基于计算机控制的流量智能测控系统研究

□游巍亭(河南省许昌水文水资源勘测局)

一、流量智能测控系统功能

流量智能测控系统具有全自动、半自动、人工测验3种方式。利用该系统可实现流量的自动测验及大断面测量。系统应具有水面、河底、流速仪等信号采集、传输及解调功能；起点距、水深计数信号的采集与处理功能；直读流速功能；紧急避让功能、异常中断保护功能；垂线自动布设、流速自动测验、铅鱼自动行进；流量动态计算、流量过程线的绘制、径流量的计算等功能。

水深是流量测验与计算的重要数据之一，准确与否直接影响测流精度。水深数据可以通过两种途径得到：一是借用大断面，将原来实测的大断面作为目前的实际断面，推求水深及测点位置；二是实测水深，通过水面和河底测得实际水深。规范要求测流要用实测水深。测水深涉及到水面信号、河底信号及水深计数。

在确定水面以后，水深计数器清零，铅鱼向下运动，水深计数器开始计数。以上次施测大断面为参考，铅鱼快到河底时，使铅鱼下降速度慢下来，减轻河底对铅鱼的冲击力，提高测量精度，铅鱼触底后水深计数器停止计数，该数值加上水面信号传感器与铅鱼触底托板的相对高差后，即可算出实际水深。

由于河道中某一点的流速在不同时刻是在不断变化的，即存在脉动现象，因此我们难以测得某点的瞬时流速。但这一点的流速在一些时段内的平均值却是稳定的，为了有效减少流速脉动的影响，一般流速仪采用多转输出一信号的方式。目前广泛使用的LS25－1型旋浆式流速仪是采用20转一响（输出一信号），即在水流的作用下，流速仪螺旋浆向一定方向转动，当螺旋浆转够20转时，流速仪内的接触丝接触一次，水下信号装置发出一个流速仪信号。由于大部分流速仪是以接触丝的导通来传递流速信号的，在接触丝接触的瞬间，会出现抖动。在缆道信号采集电路里作了延时整形电路，依据测验时选用的不同型号流速仪选用相应的延时参数，能有效地去掉因流量仪抖动产生的假信号。

过去往往用一定历时的时段平均流速作为这一点的真实流速进行计算，测速历时一般有50s和100s两种选择。开始测流后，从流速仪传来第一个信号计时器清零并开始计时间T及计相应流速仪信号N，达到测流历时后，再来一个流速仪信号结束计时计信号数。用选用流速仪的K值和C值用公式（1）计算这一点的流速。

式中：N为测速时段内流速仪的响数（也就是接触丝的导通次数），T为测速历时，乘20是由于用了20转一响的流速仪；V为该点的流速，可以在显示器上直接显示出来。

布设垂线是通过起点距来体现的，起点距通过光电编码器测得。起点距用于确定流速仪的水平位置，又用来计算水面宽。首先在岸上设置一个参考点作为零点，流速仪从这一点向河道行进，到达河边后，结合水面宽度，根据流量测验规范要求，在相应的起点距处设置测流垂线。

在测流过程中，经常会有漂浮物从上游急速漂来，为了保护测流设施不受破坏，需要将铅鱼迅速从水中提出水面以避让漂浮物。针对这种情况系统设有“紧急避让”功能，在需要避让漂浮物时，操作人员可直接点击该按钮，系统自动终止各项任务，同时保存下该点的起点距及相对水深等重要参数数据，使铅鱼以最快速度提升、旁移避开漂浮物，等漂浮物漂走后，可点击“复位”功能键，系统读出保存的起点距和相对水深等数据，使铅鱼回到原位置继续执行测流工作。

在遇到异常中断情况，如流速仪挂上水草、水下信号故障检修、突然断电等现象时，为了缩短测流时间，减少参数输入的工作量，系统将K值、C值和测流历时、大断面、垂线分布、已测垂线及测点流速等参数放入磁盘中，只要恢复测流工作，就可以读入磁盘中保存的数据，继续按照中断时测流状态测流。

