南水北调泗洪站水尺自动清洗装置研制与应用

王长亮 项明洋 杜 威

(南水北调东线江苏水源有限责任公司宿迁分公司，江苏 宿迁 223800)

1 概 述

南水北调泗洪站位于宿迁市泗洪县朱湖镇东南的徐洪河上，是南水北调东线一期工程第4梯级泵站之一，主要功能是与睢宁站、邳州站一起，通过徐洪河向骆马湖及以北输水。泗洪泵站和徐洪河节制闸、泗洪船闸、排涝调节闸、利民河排涝闸等共同组成泗洪站枢纽工程。该站同时可为泗洪站与睢宁站之间生活、生产和航运补充水源，并可为泗洪县沿利民河区域排涝。南水北调东线一期工程输水渠道大部分采用天然河道，天然河道泥沙量较多，同时伴随夏季水中微生物、藻类较多，容易附着在水尺表面，导致水尺模糊不清，无法正常观测，需经常人工清理水尺附着物，给现场运行管理带来诸多不便，且临水作业存在一定安全隐患[1]。为解决这一长期难题，亟需提供一种使用方便、劳动强度低、安全性高的水尺自动清洗装置。

2 水尺观测概述

2.1 水尺观测的意义

水位是河流或其他水体(如湖泊、水库、人工河、渠道等)的自由水面相对于某一基面的高程，单位以米表示。水位观测是水文要素观测的重要组成部分，通过水位观测可以了解水体的状态，通过水位数据可直接为工程建设、防汛抗旱等服务。因此，水位变化必须时刻处于监测之中，水位观测是一线防汛工作中必不可少的工作内容[2]。

2.2 水尺的特点

在基层实际水位观测中，比较经常使用的工具是固定水尺，其由水泥或坚固金属制作，按照统一规格形制，涂刷有“E”字形高度标识，读数精确至厘米，具有易于辨识、读数稳定、使用寿命长等特点。

2.3 水尺自动清洗装置的必要性

水位是水文观测的重要数据，极具瞬时性和变化性，在水利工程调度决策中承担着重要角色，所以水位观测的及时性、可行性、准确性极其重要。观测人员在值班期间，需要定时查看水尺并记录读数、及时上报，以便于防汛部门对工程水势、水情的全面把握。但是，受到环境和硬件条件制约，水尺观测有以下几个弊端：一是南水北调东线工程主调水期在每年11月至次年5月，夏季主汛期调水频率较低，河道水体呈静止状态，易滋生蓝藻，使其及浮游生物附着在水尺上，水尺表面脏污模糊不清，致使水位数据无法直接读取；二是河边地势复杂，工程上一般采用人工清洗水尺方法以读取水位数据，人工清洗水尺近水作业发生安全事故概率较高；三是工程中水尺较多，就泗洪站单体工程而言，现场安装12处水尺，采用人工清洗，需要花费大量时间，工作效率低。因此，设计一种能够解决上述问题并符合南水北调工程水位观测应用实际的水尺自动清洗装置十分必要。

3 水尺自动清洗装置的设计

为了解决以上问题，设计水尺自动清洗装置时，考虑到水尺一般安装于翼墙等水工建筑物上，要想清洁水尺，装置就必须可以在水尺表面上下移动，辅以清洗措施，达到自动清洗水尺的目的。水尺自动清洗装置由硬件和软件两项构成。硬件由工装部分、执行部分及控制部分组成，其中工装部分为模拟装置工装和现场清洗工装[3]。软件由PLC程序及触摸屏(人机)编程组成(见图1)。

硬件构成如下：

a.工装部分。ⓐ模拟装置工装：用于水尺清洗模拟展示，主要部件由底座、万向轮、固定立板、水尺、集水盆、控制箱固定座等组成；ⓑ现场清洗工装：用于现场水尺清洗，主要部件由固定立板、伸缩框架、手动绞车、可调节固定支架等组成。

b.执行部分。主要设备由步进电机(行程电机、毛刷电机)、一体式电机座、滚珠丝杆、直线滑杆、滑块、升降件、清洗刷、水泵、行程开关、链式护线槽等组成(见图2、图3)。

图2 水尺自动清洗装置模拟工装

图3 水尺自动清洗装置现场工装

c.控制及软件构成。主要设备及元件由控制箱、空气开关、电源模块、PLC、电机驱动器、触摸屏、智能遥控开关、按钮、指示灯、线缆等组成[4](见图4)，软件提供PLC程序(见图5、图6)，触摸屏(人机交互)编程(见图7)。

