南水北調(diào)泗洪站水尺自動(dòng)清洗裝置研制與應(yīng)用

王長(zhǎng)亮 項(xiàng)明洋 杜 威

(南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

南水北調(diào)泗洪站位于宿遷市泗洪縣朱湖鎮(zhèn)東南的徐洪河上，是南水北調(diào)東線一期工程第4梯級(jí)泵站之一，主要功能是與睢寧站、邳州站一起，通過徐洪河向駱馬湖及以北輸水。泗洪泵站和徐洪河節(jié)制閘、泗洪船閘、排澇調(diào)節(jié)閘、利民河排澇閘等共同組成泗洪站樞紐工程。該站同時(shí)可為泗洪站與睢寧站之間生活、生產(chǎn)和航運(yùn)補(bǔ)充水源，并可為泗洪縣沿利民河區(qū)域排澇。南水北調(diào)東線一期工程輸水渠道大部分采用天然河道，天然河道泥沙量較多，同時(shí)伴隨夏季水中微生物、藻類較多，容易附著在水尺表面，導(dǎo)致水尺模糊不清，無法正常觀測(cè)，需經(jīng)常人工清理水尺附著物，給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理帶來諸多不便，且臨水作業(yè)存在一定安全隱患[1]。為解決這一長(zhǎng)期難題，亟需提供一種使用方便、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性高的水尺自動(dòng)清洗裝置。

2 水尺觀測(cè)概述

2.1 水尺觀測(cè)的意義

水位是河流或其他水體(如湖泊、水庫、人工河、渠道等)的自由水面相對(duì)于某一基面的高程，單位以米表示。水位觀測(cè)是水文要素觀測(cè)的重要組成部分，通過水位觀測(cè)可以了解水體的狀態(tài)，通過水位數(shù)據(jù)可直接為工程建設(shè)、防汛抗旱等服務(wù)。因此，水位變化必須時(shí)刻處于監(jiān)測(cè)之中，水位觀測(cè)是一線防汛工作中必不可少的工作內(nèi)容[2]。

2.2 水尺的特點(diǎn)

在基層實(shí)際水位觀測(cè)中，比較經(jīng)常使用的工具是固定水尺，其由水泥或堅(jiān)固金屬制作，按照統(tǒng)一規(guī)格形制，涂刷有“E”字形高度標(biāo)識(shí)，讀數(shù)精確至厘米，具有易于辨識(shí)、讀數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2.3 水尺自動(dòng)清洗裝置的必要性

水位是水文觀測(cè)的重要數(shù)據(jù)，極具瞬時(shí)性和變化性，在水利工程調(diào)度決策中承擔(dān)著重要角色，所以水位觀測(cè)的及時(shí)性、可行性、準(zhǔn)確性極其重要。觀測(cè)人員在值班期間，需要定時(shí)查看水尺并記錄讀數(shù)、及時(shí)上報(bào)，以便于防汛部門對(duì)工程水勢(shì)、水情的全面把握。但是，受到環(huán)境和硬件條件制約，水尺觀測(cè)有以下幾個(gè)弊端：一是南水北調(diào)東線工程主調(diào)水期在每年11月至次年5月，夏季主汛期調(diào)水頻率較低，河道水體呈靜止?fàn)顟B(tài)，易滋生藍(lán)藻，使其及浮游生物附著在水尺上，水尺表面臟污模糊不清，致使水位數(shù)據(jù)無法直接讀??；二是河邊地勢(shì)復(fù)雜，工程上一般采用人工清洗水尺方法以讀取水位數(shù)據(jù)，人工清洗水尺近水作業(yè)發(fā)生安全事故概率較高；三是工程中水尺較多，就泗洪站單體工程而言，現(xiàn)場(chǎng)安裝12處水尺，采用人工清洗，需要花費(fèi)大量時(shí)間，工作效率低。因此，設(shè)計(jì)一種能夠解決上述問題并符合南水北調(diào)工程水位觀測(cè)應(yīng)用實(shí)際的水尺自動(dòng)清洗裝置十分必要。

3 水尺自動(dòng)清洗裝置的設(shè)計(jì)

