淺析陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程干渠直開口智能測(cè)控系統(tǒng)方案

郝瑞甫

【摘 要】陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程是國(guó)家“八五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，于1988年7月動(dòng)工興建，1993年投入試運(yùn)行，1996年9月竣工。是革命老區(qū)、貧困地區(qū)、少數(shù)民族地區(qū)和氟病高發(fā)區(qū)人畜飲水、防治地方病、改善生態(tài)環(huán)境、在有條件的地區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉的電力揚(yáng)黃工程，工程投運(yùn)以來，對(duì)改善受水區(qū)人民群眾的生產(chǎn)生活條件，提高健康水平，脫貧致富發(fā)揮著有著重要作用。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；一體化閘門；IC卡智能灌溉控制；測(cè)控系統(tǒng)；

1.引言

項(xiàng)目立項(xiàng)背景：由于陜甘寧鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程途徑毛烏蘇沙漠邊際，自然環(huán)境極其艱苦，渠道沿線人煙稀少，且干渠沿線又無電力設(shè)施，干渠直開口配水以及測(cè)流完全依靠人工完成，隨著現(xiàn)代化發(fā)展需求，如何解放勞動(dòng)力提高生產(chǎn)效率以及提高測(cè)量水精度，顯得尤為迫切。

2.總體設(shè)計(jì)

采集控制層：主要負(fù)責(zé)對(duì)渠道過閘流量的量測(cè)，閘門啟閉的控制，閘門電機(jī)的電壓，電流的采集。

數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸可采用有線傳輸或無線傳輸?shù)姆绞?，有線方式分為光纖傳輸方式和租用運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)，無線傳輸方式主要為GPRS公網(wǎng)。

管理應(yīng)用層：管理應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可對(duì)實(shí)現(xiàn)渠系管理、收費(fèi)管理、調(diào)度管理、通信管理、功臣管理等功能。

3.技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由一體化閘門控制柜、IC卡只能控制終端、磁致伸縮水位計(jì)、啟閉機(jī)電機(jī)、閘門啟閉機(jī)、閘門組成。

當(dāng)用戶刷卡時(shí)，一體化閘門控制柜發(fā)出開啟閘門的命令，啟閉機(jī)電機(jī)控制閘門的開啟；同時(shí)，一體化閘門控制柜將信息發(fā)送至上級(jí)管理站。當(dāng)用戶再次刷卡或卡內(nèi)水的余額為零時(shí)，一體化閘門控制柜向啟閉機(jī)電機(jī)發(fā)出關(guān)閉閘門的命令，啟閉機(jī)電機(jī)關(guān)閉閘門；同時(shí)，一體化閘門控制柜將信息發(fā)送至上級(jí)管理站。

3.2一體化閘門控制柜

國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)電動(dòng)閘門及其控制柜多以采用鋼制材料，電動(dòng)部分主要由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)完成，控制柜為獨(dú)立柜體，與閘門分開。閘門做工比較粗糙，精度低，無法滿足明渠流量精確計(jì)量和調(diào)度功能?；谝陨显颍瑖?guó)內(nèi)市場(chǎng)急需一種在硬件和軟件上吸取了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的，具備明渠流量計(jì)量，水量調(diào)度，遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膰?guó)產(chǎn)智能測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)。

根據(jù)以上現(xiàn)狀，根據(jù)水資源管理及閘門技術(shù)要求，借鑒處于國(guó)際領(lǐng)先水平的智能測(cè)控一體化閘門相關(guān)技術(shù)，設(shè)備主要由幾個(gè)組成部分構(gòu)成：

