楊 軍

在現(xiàn)階段生產(chǎn)或研究中，為節(jié)約水資源和能源，建立和完善現(xiàn)代水資源和能源控制與計(jì)量技術(shù)手段已經(jīng)引起專(zhuān)家學(xué)者特別重視。在實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)手段的過(guò)程中，其中一個(gè)重要問(wèn)題是要在測(cè)量開(kāi)放灌溉網(wǎng)絡(luò)中的水位和流量方面建立一個(gè)符合技術(shù)流程要求的智能系統(tǒng)，以便高效、精準(zhǔn)的測(cè)量，同時(shí)減輕測(cè)量人員工作量。從這個(gè)角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)一個(gè)多功能的智能系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)和測(cè)量開(kāi)放灌溉網(wǎng)絡(luò)中小渠道的水位和流量是非常重要且十分必要的。

世界范圍的相關(guān)研究人員長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)進(jìn)行了大量研究工作，以降低土地復(fù)墾設(shè)施管理和控制方面的實(shí)施成本，改進(jìn)其技術(shù)特性，發(fā)展節(jié)約水資源和能源資源的有效計(jì)量系統(tǒng)。在這方面，我們也有必要研究創(chuàng)建先進(jìn)的智能控制和測(cè)量系統(tǒng)，使其能在開(kāi)放式灌溉網(wǎng)絡(luò)中測(cè)量水位和流量時(shí)提供高靈敏度和準(zhǔn)確性數(shù)據(jù)，有效節(jié)約水資源和能源資源。為達(dá)到有效利用現(xiàn)有水資源，提高生產(chǎn)力，減少灌溉網(wǎng)絡(luò)的電力消耗的目的，必須引進(jìn)數(shù)字信息和測(cè)量系統(tǒng)、大型自動(dòng)控制監(jiān)控系統(tǒng)，建設(shè)水工建筑物，以確定實(shí)際水量，智能控制各級(jí)水回收設(shè)置的水位和流量等。當(dāng)前指標(biāo)（水位和流量、管道中的瞬時(shí)壓力）的操作確定是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程。指標(biāo)的數(shù)字顯示、接收數(shù)據(jù)的自動(dòng)化程度和優(yōu)化問(wèn)題尤為重要。

本文相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究基于玉山縣七一灌區(qū)某河道進(jìn)行，對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確保本文提出的控制與測(cè)量智能系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和實(shí)用性，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1.研究方法

此次研究所用智能系統(tǒng)的主要元件是一個(gè)數(shù)字單片機(jī)，帶有內(nèi)置的獨(dú)立存儲(chǔ)器、液晶顯示器。該單片機(jī)安裝在位于中央控制面板(CCP)上的液壓測(cè)量柜的前面板上。測(cè)量水位的雙參數(shù)諧振電磁傳感器(IDP-27)和測(cè)量水流的超聲波傳感器(US-800)分別位于取水口的上游和下游。水位傳感器安裝在出水口的閘門(mén)上，根據(jù)閘門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉來(lái)工作。它將測(cè)量到的機(jī)械幅度脈沖直接傳送到電子模塊，信號(hào)在電子模塊中進(jìn)行處理并傳送到單片機(jī)。水流傳感器用于控制進(jìn)水口和出水口的水流。兩個(gè)雙參數(shù)諧振電磁傳感器通過(guò)射頻電纜同軸連接到電子模塊，電纜長(zhǎng)度為200m。水位傳感器按位置分組，并配備控制傳感器。在控制傳感器中，使用金屬膜片記錄的水柱高度為1m如圖1所示。

圖1 排水點(diǎn)水位流量智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布簡(jiǎn)圖

值得注意的是，所有水位傳感器都配備有可以穩(wěn)定外部水量變化的特殊阻尼裝置。

電子模塊與水流傳感器相連，并且傳感器控制通過(guò)出口的水流流量。這些傳感器用液壓裝置連接到泄水點(diǎn)的出水口，并各自配備有阻尼器裝置。US800型流量計(jì)工作原理主要是基于測(cè)量超聲波振動(dòng)脈沖在運(yùn)動(dòng)流體中傳播的時(shí)間。超聲波脈沖在流體運(yùn)動(dòng)的正向和反向傳播時(shí)間之差與流速成正

