东港灌区信息采集系统技术研究与工程应用

田作佳，刘 恒，李 禄

( 辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳110003)

0 引 言

灌溉在我国农业生产、农村经济发展，乃至整个经济社会发展中有着十分重要的地位和作用。农业发展对灌溉的依赖性十分明显，灌区为我国的粮食安全和国民经济发展做出了重大贡献。要进一步实现灌区节水、增效、改善生态的目标，必须从管理入手，向管理要效益，实现灌区管理的现代化，信息采集系统是大型灌区信息化管理动态数据的主要来源。东港灌区位于辽宁省东港市管辖范围，地处鸭绿江和大洋河下游，建设东港灌区信息采集系统可显著提高灌区的节水灌溉能力，进而获得灌区经济效益的最大化。本文从系统的总体设计、流量监测技术、干渠水位监测技术、闸门监控技术和系统技术特点几个方面进行阐述。

1 总体设计

灌区信息采集系统主要是对渠道上重要测水点的流量、水位和闸门开度进行监测。其中水位测点、流量监测点、与闸门控制点、视频监控点距离较近，位于同一个枢纽闸门的不同位置，因此可共用一条数据链路。系统逻辑结构图，见图1。

图1 逻辑结构图

下面从流速测量、水位测量、闸门监控、供电方式、通讯方式几个方面来对水情测站的结构进行说明:流量测量采用多普勒式超声波流速流量计; 水位测量采用超声波明渠水位计;闸门监控采用分布式系统结构;供电方式采用市电供应，并配备蓄电池，在停电时不中断数据采集;( 其中铁甲干渠七支监测点无市电条件，设计采用太阳能加蓄电池) ;通讯方式采用微波通讯，接入灌区通讯网络。( 其中铁甲干渠七支监测点不建设微波，故采用GPRS/CDMA 方式) 。

2 流量监测技术

流量监测建设目标就是测量灌区干支渠上的水量，测流方法及自动化测流仪器的选取要根据本次实施试点的实际情况，按照“实用、可靠、先进、标准、开放、实时”的原则来选择合适的方案。东港灌区渠道上量水建筑物不全面，无法全面采用力学法( 水位－流量法) ，只能采用流速－面积法。通过上面的对比，采用超声波式流速—面积法的原理比较适合东港灌区。

通过仪器测量3个数据: 测平均流速、测水深、测水温。其中水温测量使用温度探头，温度探头不与水接触，紧贴仪器外包装材料顶部，需要置于水底一定时间后才能反映实际水温。测水温的目的是校正超声波在水中的速度，并修正压力传感器所测得的水位值。水深测量使用进口高精度压力传感器，置于仪器底部，其探头感应部位与水直接接触。流速的测量是通过超声波探头( 换能器) 发射与接收超生波信号并做相应的计算处理而获得的。通过测得的平均流速及水位及断面尺寸，可求得断面流量。

3 干渠水位监测技术

常用的水位监测设备有浮子式、压力式、气泡式、超声波式等类型。根据东港灌区干渠的现场情况，选用超声波式水位计。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

超声波感器固定安装在被测量液面上方。探头向水面发射脉冲超声波。声波通过空气到达液面，声波被液面反射成为反射波，探头接收反射波称为回波。探头下边的校正棒也产生反射被探头接收称为校正波。仪表根据发射波与回波、发射波与校正波之间的时差，求出探头到液面的距离E。在与探头到水位零液位的距离L 减E，即求出液位高度H，见图2。

图2 水位测量流程图

4 闸门监控技术

国内外建设的自动化监控系统可分为三种总体结构，即: 集中式、分布式和现场总线式系统结构。根据东港灌区的实际情况，我们采用分布式系统结构。闸门测控站以闸门测控终端机为中心，负责闸门控制命令的执行和数据采集，控制方式可为闭环或半闭环方式;中心站以调度管理软件为核心，配合通信设备得到终端机的数据，软件为C/S 或B/S 结构，可在中心站局域网内提供数据，也可通过Internet或其他方式将数据提供给上级单位，实现多级管理。

