引黃灌區(qū)支斗渠水量計量與測控技術(shù)研究與應(yīng)用

張景輝，于樹利，許卓寧

（1.甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅白銀，730400；2.唐山現(xiàn)代工控技術(shù)有限公司河北省灌區(qū)量水測控系統(tǒng)及儀表技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山，063020）

1 支斗渠水量計量與測控設(shè)計

支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)總體設(shè)計按照“硬件協(xié)同、軟件集成、閉環(huán)控制”的理念。采用支渠閘門開度和下游斗渠水位的數(shù)據(jù)模型、水利學(xué)軟件算法及閘門測控的自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由支斗渠水量計量與閘門測控系統(tǒng)和監(jiān)控中心部分組成。

1.1 支斗渠水量計量

在原有斗渠標(biāo)準(zhǔn)堰槽的基礎(chǔ)上，配套一體化超聲波水位計及安裝測橋，用于測量斗渠標(biāo)準(zhǔn)堰槽水位測量來代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工觀測記錄，這樣既符合了該灌區(qū)用水習(xí)慣，也方便了監(jiān)管。

超聲波測距原理是在超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，它的根據(jù)是接收器接到超聲波時的時間差。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。該設(shè)備同時配有溫度補(bǔ)償使其具備了高精度測量水位的目的，安裝方式見圖2。

圖1 支斗渠水量計量與測控設(shè)計圖

圖2 一體化超聲波水位計安裝3D圖

1.2 閘門測控系統(tǒng)

支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，對支渠閘門開度和下游斗渠水位的數(shù)據(jù)模型、水利學(xué)軟件算法及閘門測控的自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計；在原有斗渠標(biāo)準(zhǔn)堰槽的基礎(chǔ)上，配套一體化超聲波水位計，用于測量斗渠流量（即斗渠上游支渠閘門過閘流量）。并將此水情信息作為上游支渠閘門測控的反饋信號，在原有支渠土建水利設(shè)施的基礎(chǔ)上，將支渠手動閘門改造成太陽能供電的電動閘門，研發(fā)手改電閘門測控一體化裝置，并接收斗渠上傳水情信息，形成“支斗渠水量計量與閘門測控系統(tǒng)”，實現(xiàn)支斗渠的上下游量水測流設(shè)備聯(lián)動控制，實現(xiàn)支斗渠水資源按恒流量、恒閘位、恒水位的聯(lián)合調(diào)度。

1.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

核心主機(jī)：測控一體啟閉機(jī)、閘位傳感器、上下限保護(hù)、卡閘保護(hù)、手搖/電動離合機(jī)構(gòu)；太陽能供電系統(tǒng)：架桿、太陽能電池板、地埋蓄電池倉、充放電控制及保護(hù)電路；野外防護(hù)罩：將主機(jī)整體防護(hù)，整體防盜門用專用鑰匙打開。設(shè)計圖見圖3所示。

圖3 支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)設(shè)計圖

1.2.2 支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)調(diào)節(jié)模式

閘位調(diào)節(jié)模式：閘門開度遠(yuǎn)程預(yù)設(shè)，實現(xiàn)閘門量水；水位調(diào)節(jié)模式：應(yīng)用于閘后為計量堰槽的場合，根據(jù)堰槽水位做恒水位調(diào)節(jié)；流量調(diào)節(jié)模式：應(yīng)用于閘門計量為明渠流量計的場合，根據(jù)明渠流量計監(jiān)測的流量做恒流量調(diào)節(jié)。

1.2.3 支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)閘位調(diào)控機(jī)制

系統(tǒng)調(diào)節(jié)，控制軟件設(shè)置預(yù)期給定，依據(jù)當(dāng)前流量、設(shè)計流量、當(dāng)前閘位，推算出預(yù)期閘位，閘門調(diào)節(jié)至預(yù)期值，等待動作時間間隔到達(dá)，比對當(dāng)前流量和預(yù)期流量差值，依據(jù)上個調(diào)節(jié)階段的數(shù)據(jù)，推算下次閘位需要上升或下降的數(shù)值，如果此數(shù)值小于閘位動作死區(qū)則閘門停止調(diào)節(jié)，等待下次動作時間間隔達(dá)到，再進(jìn)行判斷，如果此數(shù)值大于閘位動作死區(qū)，按推算出的數(shù)值進(jìn)行調(diào)解。閘位調(diào)控邏輯原理圖見圖4所示。

圖4 閘位調(diào)控邏輯原理圖

1.3 支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)閘位調(diào)控APP

1.3.1 設(shè)備校準(zhǔn)