比。

電子模塊的功能如圖2所示。單片機(jī)通過(guò)3條獨(dú)立的線路與電子模塊相連，其中每條線路有24條通信線路。通信線路可用于控制雙參數(shù)電磁共振傳感器中激勵(lì)脈沖的產(chǎn)生，并計(jì)算間隔時(shí)間下降（取決于測(cè)量水柱的高度）和儀表讀數(shù)。0.5V的信號(hào)沿著3條通信線路發(fā)送到單片機(jī)的模擬輸入端。3個(gè)1000Ω的電阻連接到水流傳感器的電流輸出端，以穩(wěn)定信號(hào)。

圖2 電子模塊功能方案

2.結(jié)果與討論

未驗(yàn)證上述所提出的控制與測(cè)量智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，本章將實(shí)地運(yùn)用該系統(tǒng)，以玉山縣七一灌區(qū)某河道為研究對(duì)象，對(duì)灌區(qū)水位和流量測(cè)量分析，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。新的自動(dòng)化智能系統(tǒng)控制河道中的水位和流經(jīng)液壓裝置的水量，旨在執(zhí)行以下功能：

一是確定河道上、下游的水位；二是確定流經(jīng)排放點(diǎn)的水量，如圖3和圖4所示；三是計(jì)算和傳輸控制信號(hào)，以打開(kāi)其參考裝置，同時(shí)考慮排放點(diǎn)的個(gè)別特性，以獲得最大F.I.K；四是收集通過(guò)排放點(diǎn)的每日、每月和每年的水流指標(biāo)。同時(shí)，在測(cè)量耗水量時(shí)考慮中斷情況；五是根據(jù)操作人員的要求，將收集到的數(shù)據(jù)信息自動(dòng)傳輸?shù)斤@示器上，將每日、每月、每年的水流指標(biāo)輸入系統(tǒng)內(nèi)存中，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)饺∷?、排水口控制面板上的中央?jì)算機(jī)。從單片機(jī)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出沿一條通信線路，電子模塊發(fā)出3個(gè)信號(hào)，這些信號(hào)及時(shí)形成，以打開(kāi)每個(gè)液壓?jiǎn)卧膮⒖佳b置。這些信號(hào)最終落入液壓?jiǎn)卧臓顟B(tài)控制電路中。

圖3 薄閥輸水裝置

圖4 開(kāi)放式灌溉系統(tǒng)水位流量自動(dòng)控制方案

圖3所示各元件分別為1：電動(dòng)機(jī)；2：閘門(mén)門(mén)板；3：連接塊；4：底板；5：鋼繩卷輪；6：鋼繩；7：閘門(mén)框架；8：傳動(dòng)裝置固定。

為了增加系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)配備了備用單片機(jī)和電子模塊、水流傳感器和電磁傳感器。電子單元從流量傳感器和水位傳感器生成原始數(shù)據(jù)，而單片機(jī)將初始數(shù)據(jù)處理到底。

由于水流水位控制系統(tǒng)是出口工藝裝置的重要組成部分，其數(shù)據(jù)處理算法和數(shù)據(jù)傳輸均考慮了復(fù)雜系統(tǒng)中的不同情況，例如停機(jī)、不穩(wěn)定模式、信號(hào)的不同變化等。單片機(jī)每10s掃描一次所有傳感器。在這種情況下，每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)被多次檢索，快速變化的測(cè)量誤差被最小化，緩慢變化的誤差可被直接消除。該系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)方式是，如果一個(gè)水位傳感器失敗，數(shù)據(jù)將連接到第二個(gè)傳感器和系統(tǒng)性能確定的、使用特定系數(shù)在指定的程序上使用的控制傳感器。

圖4所示各元件分別為1：命令單元；2：比較單元；3：采樣器；4：傳感器；5：零均值化；6：調(diào)整器；7：磁力開(kāi)關(guān)；8：可逆式電機(jī)；9：液壓閘門(mén)。

作為對(duì)現(xiàn)有的測(cè)量明渠用水量和水位方法科學(xué)研究的結(jié)果，我們寫(xiě)出表達(dá)明渠上游和下游水流量變化的方程：

