王長亮 項明洋 杜 威

(南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

南水北調(diào)泗洪站位于宿遷市泗洪縣朱湖鎮(zhèn)東南的徐洪河上，是南水北調(diào)東線一期工程第4梯級泵站之一，主要功能是與睢寧站、邳州站一起，通過徐洪河向駱馬湖及以北輸水。泗洪泵站和徐洪河節(jié)制閘、泗洪船閘、排澇調(diào)節(jié)閘、利民河排澇閘等共同組成泗洪站樞紐工程。該站同時可為泗洪站與睢寧站之間生活、生產(chǎn)和航運補充水源，并可為泗洪縣沿利民河區(qū)域排澇。南水北調(diào)東線一期工程輸水渠道大部分采用天然河道，天然河道泥沙量較多，同時伴隨夏季水中微生物、藻類較多，容易附著在水尺表面，導致水尺模糊不清，無法正常觀測，需經(jīng)常人工清理水尺附著物，給現(xiàn)場運行管理帶來諸多不便，且臨水作業(yè)存在一定安全隱患[1]。為解決這一長期難題，亟需提供一種使用方便、勞動強度低、安全性高的水尺自動清洗裝置。

2 水尺觀測概述

2.1 水尺觀測的意義

水位是河流或其他水體(如湖泊、水庫、人工河、渠道等)的自由水面相對于某一基面的高程，單位以米表示。水位觀測是水文要素觀測的重要組成部分，通過水位觀測可以了解水體的狀態(tài)，通過水位數(shù)據(jù)可直接為工程建設、防汛抗旱等服務。因此，水位變化必須時刻處于監(jiān)測之中，水位觀測是一線防汛工作中必不可少的工作內(nèi)容[2]。

2.2 水尺的特點

在基層實際水位觀測中，比較經(jīng)常使用的工具是固定水尺，其由水泥或堅固金屬制作，按照統(tǒng)一規(guī)格形制，涂刷有“E”字形高度標識，讀數(shù)精確至厘米，具有易于辨識、讀數(shù)穩(wěn)定、使用壽命長等特點。

2.3 水尺自動清洗裝置的必要性

水位是水文觀測的重要數(shù)據(jù)，極具瞬時性和變化性，在水利工程調(diào)度決策中承擔著重要角色，所以水位觀測的及時性、可行性、準確性極其重要。觀測人員在值班期間，需要定時查看水尺并記錄讀數(shù)、及時上報，以便于防汛部門對工程水勢、水情的全面把握。但是，受到環(huán)境和硬件條件制約，水尺觀測有以下幾個弊端：一是南水北調(diào)東線工程主調(diào)水期在每年11月至次年5月，夏季主汛期調(diào)水頻率較低，河道水體呈靜止狀態(tài)，易滋生藍藻，使其及浮游生物附著在水尺上，水尺表面臟污模糊不清，致使水位數(shù)據(jù)無法直接讀取；二是河邊地勢復雜，工程上一般采用人工清洗水尺方法以讀取水位數(shù)據(jù)，人工清洗水尺近水作業(yè)發(fā)生安全事故概率較高；三是工程中水尺較多，就泗洪站單體工程而言，現(xiàn)場安裝12處水尺，采用人工清洗，需要花費大量時間，工作效率低。因此，設計一種能夠解決上述問題并符合南水北調(diào)工程水位觀測應用實際的水尺自動清洗裝置十分必要。

3 水尺自動清洗裝置的設計

為了解決以上問題，設計水尺自動清洗裝置時，考慮到水尺一般安裝于翼墻等水工建筑物上，要想清潔水尺，裝置就必須可以在水尺表面上下移動，輔以清洗措施，達到自動清洗水尺的目的。水尺自動清洗裝置由硬件和軟件兩項構(gòu)成。硬件由工裝部分、執(zhí)行部分及控制部分組成，其中工裝部分為模擬裝置工裝和現(xiàn)場清洗工裝[3]。軟件由PLC程序及觸摸屏(人機)編程組成(見圖1)。

硬件構(gòu)成如下：

a.工裝部分。?模擬裝置工裝：用于水尺清洗模擬展示，主要部件由底座、萬向輪、固定立板、水尺、集水盆、控制箱固定座等組成；?現(xiàn)場清洗工裝：用于現(xiàn)場水尺清洗，主要部件由固定立板、伸縮框架、手動絞車、可調(diào)節(jié)固定支架等組成。

b.執(zhí)行部分。主要設備由步進電機(行程電機、毛刷電機)、一體式電機座、滾珠絲桿、直線滑桿、滑塊、升降件、清洗刷、水泵、行程開關、鏈式護線槽等組成(見圖2、圖3)。

圖2 水尺自動清洗裝置模擬工裝

圖3 水尺自動清洗裝置現(xiàn)場工裝

c.控制及軟件構(gòu)成。主要設備及元件由控制箱、空氣開關、電源模塊、PLC、電機驅(qū)動器、觸摸屏、智能遙控開關、按鈕、指示燈、線纜等組成[4](見圖4)，軟件提供PLC程序(見圖5、圖6)，觸摸屏(人機交互)編程(見圖7)。

圖4 水尺自動清洗裝置示意圖1—控制箱；2—行程開關；3—升降件；4—滑塊；5—直線滑桿；6—水尺；7—固定立板；8—行程電機；9—一體式電機座；10—水泵清洗管噴頭；11—毛刷電機；12—清洗刷；13—鏈式護線槽；14—滾珠絲桿