（1）閘門門框：為預(yù)制鋼制結(jié)構(gòu)，安裝固定在預(yù)制閘室上，為其它各部分的安裝提供基礎(chǔ)；

（2）一體化磁致伸縮水位流量監(jiān)測(cè)終端：采用超聲波原理監(jiān)測(cè)水面高度，流量、流速等。

（3）開度傳感器：依靠數(shù)字式編碼器監(jiān)測(cè)計(jì)算閘門開啟狀況；

（4）閘門：預(yù)制的輕型堅(jiān)固鋼制結(jié)構(gòu)；

（5）驅(qū)動(dòng)裝置：直流減速一體電機(jī)并加裝數(shù)字編碼器，控制閘門開度與速度。

（6）控制器：功能強(qiáng)大的RTU計(jì)算機(jī)控制單元監(jiān)測(cè)信息、上傳下達(dá)控制調(diào)度指令、并可智能化處理有關(guān)數(shù)據(jù)；

（7）通訊系統(tǒng)：支持有線網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)TCP/IP通訊和無線GPRS通訊。

3.2.1工作原理圖

閘門結(jié)構(gòu)機(jī)械部分包括閘門結(jié)構(gòu)及其啟閉傳動(dòng)部分。閘門為工作部分，啟閉機(jī)為閘門開啟與關(guān)閉的執(zhí)行部分。目前國(guó)內(nèi)使用較多的是平板鑄鐵閘門，它由門框、閘板、導(dǎo)軌、密封條、傳動(dòng)部件、吊耳和可調(diào)整密封機(jī)構(gòu)等部件組成。但是鑄鐵閘門重量較大。啟閉機(jī)由人力、電機(jī)或氣動(dòng)、液壓機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置的齒輪、蝸輪蝸桿等運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)螺桿或纜索使閘軸作垂直升降運(yùn)動(dòng)，從而開啟或關(guān)閉閘門，達(dá)到開水、關(guān)水或調(diào)節(jié)水位的目的。智能測(cè)控一體化閘門主要用于溝渠、水壩的水資源管理和調(diào)度，閘門結(jié)構(gòu)及其啟閉方式簡(jiǎn)單、易于操控。閘門結(jié)構(gòu)選用平面閘門，與鑄鐵閘門結(jié)構(gòu)類似，采用鋼制型鉚接接式結(jié)構(gòu)，各種鋼制材料根據(jù)明渠尺寸進(jìn)行定制化插接，尺寸大小可自由定制，由于結(jié)構(gòu)牢固，便于電機(jī)進(jìn)行精確控制。閘門框架采用高強(qiáng)度鋼制模具生產(chǎn)，測(cè)量精準(zhǔn)。

3.2.2供電要求

系統(tǒng)采用380V交流供電，電源電壓波動(dòng)范圍應(yīng)在380V±15%之內(nèi)。

3.2.3計(jì)量方式

一體化閘門采用過閘流量的計(jì)量方式，根據(jù)閘前閘后水位及閘門開度，可通過水力學(xué)公式進(jìn)行過閘流量計(jì)算。

3.3 IC卡智能灌溉控制終端

IC卡智能灌溉控制終端是專門為農(nóng)業(yè)灌溉管理而設(shè)計(jì)，產(chǎn)品集用戶管理、用水管理、用電管理、機(jī)井管理、無線數(shù)據(jù)傳輸于一體，能夠做到灌溉取水智能控制，人工預(yù)付費(fèi)管理和實(shí)時(shí)精確計(jì)量，能夠無線傳輸灌溉用水信息至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端。水資源的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，成功解決了農(nóng)業(yè)灌溉管理中長(zhǎng)期存在的電費(fèi)、水費(fèi)計(jì)量難、灌溉收費(fèi)難和浪費(fèi)水資源的難題，使農(nóng)業(yè)灌溉用水方式更加簡(jiǎn)單可靠，做到了灌溉管理的精細(xì)化，極大的節(jié)約了人力物力。

4.應(yīng)用軟件系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)介紹

該軟件系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括閘門監(jiān)控、水位監(jiān)測(cè)，機(jī)井流量控制，用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集、閘門的監(jiān)控（提閘、降閘）等，以及對(duì)水位過程線、水位流量計(jì)算、水位流量查詢、閘位查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、水量查詢、自動(dòng)洪水的記錄。還進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置、數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)日志查詢及報(bào)表打印。

