一種軌道式渠道自動測流系統的研制與應用

栗克國 孟祥杰 李志飛 張璇

摘要：針對引黃灌區缺少適用面廣、使用方便的量水系統的問題，提出了一種軌道式灌區明渠量水方法。結合PLC自動化技術、計算機及無線數據傳輸技術，通過系統集成的方法，研制了包括渠道斷面自動測流車和遠程控制管理軟件的軌道式渠道斷面自動測流系統。該系統可測量水位、水深、分層流速等多個參數，通過內置模型自動計算斷面流量，使用GPRS無線網絡將測量數據上傳到控制軟件，同時具備自主充電、自動啟閉測流房卷簾門等功能，實現了真正意義上的無人值守和全自動測量。經在部分引黃灌區渠道比測試驗，該系統流量測量結果與流速儀精測法的測量結果相比，誤差在2%以下，滿足灌溉渠道系統量水規范的要求。與傳統的明渠量水系統相比，該系統具有效率高、適用性強、精度高等特點。

關鍵詞：灌區量水；明渠；自動測流車；水深測量

中圖分類號：P332.3

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.033

我國是農業大國，農業灌溉成為糧食豐收的重要保證。但在農業灌溉方面，普遍存在效率低下的狀況，我國農業灌溉水的利用系數平均為0.45，而發達國家為0.7～0.8。我國的灌區大部分是在20世紀六七十年代建成的，限于當時的技術經濟條件和管理體制，很多灌區沒有量水設施，或者有量水設施但因量測精度太低而無法使用。隨著水資源的日益緊缺和水市場的建立，“計劃用水，按方收費”是灌區水費改革的重要內容，節水灌溉也成為一項重要的工作。

在農業節水灌溉各項技術措施中，灌區量水是一項基礎的、關鍵的、難度較大的技術。該技術是灌區管理部門進行引水、輸水、配水工作必須采取的技術環節。目前，灌區量水依然是一個薄弱環節，盡快研究并推廣使用方便、適用性強、量測精度高的量水設施成為當前的重要工作。

本文介紹一種軌道式渠道斷面自動測流系統。該系統綜合了PLC自動化、計算機、無線數據傳輸等技術，通過系統集成的方法，實現了水位、水深、分層流速等多個參數的自動測量和斷面流量的自動計算。同時系統具備自主充電、自動啟閉測流房卷簾門等功能，實現了真正意義上的無人值守和全自動測量。經在山東省多個引黃灌區應用，其測量過程規范可靠，測量數據準確，流量計算結果滿足相關規范要求，達到了預期的目的。

1灌區量水方法及存在問題

1.1灌區常用量水方法介紹

灌區常用的量水方法包括水工建筑物法、特設設備法、儀表流量計法、流速面積法。

水工建筑物量水的原理是通過對過流建筑物上、下游水位和閘門開度的監測，根據穩定的水位流量關系，實現對流量的測定。該方法不但可以減少因設置量水設施而產生的水頭損失，而且可以節省大量附加量水設施的費用，并且方便增加水位、閘位自動監測系統，實現自動化量水。

當渠系上沒有水工建筑物或為了取得特定渠段、地段上的水量資料，可以利用特設量水設備進行量水。常見的特設量水設備有三角堰、平坦V形堰、巴歇爾槽、無喉槽、長喉槽等。特設量水設備不可避免會帶來一定的水頭損失，而且不同形式的量水設備的測流精度、測量范圍、抗干擾能力差異很大，使用時需要根據實際情況進行選擇。

大部分儀表類流量計是基于水力學原理測流的二次儀表，其優點是結構簡單、量測直觀、計量簡捷。但其對過水斷面有兩個要求：一是必須規則標準、面積易算、平整光滑；二是必須滿管出流，過水斷面軸線與渠道水流軸線吻合，出水口被下游最低水位淹沒。隨著電子技術和集成電路技術的迅速發展，又產生了一批新型的流量計，如電磁流量計、超聲波流量計等。電磁流量計具有壓力損失小、測流范圍廣、不需要參數補償等優點。超聲波流量計是一種非接觸式流量量測設備，不需要在流體中安裝測量元件，不改變流場，無壓力損失，但價格較為昂貴。

