□游巍亭 □常喜蘭 □李曉華

(河南省許昌水文水資源勘測(cè)局)

一、概述

由于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需要，黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院在校園內(nèi)人工河畔建設(shè)了一處水文測(cè)站。該測(cè)站配套建設(shè)了水文纜道，自計(jì)水位井等水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施，為學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了良好的環(huán)境。水文纜道控制臺(tái)選擇了水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所研制的自動(dòng)化水文纜道測(cè)流控制系統(tǒng)——EKL-3A型全自動(dòng)水文纜道測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是水文纜道測(cè)流實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的標(biāo)志產(chǎn)品，代表了目前國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先技術(shù)水平。

通過對(duì)該系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及使用，感到該系統(tǒng)安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單，操作完全可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)纜道測(cè)流設(shè)備進(jìn)行全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)方式控制，以上方式最終均可生成斷面流量報(bào)表和斷面流速分布曲線圖，由于具有極高的自動(dòng)化程度，加上完全漢化并且具有很直觀的人機(jī)界面，使水文站操作人員很容易掌握。

二、系統(tǒng)組成及技術(shù)改進(jìn)

該系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和PLC可編程控制器作為完成自動(dòng)化纜道測(cè)流的控制核心，配合交流變頻調(diào)速、光電編碼測(cè)距定位、流速自動(dòng)測(cè)算、音頻信號(hào)傳輸?shù)瘸墒旒夹g(shù)和計(jì)算機(jī)測(cè)流控制軟件及流量成果自動(dòng)生成軟件等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件開發(fā)是在微軟Microsoft.Net平臺(tái)上完成的，既有極好的穩(wěn)定性，也有很好的可擴(kuò)展性。該軟件完全是按照《水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行編寫的，系統(tǒng)自動(dòng)生成的測(cè)驗(yàn)成果報(bào)表可直接作為整編資料存檔。

該系統(tǒng)在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做了3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)，很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、智能性和安全性。一是采用PLC(程序邏輯控制器)控制方式替代了繼電器控制方式，大大減少了硬件的故障點(diǎn)，同時(shí)也減少了系統(tǒng)干擾。二是采用工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)采集卡替代了原有的測(cè)算儀和測(cè)速儀，提高了鉛魚定位精度和流速儀計(jì)數(shù)精度。三是采用變頻器的串口通訊方式替代了原有的變頻器模擬量控制方式，實(shí)現(xiàn)了完全意義上的全自動(dòng)控制。

三、功能與特點(diǎn)

系統(tǒng)提供了2套控制方式：軟件控制方式和PLC控制方式。軟件控制用于全自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)流，PLC控制用于緊急事件的處理，不能用于測(cè)流。這2種操作方式在切換過程中必須將系統(tǒng)斷電重啟。該系統(tǒng)的功能與特點(diǎn)主要體現(xiàn)在軟件控制方式。

（一）智能化自動(dòng)控制

系統(tǒng)能高效完成測(cè)流，并能處理在測(cè)流過程中多種可能發(fā)生的情況：

1.提前減速。當(dāng)鉛魚運(yùn)行接近下一條測(cè)流垂線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低鉛魚的運(yùn)行速度。這樣可以減小鉛魚的擺動(dòng)，提高測(cè)量精度，減輕硬停車對(duì)設(shè)備的損壞。

2.垂線重測(cè)。在測(cè)流過程中，如果發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)流速異常時(shí)(例如：流速儀被水草纏住)，可以對(duì)此條垂線進(jìn)行重測(cè)。

3.斷面補(bǔ)測(cè)。在測(cè)流過程中，如果由于特殊情況不能完成此次測(cè)流。當(dāng)問題解決后，可以繼續(xù)從上一次未測(cè)的垂線開始進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，已測(cè)垂線不需要重新再測(cè)。

4.緊急避讓。在測(cè)流過程中，如果遇到來船或者有漂浮物需要躲避時(shí)，此時(shí)可以通過手動(dòng)按鈕控制鉛魚避讓，當(dāng)成功避讓后，系統(tǒng)可以自動(dòng)重新定位，繼續(xù)測(cè)流。

5.實(shí)時(shí)水位。對(duì)于使用借用斷面的用戶，如果在測(cè)流過程中水位變化比較大的時(shí)候，可以通過實(shí)時(shí)的修改當(dāng)前水位來確保測(cè)點(diǎn)的精確定位。

6.換流速儀。在測(cè)流過程中，如果流速儀損壞需要更換流速儀，則更換流速儀后的流速按照新?lián)Q的流速儀公式計(jì)算，不需要測(cè)完后再進(jìn)行人工轉(zhuǎn)換。

7.人工信號(hào)。在測(cè)流過程中，如果受到外界信號(hào)的干擾，無法接收到水面信號(hào)時(shí)，可以通過觀察鉛魚入水情況人工判斷給出水面信號(hào)。無法接收到河底信號(hào)時(shí)，可以人工判斷給出河底信號(hào)。

