自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)在簸箕李灌區(qū)中的應(yīng)用

魏守民，徐建輝

（濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，山東 濱州 251700）

簸箕李引黃灌區(qū)位于黃河下游左岸，山東省濱州市西部,南依黃河、北抵渤海，南北長(zhǎng)130 km，東西平均寬17 km，設(shè)計(jì)灌溉面積10.90萬(wàn)hm2，有效灌溉面積5.13萬(wàn)hm2，是山東省大型引黃灌區(qū)之一。灌區(qū)涉及惠民、陽(yáng)信、無(wú)棣3 縣24個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、103萬(wàn)人。經(jīng)過(guò)50年的建設(shè)，灌排系統(tǒng)已初具規(guī)模，具備一定的引、蓄、供、排能力。通過(guò)黃淮海農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)和世界銀行貸款項(xiàng)目的實(shí)施，形成了較完整的引水、輸水、蓄水和灌溉示范四大工程體系，年水利凈效益達(dá)3億元。灌區(qū)引黃干渠全長(zhǎng)145.5 km，總干渠設(shè)計(jì)過(guò)水流量75 m3/s，加大流量85 m3/s。目前，干級(jí)渠道上設(shè)有4個(gè)縣界測(cè)流站、5個(gè)渠道管理所，同時(shí)在總干渠、一干渠、二干渠的進(jìn)出水口和縣界水量交接處及部分重要渠段、支渠引水口等共設(shè)有水沙測(cè)試取樣站點(diǎn)20個(gè)，基本涵蓋了灌區(qū)骨干渠系不同設(shè)計(jì)斷面參數(shù)情況下水沙運(yùn)行的不同模式，自上而下形成了灌區(qū)的測(cè)水量水網(wǎng)絡(luò)。

灌區(qū)自1959年興建以來(lái)，先后經(jīng)歷了采用浮標(biāo)及建筑物經(jīng)驗(yàn)曲線量水、人工吊流速儀配鉛魚(yú)測(cè)水和水文纜道自動(dòng)化測(cè)水。目前，灌區(qū)的測(cè)流方法為：縣界測(cè)流站采用流速儀測(cè)水，測(cè)流點(diǎn)采用建筑物量水、流速儀校核。2001年，灌區(qū)石皮測(cè)流站率先安裝了EKL—1 水文纜道綜合控制臺(tái)，建成了由纜道、水文絞車、流速儀、聯(lián)機(jī)通訊模塊和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的半自動(dòng)測(cè)流平臺(tái)，可以進(jìn)行半自動(dòng)和手動(dòng)測(cè)流控制。其他測(cè)流站點(diǎn)的自動(dòng)化測(cè)流設(shè)備還有待于進(jìn)一步配套完善。為適應(yīng)新形勢(shì)下灌區(qū)管理和改革的需要，建設(shè)節(jié)水生態(tài)型現(xiàn)代灌區(qū)，逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水沙監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、科技化的目標(biāo)，需研制一套適應(yīng)黃河水特性的全新、智能化的水量測(cè)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)構(gòu)架

利用灌區(qū)信息化建設(shè)的契機(jī)，經(jīng)過(guò)綜合考察和調(diào)研，簸箕李灌區(qū)管理局與一公司合作，開(kāi)發(fā)出了一套契合灌區(qū)渠道測(cè)流的自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)。此套系統(tǒng)安裝在簸箕李灌區(qū)二干渠陳謝測(cè)流站，控制室設(shè)在陳謝站綜合辦公樓二樓，測(cè)流方法采用國(guó)內(nèi)外廣泛采用的流速儀法。與此系統(tǒng)配套的測(cè)流標(biāo)準(zhǔn)斷面為梯形明渠，渠段采用混凝土板全斷面護(hù)砌，幾何尺寸為：底寬17 m，渠口寬28.2 m，邊坡1︰2，渠底比降1/7 000，設(shè)計(jì)水深2.2 m。

1.1 測(cè)流系統(tǒng)組成

測(cè)流系統(tǒng)由行車軌道、測(cè)流車、水位測(cè)量裝置、行車限位裝置、無(wú)線通訊設(shè)備、PLC處理器、控制計(jì)算機(jī)及上位軟件等8 部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1）行車軌道。由橫跨渠道兩岸的鋼結(jié)構(gòu)桁架拼裝而成，用于測(cè)流車行走。桁架底面安裝供電導(dǎo)軌，為測(cè)流車供電。

2）測(cè)流車。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、行車傳感器、鉛魚(yú)、收放電機(jī)、收線器、限位開(kāi)關(guān)、位移傳感器、流速儀、控制箱、護(hù)罩等部件組裝而成，可在行車導(dǎo)軌上順暢行走。其工作原理：當(dāng)操作員控制測(cè)流車行走時(shí)，控制箱收到指令，S7-200PLC 控制主電路接觸器吸合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，測(cè)流車行走，行車編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量車行走距離；當(dāng)操作員控制收放鉛魚(yú)時(shí)，S7-200PLC 控制次電路接觸器吸合，收放電機(jī)控制鉛魚(yú)下放或收起，位移傳感器實(shí)測(cè)鉛魚(yú)移動(dòng)距離，當(dāng)鉛魚(yú)下放探底或回收到位后，限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，收放電機(jī)自動(dòng)停止。本系統(tǒng)流速儀采用旋槳式流速儀。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3）水位測(cè)量裝置。由超聲波液位計(jì)、支架、自收纜浮子水位計(jì)、保護(hù)桶、水尺6 部分組成。