圖5 水尺自動清洗裝置電氣接線模擬圖

圖7 一種水尺自動清洗裝置觸摸屏設置畫面

4 工作原理

水尺自動清洗裝置中水尺豎直安裝于立板表面，立板上還設置有滑桿、絲桿、升降件、水泵和驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)的第一電機(以下簡稱行程電機)，滑桿、絲桿分別位于水尺兩側(cè)且與水尺平行設置，絲桿轉(zhuǎn)動安裝于立板上，升降件一端與滑桿滑動連接，另一端與絲桿螺紋連接，升降件上設有清潔刷、噴水管和驅(qū)動清潔刷旋轉(zhuǎn)的第二電機(以下簡稱毛刷電機)，清潔刷位于水尺的正前方且與水尺表面相接觸，噴水管的出水口位于清潔刷的正上方，噴水管通過水泵與水箱連接。通過行程電機驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)以及與滑桿的滑動配合，實現(xiàn)清潔刷的升降運動，再通過毛刷電機驅(qū)動清潔刷旋轉(zhuǎn)以及清水的沖洗，實現(xiàn)水尺表面的自動清洗[5]。

在研發(fā)水尺自動清洗裝置過程中，我們希望裝置具有以下功能優(yōu)點：遠控自動清洗、可設定自動清洗頻次、根據(jù)水位自動設定清洗范圍等。因此水尺自動清洗裝置共開發(fā)了現(xiàn)地清洗、遠方清洗和自動清洗三種功能，公共參數(shù)設定導程行程800mm、行程速度1000mm/min、毛刷速度50r/min、原點速度1500mm/min、爬行速度800mm/min(可根據(jù)實際情況調(diào)整各參數(shù)值)。

4.1 現(xiàn)地清洗

控制箱面板上和觸摸屏上均設置了行程電機和毛刷電機的啟動和停止按鈕，此功能下需要手動設置觸摸屏控制畫面上限位置和清洗行程參數(shù)。設置完成后，在控制箱面板上或觸摸屏上操作行程電機啟動按鈕，行程電機開始動作，按照設備程序先使升降件回到原點位置，再將升降件按照設定導程行程向下行走至下限位置，隨后升降件按照清洗行程進行上下往復動作，操作毛刷電機啟動按鈕，清洗毛刷按照設定速度開始旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)清洗行程范圍內(nèi)水尺清洗，如水尺表面油污嚴重，可啟動水泵向清洗毛刷提供清洗液進行水尺清洗。水尺清洗潔凈后，關閉水泵。清洗結(jié)束，按下行程電機和毛刷電機停止按鈕，毛刷電機即停止工作，行程電機將按照程序自動使升降件回到原點位置，清洗全部結(jié)束(見圖8、圖9)。

圖8 現(xiàn)地箱控制

圖9 觸摸屏控制

4.2 遠方清洗

將控制箱內(nèi)PLC與上位機通過網(wǎng)線進行連接，在上位機組態(tài)軟件中進行編程，設置與觸摸屏畫面相同的操作界面，在上位機上實現(xiàn)水尺自動清洗裝置的遠方操作，操作方法與現(xiàn)地操作中觸摸屏上的操作方法相同(見圖10、圖11)。

圖10 上位機控制畫面1

圖11 上位機控制畫面2

4.3 自動清洗

將水位計采集的信號上傳至PLC，觸摸屏畫面中的上限位置自動采用水位模擬信號，清洗行程按照上限位置和后臺程序自動設定，此時裝置可根據(jù)PLC設定的清洗時間和頻次實現(xiàn)水尺自動清洗。

5 應用與效益

該裝置清洗速度快、安全性能高、可循環(huán)利用、維護成本低，僅需坐在泵站中控室點擊上位機鼠標，2min即可完成整個水尺清洗，較原人工清洗，大大降低了清洗維護成本，減少了安全隱患；安裝簡單、操作簡便、造價較低、清洗質(zhì)量好，目前已在南水北調(diào)泗洪站進行應用，清洗后的水尺表面清潔度高，具有很好的推廣價值。

泗洪站共設置不銹鋼水尺12根，采用人工清洗時，每次清洗需配置2名臨水作業(yè)人員和1艘作業(yè)船只，所有水尺單次維護成本約1500元，按每月清洗一次尺寸計算，該裝置應用于工程現(xiàn)場后，一年可節(jié)約維護成本約18000元，直接經(jīng)濟效益十分可觀。

6 總結(jié)與展望

水尺自動清洗裝置的研制與應用，是南水北調(diào)泗洪站以工程實際問題為導向，開展“五小”創(chuàng)新改造的探索和嘗試。在水利工程管理工作中，有許多重要的設施為我們提供了工作上的便利，但這些設施隨著時代的發(fā)展、科技的進步，需要進一步完善和改進，水尺自動清洗裝置經(jīng)過研發(fā)應用取得了預期效果，尤其在南水北調(diào)泗洪站參與2022—2023年度向省外調(diào)水期間，在人工不便維護水尺的情況下裝置發(fā)揮了良好作用，為泵站穩(wěn)定、安全運行提供了水文數(shù)據(jù)保障，此次水尺自動清洗裝置的應用對于類似情形的泵站、閘站、水文測站等水利工程具有一定的借鑒意義。