此項(xiàng)目主要有三個(gè)模塊組成：信息采集、閘門控制和IC卡計(jì)收費(fèi)系統(tǒng)。

功能模塊：主要包括了首頁，系統(tǒng)登陸，管理，查詢及切換界面。此模塊實(shí)現(xiàn)了用戶登錄和注冊(cè)，數(shù)據(jù)庫(kù)的備份與還原，水位流量關(guān)系錄入，測(cè)點(diǎn)渠道參數(shù)設(shè)置，采集閘門實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，故障報(bào)警，閘門的歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志查詢及報(bào)表打印等功能。

閘門控制模塊：開、關(guān)、停閘門，閘門設(shè)定閘位，設(shè)定閘門上、下限參數(shù)，網(wǎng)控狀態(tài)設(shè)置。

4.2系統(tǒng)功能

4.2.1軟件控制功能

此軟件的功能模塊包含4部分：網(wǎng)控狀態(tài)設(shè)置；設(shè)定閘門上、下限參數(shù)；閘門設(shè)定閘位；開、關(guān)、停閘門。

4.2.2采集軟件

（1）主界面

主要有三個(gè)功能：

一、上列表顯示采樣數(shù)據(jù)，包括水位、流量、日累計(jì)、總累計(jì)、電壓及采樣時(shí)間。

二、上列表中單擊左鍵選中某一行，下列表既顯示該終端當(dāng)天最新的前30條數(shù)據(jù)，依次降序排列。

三、上列表中雙擊某一行，轉(zhuǎn)入斷面顯示。如下：

水情斷面圖、水位過程線。時(shí)間選擇也可查詢?cè)摃r(shí)間段的累積水量。

IE瀏覽器訪問，用戶端顯示端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面顯示。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢

用于測(cè)站歷史數(shù)據(jù)查詢。包括水位過程線、歷史數(shù)據(jù)查詢、時(shí)段水量查詢。選擇日期時(shí)間、測(cè)點(diǎn)名稱，點(diǎn)擊查詢即可。

（3）水位過程線

選擇時(shí)間段及測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)擊查詢按鈕，繪制該測(cè)點(diǎn)選定時(shí)間段的水位變化曲線。如想對(duì)某段過程線放大顯示，在顯示曲線上按下左鍵向右下方拖出一個(gè)矩形區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)放大功能。同時(shí)具有預(yù)覽及打印功能。

選擇起始日期、結(jié)束時(shí)間及測(cè)站名稱，點(diǎn)擊查看曲線按鈕，點(diǎn)擊查詢查看該測(cè)站在查詢時(shí)間內(nèi)的水位曲線。更直觀的顯示測(cè)站的水位變化情況。

（4）水位流量列表

選擇時(shí)間段及測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)擊查詢按鈕，列表顯示該測(cè)點(diǎn)選定時(shí)間段的水位流量數(shù)據(jù)。時(shí)間按升序排列。數(shù)據(jù)分頁顯示，每個(gè)頁面顯示15條數(shù)據(jù)。同時(shí)具有預(yù)覽、打印和導(dǎo)入Excel功能。使用導(dǎo)入Excel功能時(shí)，使用電腦上需安裝office工具軟件。

選擇起始日期、結(jié)束時(shí)間及測(cè)站名稱，點(diǎn)擊查詢按鈕，點(diǎn)擊查詢查看該測(cè)站在查詢時(shí)間內(nèi)的水位、流量、當(dāng)日水量、灌溉累計(jì)等水情數(shù)據(jù)。

（5）日小時(shí)水量統(tǒng)計(jì)

選擇時(shí)間段及測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)擊查詢按鈕，點(diǎn)擊查詢查看該天內(nèi)的小時(shí)水量統(tǒng)計(jì)。每天的起始和結(jié)束時(shí)間可根據(jù)灌區(qū)的實(shí)際時(shí)間設(shè)定。備注中如果顯示為“數(shù)據(jù)集合為空”則說明該時(shí)間段無存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)具有預(yù)覽、打印和導(dǎo)入Excel功能。

