基于測控一體化閘門傳感器清洗方法研究

王金輝，徐寶山，惠 磊

(甘肅省疏勒河流域水資源局，蘭州 735211)

測控一體化閘門是澳大利亞璐碧墾公司聯合墨爾本大學共同研發的集測量和控制為一體的自動化遠程操控閘門，不僅能夠實現對水信息的自動采集、存儲，而且實現對閘門的遠程精確控制和實時監控，具有精度高、操作方便的特點。甘肅省疏勒河流域水資源局借助清華大學《水聯網多水源實時調度過程控制技術》科研項目和《敦煌規劃》，從2012年開始，陸續在昌馬灌區南干渠共引進安裝了63孔測控一體化閘門，全面覆蓋了南干渠管轄區域0.492 萬hm2的灌溉面積[1,2]。目前，測控一體化閘門在疏勒河灌區已經安裝運行五年多，整體運行狀態良好，它精準的測量控制大大降低了輸水過程中的跑水、漏水等水量損失問題，提高了農田水利用效率，降低了勞動強度，也提高了灌區水資源的管理水平，推進了現代化、智能化、精細化灌區的不斷發展。但隨著設施設備的運行，零配件的老化，或因風沙、不同水質等影響，會出現了一些運行故障，尤其是傳感器故障頻頻發生，造成無法精準施測進而嚴重影響了灌區的正常輸水和渠道的安全運行。不論是美國還是澳大利亞本土，由于設備的常態化使用和當地的人文環境，設備并未增加厚重的外殼和保護裝置，使得設備在進行維護時，輕松方便。同時，較寬的斷面以及平緩不間斷的水流，對一體化測控閘門的安全穩定運行提供了天然環境，所以，傳感器的故障并非閘門的主要故障和安全隱患，澳大利亞本土傳感器的清洗維護只是采取最初的斷電抽拔清洗方法，并未進行其他的處理和研究更加自動化的方法。

本文結合問題實際，分析研究傳感器工作原理，探索傳感器清洗維護方法，旨在找出一種合理、方便、高效的解決辦法。同時，為使用測控一體化閘門的其他灌區提供可行的技術支撐和服務指導，從而，進一步擴大測控一體化閘門的推廣應用。

1 傳感器構造和測流原理

1.1 傳感器結構

傳感器正常工作是測控一體化閘門正常可靠運行的基礎和重要保障。自2012年引進疏勒河灌區之后，安裝在流速快、斷面小的渠道上，泥沙多、水質差、斷面小、流速快等問題嚴重影響著閘門的安全運行，特別是傳感器出現流量不顯示、流量不準確等問題更為突出[3,4]。傳感器構造如圖1所示。

1.2 傳感器測流故障分析

測控一體化閘門傳感器是采用超聲波水位傳感定位水面，以閘門橫梁為參考零點，測定上、下游水位并結合閘門開度，利用堰流(頂流式)公式計算過閘流量。因為傳感器內嵌在測控一體化閘門的邊框內，所以渠道內的水流需要通過邊框上的小孔進入傳感器延伸管內，內外形成自由液面，傳感器在特定的時間內及時感知水位的變化，達到實時監測水位流量的目的。由于灌區灌季或臨時泥沙較大造成渠道停水，渠道不過水期間，造成從小孔進入傳感器延伸管的細小泥沙沉淀硬化，在下一次閘門再過水時，水流不能及時進入傳感器延伸管內，使得傳感器不能感知過閘水流的變化，出現一段時間的流量不顯示、不準確等問題，造成水量不能及時精準計量統計和存在行水安全隱患。

圖1 測控一體化閘門傳感器構造圖

2 技術方案

通過研究傳感器構造和分析測流原理，本文主要以試驗改造和技術集成為手段，按照發現問題-提出問題-分析問題-解決問題的工作思路不斷推進研究進程和實現技術目標。初期對現有保護外殼進行優化設計改造，進一步探索外置的高壓水沖洗設備和高效自沖洗裝置。技術路線圖如圖2所示。

圖2 技術路線圖

3 設計改造與應用

3.1 外殼優化與人工清洗裝置

為了方便快捷的開啟保護外殼，對原有設計的保護罩外殼按照實際需求進行重新改造設計，采用輕便、強度達到要求的材質優化，對不能輕松取出傳感器的一邊，添加折頁，優化設計尺寸。根據傳感器安裝的位置和運行特點，采用車載高壓水槍沖洗作為基本措施，沖洗傳感器插槽內泥沙。通過多次人工清洗，解決了傳感器不顯示、不準確的問題，提高了測量精度，減小了閘門發生故障的概率，增強了閘門運行的穩定性(見圖3)。

