基于渠道流量遠(yuǎn)程預(yù)警預(yù)報(bào)裝置的設(shè)計(jì)

張建設(shè)

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 瓜州 736100）

疏勒河雙塔灌區(qū)北干渠全長(zhǎng)35.4 km,設(shè)計(jì)流量11.57 m3/s,主要承擔(dān)著為下游瓜州縣瓜州鎮(zhèn)、西湖鎮(zhèn)2 鎮(zhèn)12 個(gè)行政村、2 個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)分場(chǎng)、3 個(gè)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)區(qū)、7 個(gè)集體農(nóng)、林、場(chǎng)（站）的21.2225 萬(wàn)畝農(nóng)田和城鎮(zhèn)綠化的供水。北干渠三分閘作為重要的分水樞紐和調(diào)水工程,在灌區(qū)灌溉管理和工程運(yùn)行中發(fā)揮著舉足輕重的作用,三分閘位于北干渠13+500 處,主要承攬著向北干渠下游渠道輸水和西湖輸水渠的輸水調(diào)水任務(wù),三分閘閘前水位的平穩(wěn)及及時(shí)調(diào)整是下游灌區(qū)用水穩(wěn)定的基本保證。近幾年,由于段站的合并和單位用人機(jī)制的改革,原本蹲守在閘房的值班人員陸陸續(xù)續(xù)回歸與撤離,使得三分閘及西湖輸水渠底閘的夜間運(yùn)行成為石崗墩管理段的工作重點(diǎn)和安全關(guān)節(jié)點(diǎn),夜間閘房的無(wú)人值守致使三分閘存在一定安全隱患。為了有效預(yù)警、預(yù)報(bào)渠道水情,及時(shí)發(fā)現(xiàn)水量變化,結(jié)合運(yùn)行實(shí)際分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn),探索研究一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)渠道水位變化的裝置,在出現(xiàn)較大水位變化或超出設(shè)定水位數(shù)值時(shí)能夠自動(dòng)反饋信息至手機(jī)或其他終端的報(bào)警系統(tǒng)裝置,從而使得管理人員馬上發(fā)現(xiàn)渠道水位變化及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)處置突變水位造成的險(xiǎn)情,確保下游農(nóng)業(yè)灌溉正常有序供水。

1 總體設(shè)計(jì)

該裝置結(jié)合運(yùn)行實(shí)際情況,考慮有現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)、水位顯示、遠(yuǎn)程聲光報(bào)警系統(tǒng)及手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)五部分組成[1-3]?，F(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)將現(xiàn)地采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理傳輸至遠(yuǎn)程聲光報(bào)警系統(tǒng)及手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)渠道水位變化情況,準(zhǔn)確反映水位變化并設(shè)定一定的閾值。此裝置系統(tǒng)可設(shè)置多個(gè)預(yù)警水位,當(dāng)水位到達(dá)預(yù)警水位時(shí)控制遠(yuǎn)程聲光報(bào)警系統(tǒng)及手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聲光報(bào)警和手機(jī)遠(yuǎn)程撥號(hào)報(bào)警。聲光報(bào)警系統(tǒng)由警鈴和警燈組成,當(dāng)聲光報(bào)警系統(tǒng)接受到渠道水位達(dá)到設(shè)定的預(yù)警水位信號(hào)時(shí)將信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)程發(fā)射器,警鈴警燈開(kāi)始聲、光報(bào)警,遠(yuǎn)在較遠(yuǎn)距離的管理段可收到報(bào)警信息,報(bào)警持續(xù)時(shí)間根據(jù)需求設(shè)定。手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)依托遠(yuǎn)程控制器通過(guò)移動(dòng)、電信等網(wǎng)絡(luò)將預(yù)警信號(hào)傳輸至手機(jī)端,當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的預(yù)警水位時(shí),工作人員的手機(jī)馬上能夠接收到高水位預(yù)警撥打的電話(huà),工作人員可根據(jù)水情及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)處理險(xiǎn)情。系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警預(yù)報(bào)裝置設(shè)計(jì)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于鴨嘴式浮球開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì),采集點(diǎn)處沿渠堤自下而上每間隔10 cm 設(shè)置一個(gè)鴨嘴式浮球開(kāi)關(guān),當(dāng)水位到達(dá)浮球開(kāi)關(guān)時(shí)開(kāi)關(guān)閉合形成閉合回路,將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),傳輸至雙向隔離型16 路繼電器控制模塊。雙向隔離型16 路繼電器控制模塊將水位信號(hào)傳輸至水位顯示系統(tǒng)、遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)和手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)。工作的原理是干簧管動(dòng)作原理,即在密閉的金屬或塑料管內(nèi),設(shè)置一點(diǎn)或多點(diǎn)的磁簧開(kāi)關(guān),然后將管子貫穿一個(gè)或多個(gè),中空而內(nèi)部裝有環(huán)型磁鐵的浮球,并利用固定環(huán),控制浮球與磁簧開(kāi)關(guān)在相關(guān)位置上,使浮球在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。利用浮球內(nèi)的磁鐵去吸引磁簧開(kāi)關(guān)的接點(diǎn),產(chǎn)生開(kāi)與關(guān)的動(dòng)作。

