東港灌區(qū)信息采集系統(tǒng)技術(shù)研究與工程應(yīng)用

田作佳，劉 恒，李 祿

( 遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽110003)

0 引 言

灌溉在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，乃至整個經(jīng)濟社會發(fā)展中有著十分重要的地位和作用。農(nóng)業(yè)發(fā)展對灌溉的依賴性十分明顯，灌區(qū)為我國的糧食安全和國民經(jīng)濟發(fā)展做出了重大貢獻。要進一步實現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水、增效、改善生態(tài)的目標，必須從管理入手，向管理要效益，實現(xiàn)灌區(qū)管理的現(xiàn)代化，信息采集系統(tǒng)是大型灌區(qū)信息化管理動態(tài)數(shù)據(jù)的主要來源。東港灌區(qū)位于遼寧省東港市管轄范圍，地處鴨綠江和大洋河下游，建設(shè)東港灌區(qū)信息采集系統(tǒng)可顯著提高灌區(qū)的節(jié)水灌溉能力，進而獲得灌區(qū)經(jīng)濟效益的最大化。本文從系統(tǒng)的總體設(shè)計、流量監(jiān)測技術(shù)、干渠水位監(jiān)測技術(shù)、閘門監(jiān)控技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)特點幾個方面進行闡述。

1 總體設(shè)計

灌區(qū)信息采集系統(tǒng)主要是對渠道上重要測水點的流量、水位和閘門開度進行監(jiān)測。其中水位測點、流量監(jiān)測點、與閘門控制點、視頻監(jiān)控點距離較近，位于同一個樞紐閘門的不同位置，因此可共用一條數(shù)據(jù)鏈路。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

圖1 邏輯結(jié)構(gòu)圖

下面從流速測量、水位測量、閘門監(jiān)控、供電方式、通訊方式幾個方面來對水情測站的結(jié)構(gòu)進行說明:流量測量采用多普勒式超聲波流速流量計; 水位測量采用超聲波明渠水位計;閘門監(jiān)控采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu);供電方式采用市電供應(yīng)，并配備蓄電池，在停電時不中斷數(shù)據(jù)采集;( 其中鐵甲干渠七支監(jiān)測點無市電條件，設(shè)計采用太陽能加蓄電池) ;通訊方式采用微波通訊，接入灌區(qū)通訊網(wǎng)絡(luò)。( 其中鐵甲干渠七支監(jiān)測點不建設(shè)微波，故采用GPRS/CDMA 方式) 。

2 流量監(jiān)測技術(shù)

流量監(jiān)測建設(shè)目標就是測量灌區(qū)干支渠上的水量，測流方法及自動化測流儀器的選取要根據(jù)本次實施試點的實際情況，按照“實用、可靠、先進、標準、開放、實時”的原則來選擇合適的方案。東港灌區(qū)渠道上量水建筑物不全面，無法全面采用力學(xué)法( 水位－流量法) ，只能采用流速－面積法。通過上面的對比，采用超聲波式流速—面積法的原理比較適合東港灌區(qū)。

通過儀器測量3個數(shù)據(jù): 測平均流速、測水深、測水溫。其中水溫測量使用溫度探頭，溫度探頭不與水接觸，緊貼儀器外包裝材料頂部，需要置于水底一定時間后才能反映實際水溫。測水溫的目的是校正超聲波在水中的速度，并修正壓力傳感器所測得的水位值。水深測量使用進口高精度壓力傳感器，置于儀器底部，其探頭感應(yīng)部位與水直接接觸。流速的測量是通過超聲波探頭( 換能器) 發(fā)射與接收超生波信號并做相應(yīng)的計算處理而獲得的。通過測得的平均流速及水位及斷面尺寸，可求得斷面流量。

3 干渠水位監(jiān)測技術(shù)

常用的水位監(jiān)測設(shè)備有浮子式、壓力式、氣泡式、超聲波式等類型。根據(jù)東港灌區(qū)干渠的現(xiàn)場情況，選用超聲波式水位計。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。

超聲波感器固定安裝在被測量液面上方。探頭向水面發(fā)射脈沖超聲波。聲波通過空氣到達液面，聲波被液面反射成為反射波，探頭接收反射波稱為回波。探頭下邊的校正棒也產(chǎn)生反射被探頭接收稱為校正波。儀表根據(jù)發(fā)射波與回波、發(fā)射波與校正波之間的時差，求出探頭到液面的距離E。在與探頭到水位零液位的距離L 減E，即求出液位高度H，見圖2。

圖2 水位測量流程圖

4 閘門監(jiān)控技術(shù)

國內(nèi)外建設(shè)的自動化監(jiān)控系統(tǒng)可分為三種總體結(jié)構(gòu)，即: 集中式、分布式和現(xiàn)場總線式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)東港灌區(qū)的實際情況，我們采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。閘門測控站以閘門測控終端機為中心，負責閘門控制命令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集，控制方式可為閉環(huán)或半閉環(huán)方式;中心站以調(diào)度管理軟件為核心，配合通信設(shè)備得到終端機的數(shù)據(jù)，軟件為C/S 或B/S 結(jié)構(gòu)，可在中心站局域網(wǎng)內(nèi)提供數(shù)據(jù)，也可通過Internet或其他方式將數(shù)據(jù)提供給上級單位，實現(xiàn)多級管理。