式中：

m=0.42，為輸水點(diǎn)水流系數(shù)(通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定)；

w—寬度；

g—重力加速度；

hnacm.max—河道底部的最高水位。

其中：

ΔH—下游水位與其最小值之間的差；

HBmin—上游水位的最小值。

式中：

hHmax—上游水位的最大值。

在運(yùn)用新的自動(dòng)化智能系統(tǒng)對(duì)玉山縣七一灌區(qū)某河道實(shí)地實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)單元屏幕顯示的水位和流量信息如表1所示。

表1 單片機(jī)單元屏幕顯示水位和流量信息

表1所示為單片機(jī)單元屏幕信息，其中具體顯示的信息分別為，(25∶12)—日期；(G1=1.86m3，G2=1.5m3)—明 渠排水區(qū)的水流流量；(HH=2m，HL=1m)—上下游水位。

上述公式所用系數(shù)的大小是根據(jù)對(duì)水位傳感器所在區(qū)域的水溫和氣溫的觀察進(jìn)行多年實(shí)驗(yàn)的結(jié)果而采用的。流量大小取決于水流和每個(gè)出水口的個(gè)性化特征。單片機(jī)單元的屏幕顯示有流量、流經(jīng)每個(gè)水點(diǎn)的最低和最高基準(zhǔn)水位以及日期的信息，此信息每分鐘更新一次。顯示的數(shù)據(jù)屏幕如表1所示。

綜合上述分析，根據(jù)方程(1)、(2)和(3)構(gòu)建了圖5中的圖表，這些方程表示了明渠下游和上游水位的水流變化。文中所述智能控制系統(tǒng)也可以直接連接到計(jì)算機(jī)。他使用C++來(lái)控制所需的參數(shù)。

圖5 流量和水位與液壓閘門(mén)旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系圖

目前，全球氣候的劇烈變化導(dǎo)致水資源短缺問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，氣候變化對(duì)水資源產(chǎn)生的巨大影響與應(yīng)對(duì)這種影響的有效方法已經(jīng)在國(guó)際上取得普遍關(guān)注。同時(shí)，水資源短缺也是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)作為人口大國(guó)，人均水資源量?jī)H為世界平均水平的28%，水資源利用方式較為粗放，水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，是一個(gè)嚴(yán)重缺水國(guó)家。為解決我國(guó)日益復(fù)雜的水資源問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和有效保護(hù)。

通過(guò)應(yīng)用本文提出的自動(dòng)化智能系統(tǒng)，能夠有效地縮短實(shí)時(shí)水位和流量變化的反應(yīng)周期、減少工作人員工作量、減少人為設(shè)計(jì)失誤、使管理者高效搭建質(zhì)量評(píng)估體系、提高用水效率。此外，由于該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力，極大提高了管理者對(duì)水資源的管理與優(yōu)化能力，達(dá)到節(jié)約用水、高效用水的目的。

3.結(jié)論

本研究提出了一種明渠水位控制與測(cè)量智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案。該結(jié)構(gòu)方案將為開(kāi)發(fā)有效的算法和軟件工具奠定基礎(chǔ)。這些算法和軟件工具是由智能傳感器組成，用于明渠中水流和水位的控制和測(cè)量，具有較高的精度和靈敏度。

明渠水流與水閘轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系曲線由5次表達(dá)式組成，通過(guò)分析計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)R2=0.9994。這證實(shí)了理論曲線圖和實(shí)驗(yàn)圖的相互充分性。

在明渠水流和水位控制智能系統(tǒng)中，操作員與系統(tǒng)的通信是通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行的，使用位于顯示器和單片機(jī)模塊面板表面上的兩個(gè)按鈕。根據(jù)操作員的SET(設(shè)置)按鈕給出的命令，顯示當(dāng)前水流量，再次按下該按鈕時(shí)，將顯示前一個(gè)月和幾年的水流量數(shù)據(jù)，這簡(jiǎn)化了控制人員的工作。

改進(jìn)后的智能控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是增加了測(cè)量的準(zhǔn)確性，顯著減少過(guò)剩的水流流失，有效減少水資源和能源資源低效使用，并允許用戶在必要時(shí)能及時(shí)獲得必要的信息，以便對(duì)實(shí)時(shí)的水流情況做相應(yīng)處理。

在灌區(qū)試驗(yàn)后，研究發(fā)現(xiàn)，本文提出的自動(dòng)化智能系統(tǒng)，能夠有效降低工作人員工作量、減少人為設(shè)計(jì)失誤、提高用水效率，達(dá)到節(jié)約用水、高效用水的目的。