水电站供水管线中工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）应用。某有压重力流供水工程按照间隔性大流量模式运行，通过末端调蓄水池保障供水。管线在暂停输水期间会处于恒压状态确保安全，而管线上的自动反冲洗过滤器会执行定时反冲洗程序破坏恒压状态，产生安全隐患。对该设备工作原理及管线运行工况进行分析并结合现场实际提出了相应的状态反馈以及启停控制策略，使全线所有电控阀门处于DCS监测与控制范围内，解决了过滤器本体中的电控阀门不受远端控制而自行动作以及阀门故障信息不能及时被操作人员获取所带来的安全隐患，提高了管线运行过程中的安全稳定性。
1工程概况
某供水工程采用大管径有压重力流的方式进行输水，全线长度超过100km，起终点之间落差超过200m，共计分为三个阶段进行消能减压。水流的消能减压功能主要由三处中间减压阀与三个阶段末端调流调压阀来实现。调流调压阀，主管线引至阀门控制腔的导压管相对细小，在运行过程中容易被水中杂质堵塞，而在阀前设置过滤器来减小水中杂质对阀门本体及压力控制的影响，延长阀门维护周期及寿命。
为了实现整个输水管道沿线的无人值守自动化运行，配套建设了集散型控制系统，采用离网式光伏配电系统为现场控制站供电。但具备自清洗功能的过滤器没有接入该控制系统（见图1），因此对现状进行分析，并提出改进方案。
2机身结构与功能
2.1工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）
工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）采用管道式安装，用以滤去水中3500μm~300μm粒径的各种硬质颗粒，并能够在运行过程中自动执行反冲洗程序清洗滤网，无需人工清洗。过滤器的机身结构见图2。
2.2电控箱
该设备的电控箱随机身整体安装，内部是一个采用AC220V/10A继电器直接输出电源的电机正反转联锁控制电路，共有三种控制方式，接入一路电源即可通过联锁控制电路带动反洗阀与排污阀电动执行器动作，实现反冲洗排污。
（1）时间控制：设置延时继电器时长，到时触发联锁电路。
（2）压差控制：设置压差开关定值，由过滤网前后因滤网堵塞而增加的压差触发联锁电路。
（3）手动控制：按下手动按钮，触发联锁电路。
（4）紧急停车：按下旋钮开关，断开联锁电路电源，阀门均回转至正常过滤的位置。
A-反洗阀执行器；B-压差开关；C-进水口；D-支架；E-电气控制箱；F-出水口；G-排污口；H-排污阀执行器。
3工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）管线状态及分析
3.1管线状态
（1）备用状态。在设计的运行方案中，两条管线一用一备，采用间隔性大流量的方式输水，通过末端水池蓄水实现管线暂停输水期间的水源供应，即两条管线均会处于一定时间段的备用状态。此时，管内充满了处于静止状态的水，管道内壁所受压力来自于水的自重。
（2）输水状态。在末端蓄水池水位较低时，启动管线三阶段末端的调流调压阀进入输水状态，管内水流量逐步升高至700m3/h。当末端蓄水池水位较高时，调流调压阀逐步调小流量，同时平抑管内产生的压力波动，直至关停。
3.2工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）反冲洗程序的触发
在备用状态下，过滤器的滤网上没有新的杂质附着，管内保持稳定的静水压力，滤网前后压差可以忽略不计，压差控制回路不会触发。但是定时控制元件在通电后即开始计时，到时则触发定时控制回路。
在输水状态下，过滤器的滤网前端截留的杂质持续增多导致水流量逐渐减小，则滤网前后压差持续增大，终触发压差控制回路。若压差控制回路在定时元件计时结束仍未触发，则触发定时控制回路。
原设计工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）电控箱的电源直接引自低压配电系统断路器，那么在管线运行过程中电控箱将持续处于通电状态，定时控制反冲洗可能会被无限次触发。
3.3触发后的影响
在负载调试的过程中，发现反冲洗过滤器在管线的两种运行状态下对管道产生了不同的影响，例如：备用状态下，二阶段末端减压阀前的静水压为0.8MPa，若过滤器开始执行反冲洗程序，排污阀打开后泄水，管道内即产生压力波动，在60s的排污过程中，峰值压力能够达到1.2MPa，此时的峰值压力是在管内水自重的基础上增加的水流冲量。当排污阀关闭后，管道在短时间内会发生较为严重的水锤，瞬时压力超过1.6MPa（就地压力表大读数为1.6MPa），而在峰值压力过后，主管道的旁路调压安全阀开始随动泄压，逐步使压力趋于稳定。