（二）智能化信號(hào)去抖

流速儀在測(cè)流過程中會(huì)產(chǎn)生偽信號(hào)，所謂的偽信號(hào)是流速儀在接觸點(diǎn)產(chǎn)生抖動(dòng)所導(dǎo)致的。我們通常解決抖動(dòng)信號(hào)的方法是在采集端做延時(shí)。如果前后2個(gè)信號(hào)的時(shí)間差小于延時(shí)時(shí)間差，則可以認(rèn)為是偽信號(hào)。但是在一個(gè)全斷面的測(cè)流過程各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速延時(shí)又是不一樣的，這樣就要求要不斷地去修改延時(shí)時(shí)間差，從而確保不丟失一個(gè)真實(shí)的信號(hào)。因此，就帶來兩個(gè)問題，一個(gè)是延時(shí)時(shí)間難把握，第2個(gè)測(cè)流過程中常常要調(diào)整延時(shí)時(shí)間。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了延時(shí)自適應(yīng)，即在每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)流前對(duì)此測(cè)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)延時(shí)時(shí)間差做判斷，從而自動(dòng)給出最佳延時(shí)時(shí)間。

（三）模塊化參數(shù)配置

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊功能明確，操作簡(jiǎn)便，易于掌握。用戶在首次使用時(shí)做全面的配置后，以后的每一次測(cè)流只要對(duì)測(cè)流垂線與測(cè)點(diǎn)進(jìn)行配置便可以進(jìn)行測(cè)流。

（四）模塊化測(cè)試平臺(tái)

系統(tǒng)給調(diào)試人員與對(duì)本系統(tǒng)使用比較熟悉的用戶提供了測(cè)試平臺(tái)，包括：串行口通訊檢測(cè)，變頻器檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)，信號(hào)源檢測(cè)，流速儀檢測(cè)。方便了系統(tǒng)故障的排除。

（五）可靠化信號(hào)采集

系統(tǒng)的信號(hào)采集使用PCI總線插槽的數(shù)據(jù)采集卡。此卡具高精確、多功能、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。所有的輸入輸出通道均加有光電隔離電路，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和自我保護(hù)能力。

（六）可靠化運(yùn)行控制

在運(yùn)行控制方式上，運(yùn)用串行口與變頻器交互命令的方式替代原先通過繼電器控制模擬量輸出的方式。計(jì)算機(jī)與變頻器通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)通訊協(xié)議——Modbus協(xié)議進(jìn)行信息交互，確保了控制的穩(wěn)定性，同時(shí)也減小了硬件故障的發(fā)生概率。

（七）標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)驗(yàn)報(bào)表

當(dāng)測(cè)流完成后，系統(tǒng)可自動(dòng)生成流量測(cè)驗(yàn)報(bào)表。此報(bào)表是嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范生成，無需進(jìn)行修改就可以納入整編資料。

（八）安全化數(shù)據(jù)管理

為了防止操作系統(tǒng)崩潰引起的導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)備份與還原模塊。只要用戶定期對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份，一旦操作系統(tǒng)崩潰，通過數(shù)據(jù)還原模塊就能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)，從而確保了數(shù)據(jù)的安全性。

（九）人性化遠(yuǎn)程協(xié)助

當(dāng)用戶在使用本軟件出現(xiàn)無法解決的問題時(shí)，用戶可以將備份的數(shù)據(jù)文件通過網(wǎng)絡(luò)傳給南京水利水文自動(dòng)化研究所，他們可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，并與用戶進(jìn)行同步操作，幫助用戶解決出現(xiàn)的問題。

四、設(shè)備安裝調(diào)試

第一，將起點(diǎn)距和水深光電編碼器分別固定到水文絞車軸端預(yù)留安裝位置上，通過連軸節(jié)把光電編碼器與軸連接在一起，保證轉(zhuǎn)動(dòng)同步，接著用配套的信號(hào)電纜將光電編碼器輸出接口與系統(tǒng)主機(jī)輸入接口連接。

第二，在水文鉛魚尾翼上固定信號(hào)源緊固件，再用緊固件將信號(hào)源固定在水文鉛魚尾翼上，并依據(jù)標(biāo)記分別連接好水面、河底、流速儀、鉛魚體和循環(huán)索5條信號(hào)源信號(hào)線。最后將河底極板和水文絞車體相連接的兩條信號(hào)線連接到系統(tǒng)主機(jī)中的信號(hào)輸入接線端子上。

軟件包括：全自動(dòng)纜道測(cè)流軟件、SQLServer v2000、Office 2000、NETFramework 1.1版可再發(fā)行組件包、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序。以上軟件在產(chǎn)品出廠時(shí)都已經(jīng)安裝完畢。當(dāng)用戶重新安裝操作系統(tǒng)后，需要從隨機(jī)攜帶的DVD安裝光盤上重新安裝以上軟件。