4）行車限位裝置。包括前、后兩組動(dòng)輪組成，用于測(cè)流車行走到位后自動(dòng)停車，防止行車超限。

5）無(wú)線通訊設(shè)備。采用美國(guó)Ubiquiti Networks 公司的無(wú)線網(wǎng)橋NanoStation5，一體化外殼設(shè)計(jì)，通過(guò)網(wǎng)線POE 方式供電。NanoStation5 是ISM（5.8GHz）頻段無(wú)線產(chǎn)品，體積小、重量輕、功能實(shí)用、性能穩(wěn)定、為一款性價(jià)比較高的室外型無(wú)線網(wǎng)橋。

6）PLC處理器。采用主、從兩級(jí)控制工作模式。主站為S7-300 系列PLC 模塊，安裝在測(cè)流室控制柜內(nèi)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)渠道水位深度，并與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；從站為S7-200 模塊，安裝在測(cè)流車控制箱內(nèi)，用于控制測(cè)流車行走、鉛魚(yú)收放等動(dòng)作，采集行車和鉛魚(yú)位移傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)。主、從站的數(shù)據(jù)交互利用是無(wú)線通訊設(shè)備、以太網(wǎng)傳輸。

7）控制計(jì)算機(jī)及上位軟件?？刂朴?jì)算機(jī)采用“研祥” 工業(yè)計(jì)算機(jī)，安裝STEP 7 MicroWIN、SIMATIC Manager、WINCC三款上位軟件，后臺(tái)配有SQL server 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件支撐，做到硬件的良好兼容、軟件的友好人機(jī)界面交互。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

1）測(cè)流垂線數(shù)目選擇。測(cè)流垂線的數(shù)目視水面寬度、水深和測(cè)量精度的要求而定。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在比較規(guī)則的渠床斷面上，任意兩條測(cè)流垂線的間距一般不大于渠底寬度的1/5，且應(yīng)均勻布置。測(cè)流垂線數(shù)愈多，流量的誤差越小。本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬17 m，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況，默認(rèn)工況下均勻布設(shè)7條測(cè)線，測(cè)線間距2.83 m。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)精度需要，相應(yīng)增減測(cè)線數(shù)目。

2）測(cè)線平均流速確定。本系統(tǒng)可根據(jù)水深及測(cè)流精度的需要，在不同工況下，選擇采用一點(diǎn)法或兩點(diǎn)法確定測(cè)線平均流速，必要時(shí)也可采用三點(diǎn)法。

1.3 系統(tǒng)測(cè)流控制過(guò)程

流量實(shí)測(cè)時(shí)，主站S7-300PLC 通過(guò)RS485 信道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，取得渠道相對(duì)水深數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理計(jì)算由控制計(jì)算機(jī)顯示。根據(jù)所測(cè)相對(duì)水深數(shù)據(jù)，按預(yù)設(shè)定好的測(cè)量參數(shù)、規(guī)程和程序，自動(dòng)控制測(cè)流車行進(jìn)、停車和鉛魚(yú)收放，自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)流速及斷面的測(cè)量、計(jì)算，并由從站中心處理器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡局行奶幚砥髦?。主站中心處理器通過(guò)二次計(jì)算把數(shù)據(jù)傳到控制計(jì)算機(jī)中顯示，來(lái)完成整個(gè)測(cè)流過(guò)程。為消除流速的脈動(dòng)影響，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)速歷時(shí)可在60～100 s 間選用，一個(gè)測(cè)流過(guò)程用時(shí)約15 min。

在測(cè)流的同時(shí)，測(cè)流系統(tǒng)配備的上位軟件可通過(guò)各點(diǎn)水深描繪出灌區(qū)渠道過(guò)水?dāng)嗝嫘Ч麍D，自動(dòng)計(jì)算過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，并根據(jù)測(cè)得的流速，采用積點(diǎn)法，自動(dòng)匯總計(jì)算總流量和平均流速，顯示在計(jì)算機(jī)中。

1.4 系統(tǒng)界面及數(shù)據(jù)處理

該測(cè)流系統(tǒng)配置了良好的人機(jī)交互界面設(shè)備，各項(xiàng)功能齊全。通過(guò)本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、打印等一系列管理功能。

2 測(cè)流效果評(píng)價(jià)

基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)引黃灌區(qū)自動(dòng)化測(cè)流技術(shù)鮮有成功應(yīng)用的先例，本系統(tǒng)以穩(wěn)妥可靠為原則設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)為渠道流量測(cè)量自動(dòng)化、信息管理自動(dòng)化。系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，渠道測(cè)水效率明顯提高，人工勞動(dòng)量和強(qiáng)度大大減輕，測(cè)流數(shù)據(jù)的計(jì)取更快捷、準(zhǔn)確。在灌區(qū)引水正常流速下，系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)與明渠均勻流公式測(cè)算的數(shù)據(jù)基本吻合，計(jì)量數(shù)據(jù)可信度得到了很好的驗(yàn)證，下一步可在簸箕李灌區(qū)其他測(cè)流站點(diǎn)及同類引黃灌區(qū)推廣應(yīng)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

簸箕李灌區(qū)是黃河下游典型灌區(qū)，引黃含沙量大，河道沉沙、淤積較多，給自動(dòng)化測(cè)流帶來(lái)了一定的困難。自動(dòng)化測(cè)流系統(tǒng)的應(yīng)用有利于準(zhǔn)確計(jì)算、科學(xué)認(rèn)證引用水量，為簸箕李灌區(qū)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握配水狀態(tài)，優(yōu)化水沙調(diào)度方案，提高灌溉效率，提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)；同時(shí)有利于提升灌區(qū)自動(dòng)化管理水平，必將為灌區(qū)帶來(lái)顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)在簸箕李灌區(qū)的成功應(yīng)用對(duì)同類引黃灌區(qū)流量測(cè)算具有一定的借鑒意義。