCADA系統(tǒng)把目標(biāo)開度與調(diào)流閥控制箱的PLC通信采集到開度的對比，確定閥門的動作性質(zhì)，實(shí)際的開停是通過IO硬接線來實(shí)現(xiàn)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(tǒng)根據(jù)目標(biāo)開度與調(diào)流閥控制箱的PLC輸出的模擬量開度的對比，確定閥門的動作性質(zhì)，實(shí)際的開停是通過IO硬接線來實(shí)現(xiàn)的，這種方法的可靠性較好，時間延遲造成的誤差也很小。
(4)SCADA系統(tǒng)把目標(biāo)開度通過Modbus通信直接下發(fā)到調(diào)流閥控制箱的PLC里，調(diào)流閥控制箱的PLC再把此值直接下發(fā)到電動頭里，電動頭根據(jù)當(dāng)前位置進(jìn)行自動調(diào)節(jié)控制。實(shí)際的開停是通過電動頭自己來實(shí)現(xiàn)的，這種方法因為全是通信控制(需要進(jìn)行控制確認(rèn)的邏輯判斷)所以可靠性不是很高，停閥等動作響應(yīng)比較遲緩，但是誤差很小。
根據(jù)上述特點(diǎn)，選擇不同的方式可以配比出來幾種不同的方案，SCADA系統(tǒng)經(jīng)過多次調(diào)試得出結(jié)論，全行程的控制采用IO硬接線進(jìn)行直接控制較合理。位置控制的控制方案有三種選擇，另外開發(fā)微調(diào)功能，彌補(bǔ)精度調(diào)節(jié)的不足。
4、控制方案
4.1、基于通信采集的開度
本方案開度誤差在1%～1.7%之間，其中也受電動頭自身誤差(大于等于1%)的影響。
首先，SCADA系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)開度，并與調(diào)流閥當(dāng)前開度(由調(diào)流閥控制箱PLC通信送來)進(jìn)行比較，確定調(diào)流閥開度需要增大還是減少;SCADA系統(tǒng)通過I/O信號線控制電動頭的開、關(guān)、停(此步無誤差)。SCADA系統(tǒng)在線比較設(shè)定開度和實(shí)際開度，當(dāng)實(shí)際開度達(dá)到設(shè)定開度時，停止調(diào)流閥開(或關(guān))操作(經(jīng)調(diào)試觀察，本方式開度誤差在1.2%～1.7%之間)。
開閥過程：首先SCADA系統(tǒng)通過I/O信號線給閥門發(fā)送開啟命令，并通過modbus總線監(jiān)視閥門的開度，當(dāng)開度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，通過I/O信號線給閥門發(fā)送停止命令。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電動頭對SCADA系統(tǒng)開關(guān)閥命令的執(zhí)行很到位，但是停閥命令的執(zhí)行會有一定延遲，對閥門開度造成0.5%以內(nèi)的誤差。調(diào)流閥控制箱設(shè)備的故障對開關(guān)停閥門的影響較小，在調(diào)流閥控制箱設(shè)備故障的時候也能及時進(jìn)行開關(guān)停閥控制(只是實(shí)現(xiàn)不了開度的預(yù)置)，安全性較好。缺點(diǎn)是開度誤差較大，不滿足工程調(diào)節(jié)要求。本方案只能實(shí)現(xiàn)調(diào)流閥的簡單開關(guān)停及預(yù)置開度控制，精度比其他兩種方案差，響應(yīng)速度也比較遲緩。如圖2所示。
圖2 基于通信采集的開度的控制方案
4.2、基于模擬量采集的開度
本方案開度誤差在0%～0.4%之間，其中也受電動頭自身誤差(大于等于1%)的影響。
首先，SCADA系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)開度，并與調(diào)流閥當(dāng)前開度(由調(diào)流閥控制箱PLC的模擬量送來)進(jìn)行比較，確定調(diào)流閥開度需要增大還是減少;SCADA系統(tǒng)通過I/O信號線控制電動頭的開、關(guān)、停(此步無誤差)。SCADA系統(tǒng)在線比較設(shè)定開度和實(shí)際開度，當(dāng)實(shí)際開度達(dá)到設(shè)定開度時，停止調(diào)流閥開(或關(guān))操作(經(jīng)調(diào)試觀察，本方式開度誤差在0%～0.4%之間)。