而在输水状态下，管内的输水流量远大于过滤器反冲洗时的排污流量。当过滤器开始反冲洗程序后，排污流量变化所导致的水锤效应仅会产生较小的压力波动。同时，调流调压阀处于开启状态，能够及时减小并逐渐平抑水流变化所产生的压力波动，并且主管线的流量越大，工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）所带来的影响就越小，因此管线内的水流压力处于一种可控状态，不会对安全运行产生较大影响。在备用状态下，反冲洗过程结束后的一波水锤对管线是危险的，且安全阀并不能够在大值出现前开始泄压。
3.4工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）故障后的影响
在运行过程中，过滤器的电控反洗阀及排污阀都可能因管道或水中的杂质卡住阀门或阀门本体故障，而出现阀门无法全开、关严等情况。但过滤器的电控箱未提供相应的控制电路或电控阀门的状态反馈接口，当阀门出现故障不能正常工作时，运维人员无法及时了解阀门状态。那么在备用状态下，若排污口未关严导致管内的水持续小流量高压外泄，则会造成管线前端空管，而大管径的重力流空管注水是一个较为危险的过程，应当规避。在输水状态下，可能会使过滤器内部堵塞导致管线流量下降，或者排污口持续泄水造成水源浪费，因此需要采取措施消除隐患。
4工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）改造实现状态反馈
为使设备状态能够远程观测，确保管线中所有电控阀门都处于DCS监控之下，对工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）的控制电路进行分析后认为：直接读取电动执行器本身的状态相对可靠，同时能够判断出过滤器的电控部分是否故障。
4.1电动执行器内部控制电路
电动执行器的一个动作周期约30s，内部由2组微动开关构成控制电路，在全开、全关的位置及时切断电源使电机停止，同时实现位置反馈（见图3）。
4.2阀门状态反馈
每台工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）有2个阀门，在5芯控制电缆中，采用3芯信号、1芯公共回流线的方式，可采集排污阀执行器中的开、关到位信号与反洗阀执行器中的关到位信号，线路接法见表1。将所获取的信号接入DCS系统的现场控制站开关量输入模块中，即实现整个过滤器状态信息的观测。
表1电动执行器接线表功能执行器接线位置点位类型末端接线位置零线（N）1N开阀电源2AC220V+过滤器电控箱关阀电源3AC220V+信号公共端（+）4DC24V+开到位5DIDCS现场控制柜关到位6DI阀门状态信号逻辑如下：
（1）排污阀处于中间状态（没有开到位也没有关到位）超过40s：严重故障，管线漏水，需要立即排查。
（2）排污阀开到位、反洗阀没有关到位：一般故障，反洗不彻底，需要排查。
（3）排污阀关到位、反洗阀关到位：一般故障，过滤器以非过滤状态运行。
（4）排污阀开到位、反洗阀关到位：正常反洗状态。
（5）排污阀关到位，反洗阀没有关到位状态信号：正常过滤状态，通过日常巡检观察反洗阀有没有开到位。
（6）排污阀、反洗阀进行一次动作的间隔时间小于定时器预定动作时间：执行了压差反冲洗程序。
5优化控制工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）启停
为确保管线在无人值守状态下的安全性，可以有两种优化改造方案：过滤器电源取自光伏配电系统，在配电系统馈线柜中增加接触器，由DCS系统直接对自清洗过滤器的电源实现控制。将电气联锁控制改为可编程逻辑控制。
5.1电源前端增加接触器
在工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）电源前端（馈线柜）增加单相接触器是相对简便、安全、可控的一种方式，既不改变原有功能，同时又可以新增过载保护。该方案有两种控制方式。
5.1.1现场条件
工程现场具备增加电源接触器后对工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）实现启停控制的基础条件，分析如下：