系統(tǒng)由一臺監(jiān)控主機、多個閘門測控終端機、執(zhí)行機構(gòu)、傳感器等組成。各部分相對獨立，以數(shù)據(jù)通訊主機為中心，總線方式連接。將每孔閘門對應(yīng)一個閘門測控單元，每個閘門測控單元由一個閘門測控終端機、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成，各閘門測控單元通過總線方式連接到監(jiān)測站，總線上可任意增減控制單元，最大支持到255個。為了保證系統(tǒng)的安全性，將出水閘和泄洪閘2個閘門測控站分別連接成一個總線，通過屏蔽雙絞線連接到控制中心，各個測控站相對獨立。

4.1 監(jiān)控主機

負責和各個閘門測控終端機通訊，采集數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、下發(fā)命令。并和用戶交互，顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送用戶命令，選用具有高可靠性的工業(yè)控制用計算機，為自動控制軟件提供一個穩(wěn)定、快速、安全的運行平臺。

4.2 閘門測控終端機

負責對閘門狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、閘門控制的執(zhí)行、閘門故障的判斷及與監(jiān)控主機的信息傳遞，其內(nèi)部可存儲所控閘門的相關(guān)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)均可通過監(jiān)控主機來設(shè)置。每個閘門測控終端機為單獨的執(zhí)行單元，負責單個起閉機按自己的程序執(zhí)行起閉動作，當其中任何一個故障都不會影響到其他閘門的動作。增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.3 執(zhí)行機構(gòu)

負責對電機控制的動作執(zhí)行。

4.4 傳感器

負責采集各種數(shù)據(jù)，包括水位、閘位、閘門起閉機狀態(tài)、電機的電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計和故障判斷提供依據(jù)。

為了避免雷電對系統(tǒng)造成破壞和干擾，我們針對供電和信號2 方面做如下處理:

1) 閘房做建筑防雷，接地電阻要求≤5 Ω。( 建筑防雷及接地條件由應(yīng)業(yè)主提供) 。

2) 閘房動力電進線做防雷處理，具體做法為進線處加裝二級防雷模塊，防止動力電導(dǎo)入雷電。

3) 各種設(shè)備接口要做防雷處理，具體做法為:閘門測控終端機和遠端水位計、監(jiān)控主機之間的接口一律采用光電隔離器隔離，防止雷電導(dǎo)入。

4) 信號線一律采用屏蔽線，并做良好接地;各設(shè)備外殼、地線等做好良好接地。

5 技術(shù)特點

5.1 安全性

安全性是信息采集系統(tǒng)的首要原則，本系統(tǒng)在設(shè)計中充分考慮到安全性因素，在閘門控制過程中，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，軟件立即報警，并根據(jù)需要和實際情況自動終止當前的閘門運行操作。故障報警內(nèi)容包括:啟閉機荷重過載、閘門運行超限、閘位傳感器故障、閘門下滑、閘門卡死、閘門失衡、啟閉機過壓、過流、缺相等。

5.2 可靠性

可靠性從硬件和軟件兩方面來考慮。

5.2.1 硬件可靠性

首先系統(tǒng)設(shè)備的選型應(yīng)采用可靠性高的產(chǎn)品;其次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮可靠性因素，我們在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計上采用分布式結(jié)構(gòu)，每個閘門起閉機采用單獨的終端機控制，其中一個故障不會影響到其他的工作，可靠性高。

5.2.2 軟件可靠性

軟件開發(fā)上采用經(jīng)過嚴格測試，保證系統(tǒng)的可靠性;并采用軟件自動恢復(fù)技術(shù)，保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。

5.3 易用性

系統(tǒng)在操作上簡單易用，軟件界面人性化，智能提示，防止誤操作。

5.4 可維護性

系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊拆裝方便，便于維護。

5.5 擴展性

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，采用分布式結(jié)構(gòu)，可增加監(jiān)測點或監(jiān)控點，并可增加通訊方式，將數(shù)據(jù)及視頻傳至Internet 上，達到信息共享。

6 結(jié) 語

本文針對東港灌區(qū)信息采集系統(tǒng)技術(shù)進行研究，并結(jié)合灌區(qū)實際情況進行工程應(yīng)用，分別對渠道的流量、水位及閘門進行監(jiān)測與控制。管理人員可以在管理局全面掌握灌區(qū)的灌溉情況，為上級領(lǐng)導(dǎo)的合理灌溉與科學(xué)配飾提供了很好的參考依據(jù)。經(jīng)過1年多的應(yīng)用與調(diào)試，目前已為灌區(qū)管理部門帶來了良好的社會效益與經(jīng)濟效益。下一步將在決策系統(tǒng)的軟件平臺方面進行研究與實踐，在信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分挖掘采集的各類數(shù)據(jù)，進行綜合決策與分析，為灌區(qū)帶來更大的效益。

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