一种轨道式渠道自动测流系统的研制与应用

栗克国 孟祥杰 李志飞 张璇

摘要：针对引黄灌区缺少适用面广、使用方便的量水系统的问题，提出了一种轨道式灌区明渠量水方法。结合PLC自动化技术、计算机及无线数据传输技术，通过系统集成的方法，研制了包括渠道断面自动测流车和远程控制管理软件的轨道式渠道断面自动测流系统。该系统可测量水位、水深、分层流速等多个参数，通过内置模型自动计算断面流量，使用GPRS无线网络将测量数据上传到控制软件，同时具备自主充电、自动启闭测流房卷帘门等功能，实现了真正意义上的无人值守和全自动测量。经在部分引黄灌区渠道比测试验，该系统流量测量结果与流速仪精测法的测量结果相比，误差在2%以下，满足灌溉渠道系统量水规范的要求。与传统的明渠量水系统相比，该系统具有效率高、适用性强、精度高等特点。

关键词：灌区量水；明渠；自动测流车；水深测量

中图分类号：P332.3

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.033

我国是农业大国，农业灌溉成为粮食丰收的重要保证。但在农业灌溉方面，普遍存在效率低下的状况，我国农业灌溉水的利用系数平均为0.45，而发达国家为0.7～0.8。我国的灌区大部分是在20世纪六七十年代建成的，限于当时的技术经济条件和管理体制，很多灌区没有量水设施，或者有量水设施但因量测精度太低而无法使用。随着水资源的日益紧缺和水市场的建立，“计划用水，按方收费”是灌区水费改革的重要内容，节水灌溉也成為一项重要的工作。

在农业节水灌溉各项技术措施中，灌区量水是一项基础的、关键的、难度较大的技术。该技术是灌区管理部门进行引水、输水、配水工作必须采取的技术环节。目前，灌区量水依然是一个薄弱环节，尽快研究并推广使用方便、适用性强、量测精度高的量水设施成为当前的重要工作。

本文介绍一种轨道式渠道断面自动测流系统。该系统综合了PLC自动化、计算机、无线数据传输等技术，通过系统集成的方法，实现了水位、水深、分层流速等多个参数的自动测量和断面流量的自动计算。同时系统具备自主充电、自动启闭测流房卷帘门等功能，实现了真正意义上的无人值守和全自动测量。经在山东省多个引黄灌区应用，其测量过程规范可靠，测量数据准确，流量计算结果满足相关规范要求，达到了预期的目的。

1灌区量水方法及存在问题

1.1灌区常用量水方法介绍

灌区常用的量水方法包括水工建筑物法、特设设备法、仪表流量计法、流速面积法。

水工建筑物量水的原理是通过对过流建筑物上、下游水位和闸门开度的监测，根据稳定的水位流量关系，实现对流量的测定。该方法不但可以减少因设置量水设施而产生的水头损失，而且可以节省大量附加量水设施的费用，并且方便增加水位、闸位自动监测系统，实现自动化量水。

当渠系上没有水工建筑物或为了取得特定渠段、地段上的水量资料，可以利用特设量水设备进行量水。常见的特设量水设备有三角堰、平坦V形堰、巴歇尔槽、无喉槽、长喉槽等。特设量水设备不可避免会带来一定的水头损失，而且不同形式的量水设备的测流精度、测量范围、抗干扰能力差异很大，使用时需要根据实际情况进行选择。

大部分仪表类流量计是基于水力学原理测流的二次仪表，其优点是结构简单、量测直观、计量简捷。但其对过水断面有两个要求：一是必须规则标准、面积易算、平整光滑；二是必须满管出流，过水断面轴线与渠道水流轴线吻合，出水口被下游最低水位淹没。随着电子技术和集成电路技术的迅速发展，又产生了一批新型的流量计，如电磁流量计、超声波流量计等。电磁流量计具有压力损失小、测流范围广、不需要参数补偿等优点。超声波流量计是一种非接触式流量量测设备，不需要在流体中安装测量元件，不改变流场，无压力损失，但价格较为昂贵。