当流量比较稳定时，在全自动和半自动模式下测流，系统可以根据测验规范要求、水面宽及大断面情况，智能生成既具有最少数量垂线，又满足测验精度要求的推荐垂线布设方案，可以人工对该方案的垂线数进行增加或减少，同时可以调整每条垂线采用几点法进行测流。系统根据确定的垂线，从第一条垂线开始，自动测水面、河底，算出水深。根据该条垂线确定的几点法，然后把流速仪移到测速点位置，进入测速状态，从第一个流速仪信号来了以后，开始计时，同时计算流速，并把每一个流速仪信号的流速保存起来，如果流速比较平稳，自动选择50s历时，如果流速不太平稳，选择100s测流历时。在测流历时到了以后，再来一个流速仪信号，结束计数计时，并计算流速。同时，流速仪移向下一个测速点，依次完成第一条垂线上各测点的流速测量，为了缩短测流历时，流速仪在向上提的同时，也移向下一条垂线，并在垂线处提出水面30cm，然后再下降定水面、河底、水深及测各点的流速，这样循环任务直到测完每一条垂线。

由于洪水时期河道中的水位是不断变化的，特别是在河宽较大的情况下，测一次流量需要很长时间，在测流的过程中，水位可能比刚开始测流时高很多，也可能低很多，水面宽也有很大的变化。若还按刚开始测流时的水位定的垂线进行测流，可能会有一定的误差，这时可根据实际情况动态地增加或减少垂线。

缆道流速仪测流采用的是流速面积法，它是根据流速在垂线上的分布规律，先求一条垂线的平均流速，再求两条垂线间的平均流速，将平均流速乘以两条垂线间的部分面积，得两条垂线间的部分流量，将所有部分流量加起来，就是断面相应流量。这个过程比较复杂，人工计算需要20～30min，往往延误报汛时间，不利于防汛。利用系统的高级智能功能，可在测流结束的同时，计算出实测流量，为防汛抢险赢得宝贵的时间。

二、流量智能测控系统的构成

流量智能测控系统可分成几大部分：即水下信号采集部分、信号传输部分、传动部分、控制部分与主控计算机等组成。

水下信号包括水面信号、河底信号及流速仪信号，为了提高精度，增加可靠性，根据设备的特点，这3种信号的采集采用不同的传感器。

水面信号采用感应式传感器，在没有入水之前，感应片与地之间的电阻无穷大，当流速仪入水时，由于水体的导电性，感应片与地之间的电阻为5K～10K。

河底信号采用水银开关或干簧管采集，在铅鱼到达河底之前，托盘没有托起，水银开关或干簧管断开。当铅鱼到达河底时，托盘托起，水银开关或干簧管接触，转换电路工作，送出河底信号。

流速仪信号的传感器是流速仪内部的接触丝，为了防止接触丝因抖动产生干扰信号，当接触丝接触时通过去抖动电路后，送出流速信号。

水下信号是流量计算的关键，水深、转数全根据水下信号来确定，因此，测流精度很大程度上受水下信号传输可靠性的影响。

在缆道的自动测验中，如何将水下各传感器信号准确无误地传到室内接收仪器中，是一个十分重要的问题，也是影响水文缆道建设发展的关键问题。要想使测流历时短、流量精度高，必须有可靠稳定的传输方式。水下信号传输采用抗干扰能力强的数据编码调制信号。

流量智能测控系统的动力及控制部分为水文缆道自动测流操作台，水文缆道自动测流操作台主要由交流无级变频调速系统、手动操作系统、流速仪定位系统、计算机控制部分组成。

主控计算机是1台PIII级以上的工控机，具有较高的运算速度及很强的抗干扰能力，用于全自动测流时对缆道实施自动控制、流量自动计算、实测流量表的打印、数据的存储等。它通过I/O及D/A接口接收水面信号、河底信号、流速仪信号、流速仪位置，控制流速仪行进位置、变频器运转频率，指挥控制台完成测流动作。

三、流量智能测控系统硬件设计

流量智能测控系统硬件设计包括动力调速模块、流速仪定位模块及抗干扰措施3部分组成。

流量智能测控系统的动力调速系统采用交流变频调速。变频调速系统适用电机范围广，调速范围大，控制灵活，能自动平滑加速、减速，有多种用途的外部控制信号接口，易于构成闭环控制系统或计算机控制系统。具有欠压、过压、过流、过载、过热、短路、失速等安全保护和故障诊断报警等功能。

流速仪定位模块通过增量光电编码器结合水面信号及河底信号，用于确定流速仪当前所在的位置。

流速仪的定位是流量测验的关键之一，其最简便的方法是采用绳长计数器。绳长计数器的传感器将循环索水平运动长度和铅鱼上提下放时悬索的运动长度转换为数字信号进行计数，计数结果能传送到操作台，并能以数字方式显示。