图4 水尺自动清洗装置示意图1—控制箱；2—行程开关；3—升降件；4—滑块；5—直线滑杆；6—水尺；7—固定立板；8—行程电机；9—一体式电机座；10—水泵清洗管喷头；11—毛刷电机；12—清洗刷；13—链式护线槽；14—滚珠丝杆

图5 水尺自动清洗装置电气接线模拟图

图7 一种水尺自动清洗装置触摸屏设置画面

4 工作原理

水尺自动清洗装置中水尺竖直安装于立板表面，立板上还设置有滑杆、丝杆、升降件、水泵和驱动丝杆旋转的第一电机(以下简称行程电机)，滑杆、丝杆分别位于水尺两侧且与水尺平行设置，丝杆转动安装于立板上，升降件一端与滑杆滑动连接，另一端与丝杆螺纹连接，升降件上设有清洁刷、喷水管和驱动清洁刷旋转的第二电机(以下简称毛刷电机)，清洁刷位于水尺的正前方且与水尺表面相接触，喷水管的出水口位于清洁刷的正上方，喷水管通过水泵与水箱连接。通过行程电机驱动丝杆旋转以及与滑杆的滑动配合，实现清洁刷的升降运动，再通过毛刷电机驱动清洁刷旋转以及清水的冲洗，实现水尺表面的自动清洗[5]。

在研发水尺自动清洗装置过程中，我们希望装置具有以下功能优点：远控自动清洗、可设定自动清洗频次、根据水位自动设定清洗范围等。因此水尺自动清洗装置共开发了现地清洗、远方清洗和自动清洗三种功能，公共参数设定导程行程800mm、行程速度1000mm/min、毛刷速度50r/min、原点速度1500mm/min、爬行速度800mm/min(可根据实际情况调整各参数值)。

4.1 现地清洗

控制箱面板上和触摸屏上均设置了行程电机和毛刷电机的启动和停止按钮，此功能下需要手动设置触摸屏控制画面上限位置和清洗行程参数。设置完成后，在控制箱面板上或触摸屏上操作行程电机启动按钮，行程电机开始动作，按照设备程序先使升降件回到原点位置，再将升降件按照设定导程行程向下行走至下限位置，随后升降件按照清洗行程进行上下往复动作，操作毛刷电机启动按钮，清洗毛刷按照设定速度开始旋转，实现清洗行程范围内水尺清洗，如水尺表面油污严重，可启动水泵向清洗毛刷提供清洗液进行水尺清洗。水尺清洗洁净后，关闭水泵。清洗结束，按下行程电机和毛刷电机停止按钮，毛刷电机即停止工作，行程电机将按照程序自动使升降件回到原点位置，清洗全部结束(见图8、图9)。

图8 现地箱控制

图9 触摸屏控制

4.2 远方清洗

将控制箱内PLC与上位机通过网线进行连接，在上位机组态软件中进行编程，设置与触摸屏画面相同的操作界面，在上位机上实现水尺自动清洗装置的远方操作，操作方法与现地操作中触摸屏上的操作方法相同(见图10、图11)。

图10 上位机控制画面1

图11 上位机控制画面2

4.3 自动清洗

将水位计采集的信号上传至PLC，触摸屏画面中的上限位置自动采用水位模拟信号，清洗行程按照上限位置和后台程序自动设定，此时装置可根据PLC设定的清洗时间和频次实现水尺自动清洗。

5 应用与效益

该装置清洗速度快、安全性能高、可循环利用、维护成本低，仅需坐在泵站中控室点击上位机鼠标，2min即可完成整个水尺清洗，较原人工清洗，大大降低了清洗维护成本，减少了安全隐患；安装简单、操作简便、造价较低、清洗质量好，目前已在南水北调泗洪站进行应用，清洗后的水尺表面清洁度高，具有很好的推广价值。

泗洪站共设置不锈钢水尺12根，采用人工清洗时，每次清洗需配置2名临水作业人员和1艘作业船只，所有水尺单次维护成本约1500元，按每月清洗一次尺寸计算，该装置应用于工程现场后，一年可节约维护成本约18000元，直接经济效益十分可观。

6 总结与展望

水尺自动清洗装置的研制与应用，是南水北调泗洪站以工程实际问题为导向，开展“五小”创新改造的探索和尝试。在水利工程管理工作中，有许多重要的设施为我们提供了工作上的便利，但这些设施随着时代的发展、科技的进步，需要进一步完善和改进，水尺自动清洗装置经过研发应用取得了预期效果，尤其在南水北调泗洪站参与2022—2023年度向省外调水期间，在人工不便维护水尺的情况下装置发挥了良好作用，为泵站稳定、安全运行提供了水文数据保障，此次水尺自动清洗装置的应用对于类似情形的泵站、闸站、水文测站等水利工程具有一定的借鉴意义。