1.2 水位顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水位顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用LED 發(fā)光二極管來(lái)顯示。LED價(jià)格便宜,易于驅(qū)動(dòng),能精確地顯示出水位的高度,直觀地顯示出水位高度與警戒水位的差距,便于對(duì)水位高度的控制,降低危險(xiǎn)率。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,結(jié)合運(yùn)行實(shí)際情況,決定設(shè)計(jì)16 段水位顯示電路,由16 組LED 發(fā)光二極管組成,自上而下分別對(duì)應(yīng)渠道0.1 m～1.7 m 水位數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理及手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理及手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)作為本設(shè)計(jì)裝置的核心部分,將數(shù)據(jù)采集模塊采集的水位信號(hào)進(jìn)行讀取,根據(jù)設(shè)置條件進(jìn)行判斷,依托移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將預(yù)警信息傳遞至移動(dòng)終端或手機(jī),實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警預(yù)報(bào)的的功能[4-6]。數(shù)據(jù)處理及手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)選用HK15-4G080816 路云智能遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān),該控制器可在AC220 V/380V、DC9-30V 電壓范圍內(nèi)運(yùn)行,支持8 路繼電器輸出2A,16 路繼電器輸出2A 的輸出方式,可采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)和云智能APP 控制兩種方式。將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的16 路水位信號(hào)輸入至遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān),并對(duì)需要預(yù)警的水位進(jìn)行設(shè)置,可設(shè)置一個(gè)低水位預(yù)警值和一個(gè)高水位預(yù)警值,當(dāng)水位到達(dá)預(yù)警水位值時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟遠(yuǎn)程預(yù)警,可向多個(gè)不受距離限制的管理員手機(jī)終端發(fā)送預(yù)警信號(hào),直至管理員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)妥善處置后預(yù)警解除。也可從多個(gè)手機(jī)終端上隨時(shí)隨地查看渠道實(shí)時(shí)水量情況。該系統(tǒng)對(duì)于無(wú)人值守的渠道水位信息可做到及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸、預(yù)警。

1.4 遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同于遠(yuǎn)程手機(jī)報(bào)警系統(tǒng),是將數(shù)據(jù)信號(hào)和預(yù)警信號(hào)傳遞至特定的點(diǎn)位,如機(jī)房、值班室等。遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)該系統(tǒng)主要依托電磁波將預(yù)警信號(hào)傳遞至信號(hào)發(fā)射器方圓5000 m 內(nèi)的機(jī)房、值班室,當(dāng)機(jī)房、值班室的信號(hào)接收器接收到預(yù)警信號(hào)時(shí),就控制電鈴報(bào)警、警燈閃爍,尤其在夜間值班人員熟睡時(shí),能夠及時(shí)地提醒并迅速做出反應(yīng),達(dá)到預(yù)警效果。此系統(tǒng)功能與手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)功能相互補(bǔ)充,避免了設(shè)備故障引起的漏報(bào)和移動(dòng)終端或手機(jī)因出現(xiàn)關(guān)閉造成的不能響應(yīng),大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和預(yù)警預(yù)報(bào)的及時(shí)性。本遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備選擇XYYK-01220V 型高增益遙控開(kāi)關(guān),可負(fù)載電機(jī)、水泵、日光燈等設(shè)備,配置隔離電源變壓器、30A 繼電器,可根據(jù)不同使用環(huán)境在300 m～5000 m 之間實(shí)現(xiàn)遙控控制,由于XYYK-01220 V 型高增益遙控開(kāi)關(guān)使用遙控器進(jìn)行控制,不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能,所以將該設(shè)備遙控器由原來(lái)的電池供電更改為直流電源供電,并對(duì)信號(hào)發(fā)射器開(kāi)關(guān)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),由手機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制延時(shí)繼電器,再由延時(shí)繼電器控制XYYK-01220 V 型高增益遙控開(kāi)關(guān)的發(fā)射端,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遠(yuǎn)程控制的功能。當(dāng)值班室工作人員接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)可迅速做出反應(yīng)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 北干渠三分閘流量遠(yuǎn)程預(yù)警預(yù)報(bào)裝置設(shè)計(jì)