使用流速儀量水，結果較為精確，但測流和計算流量比較費時、繁瑣。此種方法對測流斷面的選擇要求較高，要求渠段平直、水流均勻、無旋渦和回流，水流方向應與斷面垂直。

1.2灌區量水存在的問題

（1）灌區基礎設施不配套。我國灌區大多是20世紀六七十年代興建的，規劃設計不周密，渠系標準不高，建筑物配套不全。各個灌區的自然、經濟和技術條件參差不齊，現有的量水設施狀況各不相同，老化失修現象嚴重，量水設施寥寥無幾且大都無法正常使用。

（2）量水設施精度不高。在灌區量水中，一般要求量水誤差不超過5%。目前使用的大部分量水設備在特定的流態和工況下才能達到較高的精度，一旦流態改變或工作條件變化，量測精度就會降低；有些量水設施對施工要求較高，當施工質量達不到設計要求或運行期局部淤積都會使量水精度顯著下降。

（3）量水設施費用較高。各科研單位和大專院校研制的各種新型量測設備不是價格過高就是結構復雜，使用不方便，無法在灌區普及應用。

（4）量水設施適用性不強。各種量水設施都有較嚴格的使用條件，對工作環境和操作人員業務水平要求較高，特別是近年來出現的新型量測設施，對氣象條件（刮風、下雨）、渠底淤積等更為敏感，運維過程中要求人員素質更高，嚴重制約了在灌區的推廣應用。

2軌道式渠道斷面測流原理

2.1測量原理綜述

大部分灌區渠道測流斷面上需設用于人工測流的測橋，為了節省費用，在測橋上游側鋪設兩條三角形平行軌道，軌道一端鋪設到測流房內。在軌道上根據渠道斷面寬度確定測量垂線位置及條數，在每條測量垂線處安裝標識器。測流車放置于測流房內的軌道上，啟動測量時，測流車攜帶流速儀沿軌道運動，遇到測量垂線標識器時，測流車停止運動，進行水位、水深（淤積厚度）測量，根據測量的水位和水深數據，確定當前垂線流速測量方式。測流車下放流速儀到固定深度進行單點流速測量或分層流速測量，測量完成后收起流速儀，啟動測流車到下一個測點。所有測點測量完成后，測流車計算每條垂線的部分平均流速和部分面積，計算部分流量，將部分流量累加即為斷面流量，見圖1。

如圖1所示，該方法與流速儀精測法的測量流程相似，可根據需要加密測量垂線，具備水深（淤積厚度）測量功能，可補償淤積造成的斷面面積計算誤差和垂線分層測點定位誤差，從測量原理上保證其具有較高的測量精度。

2.2水位測量

使用固定在測流車腹部的超聲波水位計進行水位測量，通過測量超聲水位計下端面到水面的距離H計算水位：S水=S超-H，其中S超為超聲波水位計下端面的高程，該值可通過測量軌道上端面高程和測流車腳輪到水位計下端面垂直距離得到。

受淤積等因素的影響，各垂線測點的水位并不一致，為了保證測量數據準確，在每條垂線測點上均進行水位測量，每部分面積的計算均使用對應測點的水位測量數據。

2.3流速測量

測量垂線平均流速的方法，通常有積深法和積點法。積深法屬于垂直方向的積分法，從理論上講，在不考慮其他影響因素時，此法具有較高的精度。然而，最常用的是積點法。積點法是在垂線上按一定規律布置有限的測點施測點流速，根據測得的各點流速，推算垂線平均流速。

系統內置一點法、兩點法、三點法和五點法4種測流方法，根據測量的水位和水深數據自動選擇采用何種方法。一般來說，不同的水深采用不同的方法，參考標準見表1。

2.4水深測量

水深測量又稱為泥位測量，使用接近傳感器（泥位計）作為前端傳感器，泥位計安裝在鉛魚下方，當鉛魚在鋼絲繩帶動下向下移動時，泥位計隨之移動，接近水底時，泥位計輸出信號，根據鉛魚下降高度即可推算出渠底淤積變化情況。如圖2所示，水深測量結構由步進電機、卷揚輪、定滑輪、旋轉編碼器、防擺架、傾角測量器、鉛魚、泥位計、鋼絲繩等組成。鋼絲繩纏繞在卷揚輪上，通過定滑輪、限位桿并穿過傾角測量器，掛載流速儀、鉛魚及泥位計。