用来对绳长进行计数的传感器有很多种，其中在自动测量系统中广泛应用的是光电编码器，它作为系统的一个主要反馈元件，为仪器及其外围部件提供讯息，用来检测机械传动装置的升降、线位移、角位移、线速度、角速度等静、动态量，进行准确的定位和测量。

形成干扰的基本要素有3个：一是干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。二是传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。三是敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，主控计算机，数字IC，弱信号放大器等。

抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。

抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

四、流量智能测控及计算软件设计

前面介绍的水面、河底、流速仪、增量光电编码器等信号只是一开关量，本身并不能出来流速数据；流速仪的水平方向行进、垂直方向的升降及行进或升降速度的快慢，也不是变频器自身能够完成的。这些工作都需要在智能设备——主控计算机的控制下才能实现。根据信号在主控计算机中的流向，软件设计包括信号测量、信号控制及数学计算3个方面，这3个方面是交织进行的。

信号测量通过输入口及计数器用于测量水面信号、河底信号及流速仪位置。前面介绍的流速仪定位模块就是用来采集流速仪位置数据的。水平方向光电编码器用于确定流速仪的水平位置，水面信号、河底信号及垂直方向光电编码器用于确定流速仪入水位置。流速仪信号用于测算流速。

信号控制通过功率输出口及DA转换器用于控制流速仪的前进、后退、提升、下降及停车，以及行进的快慢。

计算功能存在于整个测流过程。首先主控计算机根据当时水位及水面宽按照《河流流量测验规范》要求生成垂线分布数据，控制流速仪从水平方向向第一条垂线方向行进。当流速仪快行进到这一垂线位置时，主控计算机控制水平方向变频器减速运行，以使流速仪停车时惯性最小。当流速仪行进到这一垂线位置时，主控计算机控制水平方向变频器停止运行，启动垂直方向变频器使流速仪向下运动，到达水面后，信号采集装置检测到水面并发送水面信号，主控计算机收到水面信号后，把水深计数器清零，流速仪继续向下运动，水深计数器开始计数。通过参考上次施测大断面资料，流速仪接近河底时，主控计算机控制垂直方向变频器减速，以减小流速仪及铅鱼撞击河底的力量。流速仪到达水底后，信号采集装置检测到河底并发送河底信号，主控计算机收到河底信号后，水深计数器停止计数。此时水深计数器值为实际水深，主控计算机按照测验规范根据水深确定用几点法测流，并提升流速仪到相应水深处停车，然后开始测该点流速。

计算机在开始测速后等待第一个流速仪信号，接收到第一个流速仪信号后开始计时计数，同时这一时刻以后到结束该点测速的所有信号及时间存在计算机中，并运用延时电路，剔除干扰信号，保留真正的流速仪信号。同时对流速进行动态计算，通过神经网络分析前后2次流速之间的误差＜1%时，即认为该流速为该点的真实流速。

这一点流速测完后，该点相对水深、流速仪转数、测流历时、流速等数据在屏幕上显示出来，主控计算机控制流速仪移向下一个测速点或垂线，直到全部测完为止。这时计算机自动计算出实测流量，打印出实测流量表，自动形成水情电报报文，通过信息收发器或调制解调器将报文传送到防汛水情部门。

五、总结和展望

通过上面的研究，结合生产实践，河南省水文水资源局与许昌水文水资源勘测局合作开发了基于计算机控制的HLH2-1型流量智能测控系统，由一个水下信号采集编码发送器、信号解码器、光电增量编码器、双变频器、操作台、I/O接口卡及DA转换卡、主控计算机及智能测控软件组成，并于2003年在化行水文站投入使用，应用效果稳定、良好，2006年洪水期间首次采用该系统使用流速仪法完整地测到了全部洪峰过程，系统经受了洪水的考验，为很少有洪水发生的化行水文站获得了宝贵的水文资料。

随后，该系统又推广应用到了河南省8处重要水文站中，都发挥了应有的作用。

目前该系统已基本达到了预期的研究目标，在今后发展中，应继续探索新的流量测验方法，普及提高流量测验自动化水平，缩短测流时间。同时，力争做到控制、测验一体化，按统一标准制造，完成产品定型设计与生产。提高水下仪器收发讯号可靠性，增强缆道有线或无线信号传输抗干扰、抗衰减能力，提高系统整体可靠性水平。