IE瀏覽器訪問，查詢?nèi)账拷y(tǒng)計(jì)頁面顯示。

選擇查詢?nèi)掌诩皽y(cè)站名稱，點(diǎn)擊查詢按鈕，點(diǎn)擊查詢查看該天內(nèi)的小時(shí)水量統(tǒng)計(jì)。顯示統(tǒng)計(jì)的當(dāng)天總?cè)账繑?shù)據(jù)。

（6）時(shí)段水量統(tǒng)計(jì)明細(xì)

選擇時(shí)間段及測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)擊查詢按鈕，點(diǎn)擊查詢查看該天內(nèi)的時(shí)段水量統(tǒng)計(jì)。時(shí)段水量指的是顯示列表中后一個(gè)時(shí)間減去前一個(gè)時(shí)間中的水量數(shù)據(jù)。分頁顯示，每頁顯示21條記錄。同時(shí)具有預(yù)覽、打印和導(dǎo)入Excel功能。

IE瀏覽器訪問，查詢?nèi)账拷y(tǒng)計(jì)頁面顯示。

選擇查詢?nèi)掌诩皽y(cè)站名稱，點(diǎn)擊查詢按鈕，點(diǎn)擊查詢查看該天內(nèi)的小時(shí)水量統(tǒng)計(jì)。顯示統(tǒng)計(jì)的當(dāng)天總?cè)账繑?shù)據(jù)。

4.3閘門控制軟件

為了操作控制的安全，在閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行控制操作之前，必須先進(jìn)行用戶登陸驗(yàn)證，登陸賬戶后，根據(jù)控制需要，進(jìn)行控制操作時(shí)，會(huì)提示輸入口令，驗(yàn)證完成后方可進(jìn)行相應(yīng)的操作和控制。

4.4 IC卡計(jì)收費(fèi)軟件

收費(fèi)軟件系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：IC卡充值管理、水費(fèi)查詢、報(bào)警管理、基本信息注冊(cè)。

（1）IC卡充值管理

識(shí)別供水專用射頻卡，讀寫IC卡信息。針對(duì)IC的操作有卡注冊(cè)、卡充值、卡掛失、鎖卡及解鎖。新卡在投入使用的時(shí)候，要先注冊(cè)，由系統(tǒng)分配卡號(hào)，分配好的卡需要與用戶關(guān)聯(lián)。

（2）水費(fèi)查詢

繳費(fèi)記錄查詢：歷史繳費(fèi)記錄查詢。

余額查詢：賬戶剩余金額查詢。

水價(jià)查詢：查詢不同時(shí)間段不同區(qū)域的水價(jià)信息。

灌溉水量信息查詢：用水次數(shù)、灌溉時(shí)長(zhǎng)、灌溉水量查詢、水費(fèi)信息查詢。

（3）報(bào)警管理

報(bào)警顯示：接收服務(wù)端轉(zhuǎn)發(fā)下來的報(bào)警信息，以聲音加文字的方式將報(bào)警信息展現(xiàn)給用戶。

報(bào)警查詢：查看報(bào)警歷史記錄。

（4）基礎(chǔ)信息注冊(cè)

用戶信息注冊(cè)：用戶信息錄入管理，如用戶名稱、電話號(hào)碼、聯(lián)系地址等信息。

5.總結(jié)

一體化閘門是將閘門門體，閘門啟閉機(jī)，啟閉電機(jī)，過閘流量測(cè)量，閘門控制器和數(shù)據(jù)通訊融為一體。結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，可利用太陽能作為動(dòng)力，尤其適合水閘和灌區(qū)較為偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。其顯著特點(diǎn)可直接通過過閘流量計(jì)算的方式計(jì)算流量，大大提高了測(cè)量精度。

（作者單位：寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)水管理處）