（1）工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）电控箱采用简单的AC220V电气联锁电路，该电路得电即进入初始状态开始进行控制，且频繁的通断电对其设备寿命的影响较小。
（2）调流调压阀是供水管线运行状态的主要控制设备，设备自带的PLC控制箱与DCS控制系统之间采用RS485与开关量并行的双通道通信方式，其中阀门开、关运行状态具有开关量反馈接口。
（3）馈线柜与DCS控制柜内均有相应的安装空间，且两柜相邻便于布线。
5.1.2调流调压阀控制
基于上述条件，在每个工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）总电源前端增加单相接触器，从调流调压阀送抵DCS控制柜的运行状态反馈继电器中取一路无源触点来控制接触器，即可在管线备用状态下停止过滤器动作（见图4）。
此时，联锁控制逻辑如下：
（1）工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）处于正常过滤状态时，调流调压阀关停，接触器断开，保持过滤状态。
（2）工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）排污阀处于反冲洗开阀过程时，调流调压阀逐步关停，接触器断开，排污阀半开，流量计监测到管线内依旧有水流动，同时由于阀门处于转动状态，流量的不同变化也会引起安全范围内的压力波动。当压力值达到调压安全阀的启动条件时，安全阀启动，接触器接通，排污阀得电后将关闭，而安全阀会持续的泄压直至平稳后关停。
（3）工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）处于反冲洗状态时。调流调压阀关停，接触器断开，此时的排污阀处于开阀状态，且当上述（4）过程中所引起的水锤达不到安全阀启动条件时，持续的流量应当触发故障报警，重启调流调压阀，工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）也随之重启使排污阀得电关闭。
5.1.3DCS控制
DCS控制柜中，单独采用逻辑联锁也能够实现对反冲洗过滤器的全自动控制（见图5）。联锁控制逻辑顺序如下：
（1）调流调压阀打开，管线进入输水状态，过滤器启动。
（2）调流调压阀关闭，管线回到备用状态，并检查过滤器状态（已实现状态反馈时）或检查流量计状态。
工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）处于反冲洗状态或排污阀开阀过程，或管道流量增大至5m3/h以上（流量大于管道允许泄露量）持续3s：启动并打开调压安全阀，预防将要来到的水锤；等待120s，反冲洗过程结束，断开过滤器电源，等待管线压力平稳后调压安全阀关闭，使管线保持安全状态。过滤器处于正常过滤状态，或流量计逐步减小至5m3/h以下持续10s，直接断开工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）电源。
5.2改为可编程逻辑控制
可编程逻辑控制器（PLC）作为当代主流的控制设备，相较于电气联锁控制电路具有体积小巧、性能稳定、扩展性好、可变更修改、控制精度高、逻辑功能较多、能够实现联网通信等优点，缺点是价格相对昂贵、对操作人员的要求较高。
采用此方案时，现场拆除工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）电控箱中的时间继电器及联锁电路，保留一个14脚继电器，既可采集工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）中两个阀门的状态进行控制，同时也具备了多种故障情况的分析与报警功能。而在施工方面，现场采用一根计算机电缆，由工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）电控箱接入到DCS现场控制柜的RS485集线端子中，即可与DCS控制系统进行通信，实现逻辑联锁控制。
通过对可靠性及经济性的比较，现场利用DCS现场控制站中预留的两路DI通道直接对相应阀门的电动执行器状态信息进行采集，以及并编译联锁逻辑采用预留的DO通道对设备的电源进行的控制，实现了管线中所有电控阀门的远程监控全覆盖，避免了在备用工况下阀门启闭所产生的水锤对管道的损害，并且对工业全自动滤水器（自动反冲洗过滤器）的电控阀门的异常状态向中控室发出报警信息，减轻了运行人员在恶劣环境下长距离巡检工作强度，为以后的工程实践提供参考。