使用流速仪量水，结果较为精确，但测流和计算流量比较费时、繁琐。此种方法对测流断面的选择要求较高，要求渠段平直、水流均匀、无旋涡和回流，水流方向应与断面垂直。

1.2灌区量水存在的问题

（1）灌区基础设施不配套。我国灌区大多是20世纪六七十年代兴建的，规划设计不周密，渠系标准不高，建筑物配套不全。各个灌区的自然、经济和技术条件参差不齐，现有的量水设施状况各不相同，老化失修现象严重，量水设施寥寥无几且大都无法正常使用。

（2）量水设施精度不高。在灌区量水中，一般要求量水误差不超过5%。目前使用的大部分量水设备在特定的流态和工况下才能达到较高的精度，一旦流态改变或工作条件变化，量测精度就会降低；有些量水设施对施工要求较高，当施工质量达不到设计要求或运行期局部淤积都会使量水精度显著下降。

（3）量水设施费用较高。各科研单位和大专院校研制的各种新型量测设备不是价格过高就是结构复杂，使用不方便，无法在灌区普及应用。

（4）量水设施适用性不强。各种量水设施都有较严格的使用条件，对工作环境和操作人员业务水平要求较高，特别是近年来出现的新型量测设施，对气象条件（刮风、下雨）、渠底淤积等更为敏感，运维过程中要求人员素质更高，严重制约了在灌区的推广应用。

2轨道式渠道断面测流原理

2.1测量原理综述

大部分灌区渠道测流断面上需设用于人工测流的测桥，为了节省费用，在测桥上游侧铺设两条三角形平行轨道，轨道一端铺设到测流房内。在轨道上根据渠道断面宽度确定测量垂线位置及条数，在每条测量垂线处安装标识器。测流车放置于测流房内的轨道上，启动测量时，测流车携带流速仪沿轨道运动，遇到测量垂线标识器时，测流车停止运动，进行水位、水深（淤积厚度）测量，根据测量的水位和水深数据，确定当前垂线流速测量方式。测流车下放流速仪到固定深度进行单点流速测量或分层流速测量，测量完成后收起流速仪，启动测流车到下一个测点。所有测点测量完成后，测流车计算每条垂线的部分平均流速和部分面积，计算部分流量，将部分流量累加即为断面流量，见图1。

如图1所示，该方法与流速仪精测法的测量流程相似，可根据需要加密测量垂线，具备水深（淤积厚度）测量功能，可补偿淤积造成的断面面积计算误差和垂线分层测点定位误差，从测量原理上保证其具有较高的测量精度。

2.2水位测量

使用固定在测流车腹部的超声波水位计进行水位测量，通过测量超声水位计下端面到水面的距离H计算水位：S水=S超-H，其中S超为超声波水位计下端面的高程，该值可通过测量轨道上端面高程和测流车脚轮到水位计下端面垂直距离得到。

受淤积等因素的影响，各垂线测点的水位并不一致，为了保证测量数据准确，在每条垂线测点上均进行水位测量，每部分面积的计算均使用对应测点的水位测量数据。

2.3流速测量

测量垂线平均流速的方法，通常有积深法和积点法。积深法属于垂直方向的积分法，从理论上讲，在不考虑其他影响因素时，此法具有较高的精度。然而，最常用的是积点法。积点法是在垂线上按一定规律布置有限的测点施测点流速，根据测得的各点流速，推算垂线平均流速。

系统内置一点法、两点法、三点法和五点法4种测流方法，根据测量的水位和水深数据自动选择采用何种方法。一般来说，不同的水深采用不同的方法，参考标准见表1。

2.4水深测量

水深测量又称为泥位测量，使用接近传感器（泥位计）作为前端传感器，泥位计安装在铅鱼下方，当铅鱼在钢丝绳带动下向下移动时，泥位计随之移动，接近水底时，泥位计输出信号，根据铅鱼下降高度即可推算出渠底淤积变化情况。如图2所示，水深测量结构由步进电机、卷扬轮、定滑轮、旋转编码器、防摆架、倾角测量器、铅鱼、泥位计、钢丝绳等组成。钢丝绳缠绕在卷扬轮上，通过定滑轮、限位杆并穿过倾角测量器，挂载流速仪、铅鱼及泥位计。