點“校準(zhǔn)參數(shù)”項，并在界面中點“讀取參數(shù)”，可以查看并修改設(shè)備參數(shù)。在該界面可以校準(zhǔn)“閘前水位”，“閘后水位”和“閘位”。點擊設(shè)置的參數(shù)項，彈出對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置界面，點設(shè)置按鈕系統(tǒng)彈出提示參數(shù)設(shè)置成功。校準(zhǔn)完后可以回到“查詢信息”界面。查看當(dāng)前信息，確認(rèn)校準(zhǔn)信息。

1.3.2 閘門調(diào)節(jié)

點擊“調(diào)節(jié)參數(shù)”項，在界面中點“讀取參數(shù)”讀取當(dāng)前設(shè)備的調(diào)節(jié)參數(shù)。通過設(shè)定閘位和改變閘門調(diào)節(jié)類型，可以對閘門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

閘位調(diào)節(jié)方式，點擊界面中“設(shè)定閘位”彈出閘位設(shè)置界面，修改設(shè)定閘位后點擊設(shè)置按鈕，系統(tǒng)彈出參數(shù)設(shè)置成功的提示，閘位即設(shè)定完成。點“閘門調(diào)節(jié)類型”后進(jìn)入閘門調(diào)節(jié)類型設(shè)定界面，在選項中選擇“閘位調(diào)節(jié)”，點“設(shè)置”按鈕后設(shè)備此時就按照設(shè)定的閘位進(jìn)行調(diào)節(jié)。閘門調(diào)節(jié)完畢后，將“閘門調(diào)節(jié)類型”設(shè)置為“不調(diào)節(jié)”。

下游水位調(diào)節(jié)方式，先點擊界面中“下游水位調(diào)節(jié)”彈出下游水位調(diào)節(jié)值設(shè)置界面。修改下游水位值后點擊設(shè)置按鈕彈出參數(shù)設(shè)置成功的提示，下游水位即設(shè)定完成。點“閘門調(diào)節(jié)類型”后進(jìn)入閘門調(diào)節(jié)類型設(shè)定界面，在選項中選擇“下游水位調(diào)節(jié)”，點“設(shè)置”按鈕后設(shè)備此時就按照設(shè)定的下游水位值漸進(jìn)式調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)完畢后，將“閘門調(diào)節(jié)類型”設(shè)置為“不調(diào)節(jié)”。

2 應(yīng)用管理軟件

應(yīng)用管理軟件平臺基于.netFram e Work,c#程序設(shè)計語言和SQL數(shù)據(jù)庫，采用以B/S模型為主，部分通過C/S模型程序輔助的開發(fā)方案，并綜合運用分布式數(shù)據(jù)庫、分布式計算、數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)、地理信息系統(tǒng)、多媒體、基于Ajax的B/S模式實時信息處理、COMET等技術(shù)。

2.1 控制參數(shù)

控制參數(shù)界面，可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、狀態(tài)報警的查詢，閘門運行過程顯示，閘門控制按鈕、閘門開度顯示、目標(biāo)水位、目標(biāo)流量、目標(biāo)閘位的參數(shù)輸入，見圖5所示。

圖5 控制參數(shù)界面

2.2 數(shù)據(jù)處理

實現(xiàn)閘門控制系統(tǒng)上報數(shù)據(jù)的計算、存儲、查詢、統(tǒng)計、報表、打印工作。所有數(shù)據(jù)全部存儲到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。按設(shè)定的時間間隔記錄水位、閘位、流量、報警、狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄閘門超限、通訊故障、閘門故障等報警信息。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)生成歷史曲線或直方圖，生成日、月、年報表。見圖6報表統(tǒng)計、直方圖。

圖6 報表統(tǒng)計、直方圖

2.3 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)具備增加和刪除用戶、角色，修改用戶權(quán)限的功能。系統(tǒng)可以按用戶組來分配操作權(quán)限，劃分為操作員組、管理員組。操作員組的成員一般只能為進(jìn)行簡單的日常操作、數(shù)據(jù)查詢等;管理員組負(fù)責(zé)運行參數(shù)等功能的設(shè)置，并對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，分配或收回指定操作人員對指定閘門的操作權(quán)限，限制操作人員對操作記錄的修改，修改密碼及退出系統(tǒng)。

3 結(jié)論

構(gòu)建引黃灌區(qū)支斗渠流量計量與閘門測控系統(tǒng)架構(gòu)，研制支斗渠閘門流量調(diào)控技術(shù)及裝置，開發(fā)引黃灌區(qū)支斗渠流量與閘門測控系統(tǒng)軟件平臺。支斗渠閘門流量測控系統(tǒng)，利用太陽能浮充蓄電池供電，解決灌區(qū)大面積無交流電，只能用手動控制閘門的情況；并具備手動操作遠(yuǎn)程操作功能，集成了恒定閘位、恒水位、恒流量控制模式。實現(xiàn)引黃灌區(qū)支斗渠水量計量智能化、閘門控制自動化、調(diào)度決策科學(xué)化和運行管理協(xié)同化的總體目標(biāo)。