進行水深測量時，步進電機帶動卷揚輪逆時針轉動，鋼絲繩在鉛魚的帶動下下放，與定滑輪連接的旋轉編碼器轉動計數，當泥位計接觸泥面或渠底時，泥位計內部的干簧管動作，發信號給測流車，此時測流車停止電機轉動，根據旋轉編碼器轉動角度ω和定滑輪直徑D定可計算鋼絲繩下放長度L放，此長度加上上限位到泥位計的高度h即為上限位到水底的鋼絲繩長度L測：

L測=L放+h=ωD定+h

（1）

當鉛魚和流速儀入水后，受到水流沖擊發生側移，帶動鋼絲繩發生偏轉，當偏轉角度較小時，可以忽略鋼絲繩傾斜對測量結果的影響，認為L測就是測流車上限位到渠底的距離，當偏轉角度較大時，需要進行補償處理，如圖3所示。式中：L測、θ、S水3個參數均可通過測流車測量得到；L1為測流車上限位點到防擺架最底端下位孔的距離，為定值。據此可計算實際水深。

2.5流量計算

斷面流量計算采用平均分割法，計算步驟如下。

（1）計算測點流速。根據施測記錄的轉數和歷時，按流速公式計算測點流速。

（2）計算垂線平均流速。根據實測情況，按垂線平均流速的計算方法，求出各測線的垂線平均流速Vm1、Vm2、…、Vm（n-1）。

（3）計算部分平均流速。部分平均流速就是相鄰兩條測線的垂線平均流速的平均值，即

岸邊流速系數α與渠道的斷面形狀、渠岸的糙率、水流條件等有關。合理選取α值，對提高流量施測精度有顯著影響，α值可以通過實測確定。

（4）計算部分面積。部分面積由相鄰兩條測線處的水深的平均值乘以測線間距（見圖4）而得：

（5）計算部分流量。由每塊部分面積乘以該面積對應的部分平均流速即得部分流量。

（6）計算斷面流量。各個部分流量qi之和即為斷面流量Q：

3渠道斷面自動測流車研制

3.1總體設計方案

渠道斷面自動測流車是一種綜合性的測量控制系統，其采集垂線水位、分層流速、水深等數據，通過分部流速面積法計算斷面流量，整個測量過程無需人的參與，測量完成后自動將測量數據和計算的流量數據上傳到上位機控制軟件。

渠道斷面自動測流車使用直流減速電機驅動前進或后退，使用步進電機控制流速儀及鉛魚的收放，可自主在軌道上移動，自主完成儀器收放操作。

渠道斷面自動測流車使用PLC控制器為控制核心，管理所有采集儀器、監測設備、輔助支持設備，實現整個量測過程的有效控制。

渠道斷面自動測流車內置可充電電池，單次充電可進行4次斷面流量測量。設計有電源控制功能，可分別控制各個功能模塊供電以有效降低系統能耗；設計有自動充電裝置，可自主返回測流房進行充電，并具有過沖保護和低電量報警功能。

渠道斷面自動測流車設計有文本顯示控制器，可顯示測流車運行狀態和實時數據，可通過鍵盤設置測流車工作模式和相關運行參數。

渠道斷面自動測流車具備多個數據接口，支持GPRS、2.4G無線、433M無線等多種通信方式，可將采集數據和計算結果實時上傳到上位機，支持上位機遠程對測流車進行控制操作，支持手持終端機和手機APP客戶端遠程對測流車進行操作。

3.2機械結構設計

渠道斷面自動測流車機械結構主要包括外殼、底盤、驅動機構、儀器收放機構、運動限位機構、線纜收放機構等，見圖5。

3.3硬件結構設計

硬件主要包括PLC控制模塊、串口通信模塊、無線數據傳輸模塊、繼電器模塊、數據采集模塊、步進電機控制模塊、文本顯示模塊、電源模塊、自動充電模塊、監視報警模塊等，見圖6。