进行水深测量时，步进电机带动卷扬轮逆时针转动，钢丝绳在铅鱼的带动下下放，与定滑轮连接的旋转编码器转动计数，当泥位计接触泥面或渠底时，泥位计内部的干簧管动作，发信号给测流车，此时测流车停止电机转动，根据旋转编码器转动角度ω和定滑轮直径D定可计算钢丝绳下放长度L放，此长度加上上限位到泥位计的高度h即为上限位到水底的钢丝绳长度L测：

L测=L放+h=ωD定+h

（1）

当铅鱼和流速仪入水后，受到水流冲击发生侧移，带动钢丝绳发生偏转，当偏转角度较小时，可以忽略钢丝绳倾斜对测量结果的影响，认为L测就是测流车上限位到渠底的距离，当偏转角度较大时，需要进行补偿处理，如图3所示。式中：L测、θ、S水3个参数均可通过测流车测量得到；L1为测流车上限位点到防摆架最底端下位孔的距离，为定值。据此可计算实际水深。

2.5流量计算

断面流量计算采用平均分割法，计算步骤如下。

（1）计算测点流速。根据施测记录的转数和历时，按流速公式计算测点流速。

（2）计算垂线平均流速。根据实测情况，按垂线平均流速的计算方法，求出各测线的垂线平均流速Vm1、Vm2、…、Vm（n-1）。

（3）计算部分平均流速。部分平均流速就是相邻两条测线的垂线平均流速的平均值，即

岸边流速系数α与渠道的断面形状、渠岸的糙率、水流条件等有关。合理选取α值，对提高流量施测精度有显著影响，α值可以通过实测确定。

（4）计算部分面积。部分面积由相邻两条测线处的水深的平均值乘以测线间距（见图4）而得：

（5）计算部分流量。由每块部分面积乘以该面积对应的部分平均流速即得部分流量。

（6）计算断面流量。各个部分流量qi之和即为断面流量Q：

3渠道断面自动测流车研制

3.1總体设计方案

渠道断面自动测流车是一种综合性的测量控制系统，其采集垂线水位、分层流速、水深等数据，通过分部流速面积法计算断面流量，整个测量过程无需人的参与，测量完成后自动将测量数据和计算的流量数据上传到上位机控制软件。

渠道断面自动测流车使用直流减速电机驱动前进或后退，使用步进电机控制流速仪及铅鱼的收放，可自主在轨道上移动，自主完成仪器收放操作。

渠道断面自动测流车使用PLC控制器为控制核心，管理所有采集仪器、监测设备、辅助支持设备，实现整个量测过程的有效控制。

渠道断面自动测流车内置可充电电池，单次充电可进行4次断面流量测量。设计有电源控制功能，可分别控制各个功能模块供电以有效降低系统能耗；设计有自动充电装置，可自主返回测流房进行充电，并具有过冲保护和低电量报警功能。

渠道断面自动测流车设计有文本显示控制器，可显示测流车运行状态和实时数据，可通过键盘设置测流车工作模式和相关运行参数。

渠道断面自动测流车具备多个数据接口，支持GPRS、2.4G无线、433M无线等多种通信方式，可将采集数据和计算结果实时上传到上位机，支持上位机远程对测流车进行控制操作，支持手持终端机和手机APP客户端远程对测流车进行操作。

3.2机械结构设计

渠道断面自动测流车机械结构主要包括外壳、底盘、驱动机构、仪器收放机构、运动限位机构、线缆收放机构等，见图5。

3.3硬件结构设计

硬件主要包括PLC控制模块、串口通信模块、无线数据传输模块、继电器模块、数据采集模块、步进电机控制模块、文本显示模块、电源模块、自动充电模块、监视报警模块等，见图6。