當(dāng)用戶初次使用該系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)軟件進(jìn)行以下配置：軟件系統(tǒng)注冊(cè)、數(shù)據(jù)還原、系統(tǒng)參數(shù)配置、實(shí)測(cè)斷面配置、變頻器參數(shù)配置、流速儀參數(shù)配置、分段系數(shù)配置、數(shù)據(jù)備份。配置相關(guān)參數(shù)需按照說明書逐項(xiàng)進(jìn)行，配置過程并不復(fù)雜。

五、流量測(cè)驗(yàn)操作

（一）測(cè)流垂線與測(cè)流參數(shù)配置

本軟件支持實(shí)測(cè)斷面流量測(cè)驗(yàn)與借用斷面流量測(cè)驗(yàn)2種方式。在使用實(shí)測(cè)斷面測(cè)驗(yàn)時(shí)垂線可以設(shè)定為測(cè)流與測(cè)深2種方式，在使用借用斷面測(cè)驗(yàn)時(shí)垂線必須設(shè)定為借用水深，本軟件也支持在同一斷面中混合測(cè)流方式，用戶要使用全自動(dòng)測(cè)流則必須配置測(cè)流垂線與參數(shù)，而且每進(jìn)行一次全自動(dòng)測(cè)流都必須重新配置一次。如果用戶選用手動(dòng)測(cè)流則不需要配置。

如果用戶是第一次配置，須依照以下4個(gè)步驟設(shè)置垂線。步驟1：點(diǎn)擊新建測(cè)流垂線按鈕，選擇測(cè)站與實(shí)測(cè)日期。步驟2：點(diǎn)擊添加按鈕，此時(shí)在數(shù)據(jù)配置表中會(huì)增加一條空記錄，用戶根據(jù)具體情況填入起點(diǎn)距、河底高程、測(cè)點(diǎn)法、操作方法。步驟3：點(diǎn)擊保存按鈕。也可以不保存，等全部添加完成后再保存。步驟4：重復(fù)步驟2、步驟3操作。如果用戶不是第一次配置，那么此窗口在初始化時(shí)將自動(dòng)調(diào)用上一次配置的垂線數(shù)據(jù)。如果用戶不需對(duì)上一次的垂線數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，只要點(diǎn)擊保存按鈕就完成了配置。如果用戶需要添加垂線，則執(zhí)行步驟2的操作，如果用戶需要?jiǎng)h除垂線，則在數(shù)據(jù)配置表中選擇要?jiǎng)h除的行，點(diǎn)擊刪除按鈕即可，配置完成后點(diǎn)擊保存按鈕。

測(cè)流垂線配置完成后，接著要配置測(cè)流參數(shù)包括測(cè)流與測(cè)深及測(cè)點(diǎn)數(shù)。如果用戶已經(jīng)配置過測(cè)流參數(shù)，那么當(dāng)此窗口初始化時(shí)將自動(dòng)調(diào)用上一次配置的參數(shù)數(shù)據(jù)。

（二）全自動(dòng)測(cè)流

全自動(dòng)測(cè)流的步驟有：

1.打開窗口后，用戶首先檢查狀態(tài)欄單元的各個(gè)狀態(tài)。

2.當(dāng)各狀態(tài)項(xiàng)工作正常，通過控制單元的方向按鈕將鉛魚行駛到零點(diǎn)樁或其它設(shè)定出發(fā)起點(diǎn)。

3.點(diǎn)擊控制單元中啟動(dòng)按鈕。程序?qū)凑沼脩舸咕€與測(cè)點(diǎn)的布設(shè)自動(dòng)完成測(cè)流全過程。

（三）手動(dòng)測(cè)流

手動(dòng)測(cè)流就是用戶檢查完?duì)顟B(tài)欄單元的各個(gè)狀態(tài)后，使用方向控制按鈕控制鉛魚前進(jìn)、下降、提升、后退進(jìn)行測(cè)深、測(cè)速。如果是借用斷面則勾選借用水深并在后面的輸入框內(nèi)輸入次條垂線的水深值，就不用進(jìn)行測(cè)深操作了。人工控制完成測(cè)流全過程。

六、應(yīng)用情況

該系統(tǒng)在實(shí)測(cè)流量時(shí)，能夠完全按照配置運(yùn)行，逐條垂線、逐個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)工只需在一邊監(jiān)視整個(gè)測(cè)流過程，計(jì)算機(jī)顯示屏上可以實(shí)時(shí)清晰地查看到鉛魚在測(cè)流過程中在測(cè)驗(yàn)斷面中所處的相對(duì)位置。整個(gè)測(cè)流過程系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)采集可靠，在提高測(cè)驗(yàn)精度的同時(shí)，最大程度地減少了人為誤差，同時(shí)也大大減輕了測(cè)工的工作強(qiáng)度，充分體現(xiàn)了該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、高效等特點(diǎn)。