圖3 外殼設計優化及外置清洗裝置

3.2 自動沖洗裝置

結合前期改造措施和技術方案，多次詢問潞碧墾公司技術人員并與自動化機電設備安裝有限公司探討，現場實地分析研究，對傳感器卡槽和外壁進行設計改造，共用閘門電源，研究安裝自動清洗裝置和設備，實現自動沖洗的功能。

(1)裝置工作原理。該自動沖洗裝置控制系統由PLC、人機界面、12 V轉220 V逆變控制單元、軟件控制單元等組成以及外加沖洗水泵和超聲波傳感定位器。此控制系統根據人機界面設定的沖洗時間和水位閥值，通過可編程控制器，精確地控制電機運轉，啟動水泵工作，實現對測控一體化閘門水位傳感器的沖洗[5-10]。具體清洗原理流程如圖4所示。

圖4 清洗原理流程圖

(2)現場試驗及試運行。開灌前，將自動沖洗裝置控制系統安裝就緒，灌水后進行了試運行。現場管理人員開啟控制系統清洗裝置，初步設定清洗時間為1 min+間隔時間為3 min，共計4 min。清洗閾值水位設定在30 cm處，經過4 min的清洗，閘門傳感器從一開始的不顯示數據逐漸顯示水位數據并且從水面清晰地看到通過沖洗裝置增壓沖擊到傳感器的氣泡。自動沖洗裝置控制系統達到了試運行目標和前期研究目的。

通過自動沖洗裝置清洗，取出傳感器查看延伸管底部，基本達到在人工清洗狀態下的效果，去除了表面的沉積和網狀內部淤積的泥沙。清洗效果如圖5所示。

3.3 數據對比分析

根據現場試運行一個循環4 min運行情況，對傳感器水位流量變化進行數據統計和分析。在沖洗之前，閘門開始放水，下游傳統巴歇爾量水堰已經監測到9 cm水位，按照三型堰流量關系曲線換算成水量為0.030 m3/s，但是測控一體化閘門一直處于不顯示流量狀態，從遠程和本地查看流量，流量數值為0，而閘門實際已經過流，務必會造成運行安全隱患。具體如圖6所示。

圖5 清洗前后效果對比

圖6 沖洗前閘門顯示水位流量

為了驗證設備清洗效果，開啟自動清洗裝置，設定時間開始清洗。在清洗過程中，閘門依舊過流且水量保持到目標流量值，實時觀測閘門傳感器水位流量變化，流量變化一次，秒表記錄一次時間。經對記錄的水位流量變化情況進行統計分析，根據圖7(a)所示，傳感器在沖洗過程中，從一開始的沒有數據，到0∶28∶48 s時，流量顯示數據為0.022 8 m3/s，之后隨著時間軸的不斷推移，流量處于逐漸增大趨勢，最終時間在2∶00∶00 s左右，流量數值保持在0.264 2～0.265 3 m3/s。主要原因是通過沖洗裝置將有壓水注入傳感器延伸管內，不僅清洗了延伸管內部的泥沙，也是延伸管內自由液面不斷上升，造成傳感器監測到不斷變化的水位流量，由于進入傳感器延伸管內的有壓水最終穩定在一個液面，所以流量數值也保持在一個穩定值。

之后自動清洗裝置停止沖水，傳感器延伸管內水位液面逐漸回落，根據圖7(b)所示，從最初的0.267 9 m3/s下降到0.098 m3/s，共用時0∶48∶59 s。此時，通過2 min的沖洗，測控一體化閘門傳感器基本恢復正常，能夠精準量測水位流量，傳感器監測到閘門有過水，之后傳感器根據閘門實際的過閘水量計算量測，水位流量最終穩定在0.1 m3/s左右，與之前量測的水量(巴歇爾量水堰)基本一致。

圖7 沖洗過程中閘門監測水位流量變化趨勢

圖8 沖洗后閘門水位流量對比圖

由圖7所示，流量趨勢變化充分說明自動清洗裝置基本達到了清洗傳感器的目的，試運行狀況良好，滿足研究設定的目標要求。通過進一步對比閘門顯示流量和下游巴歇爾量水堰測量水位，兩種量水設施設備顯示的水位流量基本相同，誤差在4%內。如圖8所示。

4 結 語

通過認真觀察試驗和試運行分析研究，從設備保護外殼改造入手到實現自動沖洗功能為目標，根據現場實際提出了自動清洗裝置，最終解決傳感器不顯示、不準確的問題，大大降低了維護人員的工作強度，而且避免了閘門由于流量不顯示、不準確造成的運行管理問題，增強了一體化測控閘門的安全穩定性，提高了灌區水資源利用效率，實現了建立田間精細化灌溉技術體系的戰略目標，為其他安裝一體化測控閘門的灌區提供技術指導和運用示范。同時，通過此次解決傳感器故障的技術難題，切實更進一步發揮了一體化測控閘門自動控制和精確測流優點，為灌區發展現代化、信息化、自動化提供堅強有力技術支撐和設備保障。