為了解決以上問題，設(shè)計(jì)水尺自動(dòng)清洗裝置時(shí)，考慮到水尺一般安裝于翼墻等水工建筑物上，要想清潔水尺，裝置就必須可以在水尺表面上下移動(dòng)，輔以清洗措施，達(dá)到自動(dòng)清洗水尺的目的。水尺自動(dòng)清洗裝置由硬件和軟件兩項(xiàng)構(gòu)成。硬件由工裝部分、執(zhí)行部分及控制部分組成，其中工裝部分為模擬裝置工裝和現(xiàn)場(chǎng)清洗工裝[3]。軟件由PLC程序及觸摸屏(人機(jī))編程組成(見圖1)。

硬件構(gòu)成如下：

a.工裝部分。?模擬裝置工裝：用于水尺清洗模擬展示，主要部件由底座、萬向輪、固定立板、水尺、集水盆、控制箱固定座等組成；?現(xiàn)場(chǎng)清洗工裝：用于現(xiàn)場(chǎng)水尺清洗，主要部件由固定立板、伸縮框架、手動(dòng)絞車、可調(diào)節(jié)固定支架等組成。

b.執(zhí)行部分。主要設(shè)備由步進(jìn)電機(jī)(行程電機(jī)、毛刷電機(jī))、一體式電機(jī)座、滾珠絲桿、直線滑桿、滑塊、升降件、清洗刷、水泵、行程開關(guān)、鏈?zhǔn)阶o(hù)線槽等組成(見圖2、圖3)。

圖2 水尺自動(dòng)清洗裝置模擬工裝

圖3 水尺自動(dòng)清洗裝置現(xiàn)場(chǎng)工裝

c.控制及軟件構(gòu)成。主要設(shè)備及元件由控制箱、空氣開關(guān)、電源模塊、PLC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、智能遙控開關(guān)、按鈕、指示燈、線纜等組成[4](見圖4)，軟件提供PLC程序(見圖5、圖6)，觸摸屏(人機(jī)交互)編程(見圖7)。

圖4 水尺自動(dòng)清洗裝置示意圖1—控制箱；2—行程開關(guān)；3—升降件；4—滑塊；5—直線滑桿；6—水尺；7—固定立板；8—行程電機(jī)；9—一體式電機(jī)座；10—水泵清洗管噴頭；11—毛刷電機(jī)；12—清洗刷；13—鏈?zhǔn)阶o(hù)線槽；14—滾珠絲桿

圖5 水尺自動(dòng)清洗裝置電氣接線模擬圖

圖7 一種水尺自動(dòng)清洗裝置觸摸屏設(shè)置畫面

4 工作原理

水尺自動(dòng)清洗裝置中水尺豎直安裝于立板表面，立板上還設(shè)置有滑桿、絲桿、升降件、水泵和驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)的第一電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱行程電機(jī))，滑桿、絲桿分別位于水尺兩側(cè)且與水尺平行設(shè)置，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于立板上，升降件一端與滑桿滑動(dòng)連接，另一端與絲桿螺紋連接，升降件上設(shè)有清潔刷、噴水管和驅(qū)動(dòng)清潔刷旋轉(zhuǎn)的第二電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱毛刷電機(jī))，清潔刷位于水尺的正前方且與水尺表面相接觸，噴水管的出水口位于清潔刷的正上方，噴水管通過水泵與水箱連接。通過行程電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)以及與滑桿的滑動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)清潔刷的升降運(yùn)動(dòng)，再通過毛刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)清潔刷旋轉(zhuǎn)以及清水的沖洗，實(shí)現(xiàn)水尺表面的自動(dòng)清洗[5]。

在研發(fā)水尺自動(dòng)清洗裝置過程中，我們希望裝置具有以下功能優(yōu)點(diǎn)：遠(yuǎn)控自動(dòng)清洗、可設(shè)定自動(dòng)清洗頻次、根據(jù)水位自動(dòng)設(shè)定清洗范圍等。因此水尺自動(dòng)清洗裝置共開發(fā)了現(xiàn)地清洗、遠(yuǎn)方清洗和自動(dòng)清洗三種功能，公共參數(shù)設(shè)定導(dǎo)程行程800mm、行程速度1000mm/min、毛刷速度50r/min、原點(diǎn)速度1500mm/min、爬行速度800mm/min(可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整各參數(shù)值)。