系统由一台监控主机、多个闸门测控终端机、执行机构、传感器等组成。各部分相对独立，以数据通讯主机为中心，总线方式连接。将每孔闸门对应一个闸门测控单元，每个闸门测控单元由一个闸门测控终端机、传感器、执行机构构成，各闸门测控单元通过总线方式连接到监测站，总线上可任意增减控制单元，最大支持到255个。为了保证系统的安全性，将出水闸和泄洪闸2个闸门测控站分别连接成一个总线，通过屏蔽双绞线连接到控制中心，各个测控站相对独立。

4.1 监控主机

负责和各个闸门测控终端机通讯，采集数据、存储数据、下发命令。并和用户交互，显示数据和发送用户命令，选用具有高可靠性的工业控制用计算机，为自动控制软件提供一个稳定、快速、安全的运行平台。

4.2 闸门测控终端机

负责对闸门状态数据的采集、闸门控制的执行、闸门故障的判断及与监控主机的信息传递，其内部可存储所控闸门的相关参数，这些数据均可通过监控主机来设置。每个闸门测控终端机为单独的执行单元，负责单个起闭机按自己的程序执行起闭动作，当其中任何一个故障都不会影响到其他闸门的动作。增强了系统的稳定性和可靠性。

4.3 执行机构

负责对电机控制的动作执行。

4.4 传感器

负责采集各种数据，包括水位、闸位、闸门起闭机状态、电机的电压、电流、功率因数等数据，为统计和故障判断提供依据。

为了避免雷电对系统造成破坏和干扰，我们针对供电和信号2 方面做如下处理:

1) 闸房做建筑防雷，接地电阻要求≤5 Ω。( 建筑防雷及接地条件由应业主提供) 。

2) 闸房动力电进线做防雷处理，具体做法为进线处加装二级防雷模块，防止动力电导入雷电。

3) 各种设备接口要做防雷处理，具体做法为:闸门测控终端机和远端水位计、监控主机之间的接口一律采用光电隔离器隔离，防止雷电导入。

4) 信号线一律采用屏蔽线，并做良好接地;各设备外壳、地线等做好良好接地。

5 技术特点

5.1 安全性

安全性是信息采集系统的首要原则，本系统在设计中充分考虑到安全性因素，在闸门控制过程中，当系统发生故障时，软件立即报警，并根据需要和实际情况自动终止当前的闸门运行操作。故障报警内容包括:启闭机荷重过载、闸门运行超限、闸位传感器故障、闸门下滑、闸门卡死、闸门失衡、启闭机过压、过流、缺相等。

5.2 可靠性

可靠性从硬件和软件两方面来考虑。

5.2.1 硬件可靠性

首先系统设备的选型应采用可靠性高的产品;其次系统结构设计应考虑可靠性因素，我们在系统结构的设计上采用分布式结构，每个闸门起闭机采用单独的终端机控制，其中一个故障不会影响到其他的工作，可靠性高。

5.2.2 软件可靠性

软件开发上采用经过严格测试，保证系统的可靠性;并采用软件自动恢复技术，保证系统长时间稳定运行。

5.3 易用性

系统在操作上简单易用，软件界面人性化，智能提示，防止误操作。

5.4 可维护性

系统采用模块化结构，各模块拆装方便，便于维护。

5.5 扩展性

系统结构灵活，采用分布式结构，可增加监测点或监控点，并可增加通讯方式，将数据及视频传至Internet 上，达到信息共享。

6 结 语

本文针对东港灌区信息采集系统技术进行研究，并结合灌区实际情况进行工程应用，分别对渠道的流量、水位及闸门进行监测与控制。管理人员可以在管理局全面掌握灌区的灌溉情况，为上级领导的合理灌溉与科学配饰提供了很好的参考依据。经过1年多的应用与调试，目前已为灌区管理部门带来了良好的社会效益与经济效益。下一步将在决策系统的软件平台方面进行研究与实践，在信息采集系统的基础上，充分挖掘采集的各类数据，进行综合决策与分析，为灌区带来更大的效益。

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