測流車選用西門子S7-200SMART系列PLC控制器，為西門子新一代小型控制器，具有豐富的I/O節點，可擴展模擬量、數字量通信接口等，集成以太網模塊，支持三軸100 kHz的脈沖輸出，內置芯片處理功能強大，基本指令執行時間可達0.15μs。

電源模塊采用12V60AH蓄電池給驅動電機供電，使用12V轉24V模塊給PLC控制器、超聲水位計、無線通信模塊供電，12V轉48V模塊給步進電機供電，12V轉5V模塊給旋槳流速儀、限位器等供電。各用電設備可通過PLC連接繼電器控制通斷。

串口通信模塊采用服用方式，可同時支持GPRS、433M無線、2.4G無線3種通信方式中的任意2種，使用433M無線通信時，支持手持終端PDA的遠端控制。在GPRS模式下，支持上位機遠程控制和手機APP遠程控制。

流速數據采集支持旋槳流速儀、電磁流速儀，支持脈沖量、數字量數據輸入，可設置流速儀工作參數。

文本顯示模塊選用西門子TD400C文本顯示控制器，其支持15個可配置按鍵，顯示屏可顯示4行字符，擁有顯示背光，適用于從簡單到比較復雜的操作任務。設計支持使用文本顯示控制器操作測流車，可查看測流車工作狀態和測量數據，可設置測流車相關工作參數。

自動充電模塊使用接觸式充電方式，當電池電量低于設定值后，測流車運動到測流房充電位置進行自動充電，充電完成后，測流車可自動斷開充電電源防止電池過充。

測流車具有多個監視報警功能，可監視電池電量、測流車運動速度，可監測軌道運動障礙并報警提醒，支持軟件閃爍報警和本地聲光報警。

3.4 PLC軟件設計

PLC軟件使用S7-200SMART專用編程軟件STEP7- Micro/WINSMART開發和LDA梯形圖開發，其主要流程見圖7。

測流車在不測流時為待機狀態，等待執行用戶指令，執行完用戶指令后再次進人待機狀態。在待機過程中，定時監測電池電量，如果需要充電，自動移動到充電位置進行充電。電池充滿后，自動移動小車到待機位置，防止長時間充電對蓄電池造成損傷。

用戶指令包括參數設置、啟動測量過程、中斷測量過程等，其中自動測量過程是最重要、最核心的T作流程，其流程見圖8。

上位機控制軟件使用C#語言開發，基于.net框架，主要功能是實現與測流車的通信、管理以及測量數據的整定、處理，其主界面見圖9。軟件設計支持通過無線網絡、RS485串口等與測流車通信，支持附加的現場視頻監控，可以在測流過程中遠程觀察測流車現場運行情況。軟件支持定制化的報表輸出功能，可以根據灌區實際情況生成指定格式的測量報表。

4測試數據分析及現場應用

渠道斷面自動測流車研制完成后，分別在實驗室和現場進行了數據比對試驗，其中實驗室數據比對試驗以各項測量參數的比對為主，主要包括水位、水深、流速等參數的比對。現場數據比對則以與流速儀精測法測量的斷面流速和計算的斷面流量比對為主。

4.1測試數據分析

測流車測量水位使用的是超聲水位計，利用國家水運工程檢測設備計量站的水位計檢定水塔進行超聲水位計的數據比對，結果見表2。

測流車測量流速使用的是旋槳流速儀，利用國家水運工程檢測設備計量站的流速儀檢定水槽進行流速儀的數據比對，結果見表3。

從實驗室測試數據分析，測流車單項水文參數測量精度滿足相關標準和測量規范要求。

測流車在山東濱州部分灌區進行現場數據比測，直接比對人工測量流量和測流車測量流量，相關數據見表4。

從比對結果看，測流車測量的最大相對誤差在4.02%以下，測流車連續兩次測量結果的平均相對誤差在1.69%以下。

4.2實際安裝應用

渠道斷面自動測流系統自研制以來，經過了數次適用性改進和完善，先后在山東省濱州市韓墩灌區、小開河灌區和德州李家岸灌區等進行了大量的安裝測試，其中小開河灌區自動測流系統經過近幾年的運行，已經完全可以替代人工測量，取得了較好的應用效果。