開閥過程：首先SCADA系統(tǒng)通過I/O信號線給閥門發(fā)送開啟命令，并通過調(diào)流閥控制箱PLC反送上來的模擬量監(jiān)視閥門的開度，當(dāng)開度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，通過I/O信號線給閥門發(fā)送停止命令。對于運(yùn)行越慢的閥，誤差也越小。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電動頭對SCADA系統(tǒng)開關(guān)閥命令的執(zhí)行很到位，停閥命令的執(zhí)行響應(yīng)也比較及時，對閥門開度造成0.4%以內(nèi)的誤差。此誤差可以通過微調(diào)功能進(jìn)行小范圍調(diào)節(jié)，最終誤差可以控制在0.1%以內(nèi)。調(diào)流閥控制箱設(shè)備的故障對開關(guān)停閥門的影響較小，在調(diào)流閥控制箱設(shè)備故障的時候也能及時進(jìn)行開關(guān)停閥控制，安全性較好。缺點(diǎn)是本方案只能實(shí)現(xiàn)調(diào)流閥的簡單開關(guān)停及預(yù)置開度控制，同時對調(diào)流閥控制箱PLC有一定的依賴性。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度的控制方案
4.3、基于通信開度的直接寫入
Rotork執(zhí)行器內(nèi)部裝有死區(qū)微調(diào)電位器，用來調(diào)整執(zhí)行器的死區(qū)，死區(qū)在運(yùn)行中非常重要，認(rèn)真地確定好死區(qū)，可減小執(zhí)行器的振蕩，以延長執(zhí)行器的壽命[4]。根據(jù)死區(qū)設(shè)置的大小不同，本方式開度調(diào)節(jié)誤差0.1%～10%之間。將死區(qū)參數(shù)設(shè)為最小即可達(dá)0.1%的誤差。
第一步，SCADA系統(tǒng)通過modbus總線首先把開度發(fā)送給調(diào)流閥控制箱(此步無誤差)。
第二步，調(diào)流閥控制箱再通過modbus總線把開度設(shè)值直接發(fā)送給電動頭，智能型的電動頭具備自我調(diào)節(jié)的能力，它按照相應(yīng)的開度進(jìn)行開啟或關(guān)閉。
這種方案的優(yōu)點(diǎn)是SCADA系統(tǒng)控制簡單，總誤差為0.1%，精度比其他兩種方案高，且精度不受閥門大小的限制。缺點(diǎn)是因為modbus通信影響，接受命令的響應(yīng)遲緩，需要增加確認(rèn)標(biāo)志控制命令的下發(fā)。另外需要通過modbus通信的停命令實(shí)現(xiàn)閥門的停閥操作。所以停閥的響應(yīng)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 、基于脈沖開出的微調(diào)
為了彌補(bǔ)第二種控制方案的不足，SCADA系統(tǒng)增加微調(diào)功能。通過上位機(jī)系統(tǒng)直接下發(fā)一個帶脈沖時間的開出命令。SCADA系統(tǒng)的下位機(jī)PLC通過開出模件把500ms的開出命令發(fā)出，繼電器執(zhí)行500ms的動作。電動頭接受到后進(jìn)行點(diǎn)動運(yùn)行，通過微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)閥門逐步接近目標(biāo)開度。經(jīng)過多次調(diào)試，驗證誤差能控制在0%～0.1%以內(nèi)，而且微調(diào)功能不受其他方案和調(diào)流閥控制箱PLC的限制。
圖4 基于通信開度的直接寫入的控制方案
5、方案比較
根據(jù)運(yùn)行要求，需要選擇兩種可行方案作為調(diào)流閥調(diào)節(jié)的控制方案。第一種方案因為誤差較大，需要多次微調(diào)才能達(dá)到目標(biāo)要求，另外對于小開度的調(diào)節(jié)比較困能，故這種方案實(shí)用性不高。第二種方案調(diào)節(jié)精度在0%～0.4%之間，它響應(yīng)時間快，安全性較好，對于精度的誤差可以通過微調(diào)功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以實(shí)用性較高。第三種方案調(diào)節(jié)誤差固定為0.1%，精度滿足要求，但是響應(yīng)遲緩，停閥操作不及時，安全性不高。綜合以上問題，把第二種方案作為主方案配合微調(diào)使用，同時把第三種方案作為備用方案是比較合理的。在上位機(jī)增加方案選擇按鈕，SCADA系統(tǒng)PLC根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的方案選擇來確定使用哪種方案。