4.1 現(xiàn)地清洗

控制箱面板上和觸摸屏上均設(shè)置了行程電機(jī)和毛刷電機(jī)的啟動(dòng)和停止按鈕，此功能下需要手動(dòng)設(shè)置觸摸屏控制畫面上限位置和清洗行程參數(shù)。設(shè)置完成后，在控制箱面板上或觸摸屏上操作行程電機(jī)啟動(dòng)按鈕，行程電機(jī)開始動(dòng)作，按照設(shè)備程序先使升降件回到原點(diǎn)位置，再將升降件按照設(shè)定導(dǎo)程行程向下行走至下限位置，隨后升降件按照清洗行程進(jìn)行上下往復(fù)動(dòng)作，操作毛刷電機(jī)啟動(dòng)按鈕，清洗毛刷按照設(shè)定速度開始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)清洗行程范圍內(nèi)水尺清洗，如水尺表面油污嚴(yán)重，可啟動(dòng)水泵向清洗毛刷提供清洗液進(jìn)行水尺清洗。水尺清洗潔凈后，關(guān)閉水泵。清洗結(jié)束，按下行程電機(jī)和毛刷電機(jī)停止按鈕，毛刷電機(jī)即停止工作，行程電機(jī)將按照程序自動(dòng)使升降件回到原點(diǎn)位置，清洗全部結(jié)束(見圖8、圖9)。

圖8 現(xiàn)地箱控制

圖9 觸摸屏控制

4.2 遠(yuǎn)方清洗

將控制箱內(nèi)PLC與上位機(jī)通過網(wǎng)線進(jìn)行連接，在上位機(jī)組態(tài)軟件中進(jìn)行編程，設(shè)置與觸摸屏畫面相同的操作界面，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)水尺自動(dòng)清洗裝置的遠(yuǎn)方操作，操作方法與現(xiàn)地操作中觸摸屏上的操作方法相同(見圖10、圖11)。

圖10 上位機(jī)控制畫面1

圖11 上位機(jī)控制畫面2

4.3 自動(dòng)清洗

將水位計(jì)采集的信號(hào)上傳至PLC，觸摸屏畫面中的上限位置自動(dòng)采用水位模擬信號(hào)，清洗行程按照上限位置和后臺(tái)程序自動(dòng)設(shè)定，此時(shí)裝置可根據(jù)PLC設(shè)定的清洗時(shí)間和頻次實(shí)現(xiàn)水尺自動(dòng)清洗。

5 應(yīng)用與效益

該裝置清洗速度快、安全性能高、可循環(huán)利用、維護(hù)成本低，僅需坐在泵站中控室點(diǎn)擊上位機(jī)鼠標(biāo)，2min即可完成整個(gè)水尺清洗，較原人工清洗，大大降低了清洗維護(hù)成本，減少了安全隱患；安裝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、造價(jià)較低、清洗質(zhì)量好，目前已在南水北調(diào)泗洪站進(jìn)行應(yīng)用，清洗后的水尺表面清潔度高，具有很好的推廣價(jià)值。

泗洪站共設(shè)置不銹鋼水尺12根，采用人工清洗時(shí)，每次清洗需配置2名臨水作業(yè)人員和1艘作業(yè)船只，所有水尺單次維護(hù)成本約1500元，按每月清洗一次尺寸計(jì)算，該裝置應(yīng)用于工程現(xiàn)場(chǎng)后，一年可節(jié)約維護(hù)成本約18000元，直接經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

6 總結(jié)與展望

水尺自動(dòng)清洗裝置的研制與應(yīng)用，是南水北調(diào)泗洪站以工程實(shí)際問題為導(dǎo)向，開展“五小”創(chuàng)新改造的探索和嘗試。在水利工程管理工作中，有許多重要的設(shè)施為我們提供了工作上的便利，但這些設(shè)施隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)，水尺自動(dòng)清洗裝置經(jīng)過研發(fā)應(yīng)用取得了預(yù)期效果，尤其在南水北調(diào)泗洪站參與2022—2023年度向省外調(diào)水期間，在人工不便維護(hù)水尺的情況下裝置發(fā)揮了良好作用，為泵站穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了水文數(shù)據(jù)保障，此次水尺自動(dòng)清洗裝置的應(yīng)用對(duì)于類似情形的泵站、閘站、水文測(cè)站等水利工程具有一定的借鑒意義。