在北干渠三分閘閘室垂直斷面處設(shè)置16 路水位信號(hào)采集點(diǎn),采集點(diǎn)處每間隔10cm 設(shè)置一個(gè)鴨嘴式浮球開(kāi)關(guān),根據(jù)渠道過(guò)水流量,設(shè)置高水位和低水位,當(dāng)渠道內(nèi)水位有所變化時(shí),浮球接通開(kāi)關(guān)形成閉合回路,繼電器控制模塊將水位信號(hào)轉(zhuǎn)化為傳輸至水位顯示系統(tǒng)、遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)和手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

2.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

通過(guò)調(diào)度運(yùn)行日志可以看出,每當(dāng)加水或減水時(shí),結(jié)合渠道從源頭到三分閘,水流行徑的流速規(guī)律分析,遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)都能準(zhǔn)確的預(yù)警,并且及時(shí)地提醒職工處理加減水的情況,并且管理段職工不再需要實(shí)時(shí)蹲守在閘臺(tái)等水盼水,達(dá)到了靈活工作的目的。具體見(jiàn)表1（以4 月15 日至5 月10日有水量變化為例）。

表1 三分閘水位流量觀測(cè)調(diào)水日志表

3 效果分析

（1）實(shí)現(xiàn)了水位流量提前預(yù)警預(yù)報(bào)的功能。

根據(jù)北干渠每日過(guò)渠的流量,按照灌溉調(diào)度指令和日常調(diào)水規(guī)律,設(shè)置好水位上下限閾值,如出現(xiàn)渠道水量突增突減,鴨嘴式浮球開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通,遠(yuǎn)在一公里外的管理段安裝的報(bào)警系統(tǒng)裝置會(huì)控制電鈴報(bào)警、警燈閃爍,同時(shí),手機(jī)遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)撥號(hào),特別對(duì)夜間值班人員熟睡時(shí),能及時(shí)的提醒,迅速趕赴現(xiàn)場(chǎng),采用有效措施處理水情,通過(guò)在北干渠三分閘安裝遠(yuǎn)程預(yù)警預(yù)報(bào)裝置,讓值班人員提前預(yù)知渠道來(lái)水變化,為處理突發(fā)險(xiǎn)情爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了預(yù)警預(yù)報(bào)的功能。

（2）減低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度和渠道巡查的頻率。

由于北干渠三分閘主要承擔(dān)著向北干渠下游渠道輸水和西湖輸水渠的輸水調(diào)水任務(wù),所以時(shí)有水量不穩(wěn),忽大忽小的情況時(shí)有發(fā)生,為保證下游灌區(qū)農(nóng)戶(hù)用水平穩(wěn),管理段值班人員需長(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)守在閘臺(tái),多次的進(jìn)行調(diào)水,經(jīng)常性往返于管理段和閘房之間,遠(yuǎn)程預(yù)警預(yù)報(bào)裝置的應(yīng)用,總體上,減低了巡查的頻次,可以根據(jù)警報(bào)預(yù)警的情況,分析來(lái)水情況,科學(xué)合理的安排調(diào)水和巡查頻率,大大降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了自動(dòng)化的水平。

（3）保障了渠道安全及下游水量的平穩(wěn)。

通過(guò)遠(yuǎn)程預(yù)警預(yù)報(bào)裝置,管理段職工可隨時(shí)隨地地掌握渠道水位變化,不再需要頻繁的到閘室去觀測(cè)水位流量,遠(yuǎn)程監(jiān)控水位變化,出現(xiàn)較大水位變化時(shí),及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)處置突變水位造成的險(xiǎn)情,不僅保障了渠道和建筑物的安全,而且保證了下游灌區(qū)的水量平穩(wěn),有效地化解了灌區(qū)水量不穩(wěn)造成的水事矛盾糾紛。