测流车选用西门子S7-200SMART系列PLC控制器，为西门子新一代小型控制器，具有丰富的I/O节点，可扩展模拟量、数字量通信接口等，集成以太网模块，支持三轴100 kHz的脉冲输出，内置芯片处理功能强大，基本指令执行时间可达0.15μs。

电源模块采用12V60AH蓄电池给驱动电机供电，使用12V转24V模块给PLC控制器、超声水位计、无线通信模块供电，12V转48V模块给步进电机供电，12V转5V模块给旋桨流速仪、限位器等供电。各用电设备可通过PLC连接继电器控制通断。

串口通信模块采用服用方式，可同时支持GPRS、433M无线、2.4G无线3种通信方式中的任意2种，使用433M无线通信时，支持手持终端PDA的远端控制。在GPRS模式下，支持上位机远程控制和手机APP远程控制。

流速数据采集支持旋桨流速仪、电磁流速仪，支持脉冲量、数字量数据输入，可设置流速仪工作参数。

文本显示模块选用西门子TD400C文本显示控制器，其支持15个可配置按键，显示屏可显示4行字符，拥有显示背光，适用于从简单到比较复杂的操作任务。设计支持使用文本显示控制器操作测流车，可查看测流车工作状态和测量数据，可设置测流车相关工作参数。

自动充电模块使用接触式充电方式，当电池电量低于设定值后，测流车运动到测流房充电位置进行自动充电，充电完成后，测流车可自动断开充电电源防止电池过充。

测流车具有多个监视报警功能，可监视电池电量、测流车运动速度，可监测轨道运动障碍并报警提醒，支持软件闪烁报警和本地声光报警。

3.4 PLC软件设计

PLC软件使用S7-200SMART专用编程软件STEP7- Micro/WINSMART开发和LDA梯形图开发，其主要流程见图7。

测流车在不测流时为待机状态，等待执行用户指令，执行完用户指令后再次进人待机状态。在待机过程中，定时监测电池电量，如果需要充电，自动移动到充电位置进行充电。电池充满后，自动移动小车到待机位置，防止长时间充电对蓄电池造成损伤。

用户指令包括參数设置、启动测量过程、中断测量过程等，其中自动测量过程是最重要、最核心的T作流程，其流程见图8。

上位机控制软件使用C#语言开发，基于.net框架，主要功能是实现与测流车的通信、管理以及测量数据的整定、处理，其主界面见图9。软件设计支持通过无线网络、RS485串口等与测流车通信，支持附加的现场视频监控，可以在测流过程中远程观察测流车现场运行情况。软件支持定制化的报表输出功能，可以根据灌区实际情况生成指定格式的测量报表。

4测试数据分析及现场应用

渠道断面自动测流车研制完成后，分别在实验室和现场进行了数据比对试验，其中实验室数据比对试验以各项测量参数的比对为主，主要包括水位、水深、流速等参数的比对。现场数据比对则以与流速仪精测法测量的断面流速和计算的断面流量比对为主。

4.1测试数据分析

测流车测量水位使用的是超声水位计，利用国家水运工程检测设备计量站的水位计检定水塔进行超声水位计的数据比对，结果见表2。

测流车测量流速使用的是旋桨流速仪，利用国家水运工程检测设备计量站的流速仪检定水槽进行流速仪的数据比对，结果见表3。

从实验室测试数据分析，测流车单项水文参数测量精度满足相关标准和测量规范要求。

测流车在山东滨州部分灌区进行现场数据比测，直接比对人工测量流量和测流车测量流量，相关数据见表4。

从比对结果看，测流车测量的最大相对误差在4.02%以下，测流车连续两次测量结果的平均相对误差在1.69%以下。

4.2实际安装应用

渠道断面自动测流系统自研制以来，经过了数次适用性改进和完善，先后在山东省滨州市韩墩灌区、小开河灌区和德州李家岸灌区等进行了大量的安装测试，其中小开河灌区自动测流系统经过近几年的运行，已经完全可以替代人工测量，取得了较好的应用效果。