EKL-3A型全自动水文缆道测验系统的应用

□游巍亭 □常喜兰 □李晓华

(河南省许昌水文水资源勘测局)

一、概述

由于实训教学的需要，黄河水利职业技术学院在校园内人工河畔建设了一处水文测站。该测站配套建设了水文缆道，自计水位井等水文测验设施，为学生进行实训教学提供了良好的环境。水文缆道控制台选择了水利部南京水利水文自动化研究所研制的自动化水文缆道测流控制系统——EKL-3A型全自动水文缆道测验系统。该系统是水文缆道测流实现自动化的标志产品，代表了目前国内的领先技术水平。

通过对该系统的安装、调试及使用，感到该系统安装、调试简单，操作完全可以通过计算机对缆道测流设备进行全自动、半自动、手动方式控制，以上方式最终均可生成断面流量报表和断面流速分布曲线图，由于具有极高的自动化程度，加上完全汉化并且具有很直观的人机界面，使水文站操作人员很容易掌握。

二、系统组成及技术改进

该系统采用工业控制计算机和PLC可编程控制器作为完成自动化缆道测流的控制核心，配合交流变频调速、光电编码测距定位、流速自动测算、音频信号传输等成熟技术和计算机测流控制软件及流量成果自动生成软件等构成。系统软件开发是在微软Microsoft.Net平台上完成的，既有极好的稳定性，也有很好的可扩展性。该软件完全是按照《水文缆道测验规范》进行编写的，系统自动生成的测验成果报表可直接作为整编资料存档。

该系统在原有系统的基础上做了3个关键技术的改进，很大程度上提高了系统的稳定性、精确性、智能性和安全性。一是采用PLC(程序逻辑控制器)控制方式替代了继电器控制方式，大大减少了硬件的故障点，同时也减少了系统干扰。二是采用工业控制系统中常用的数据采集卡替代了原有的测算仪和测速仪，提高了铅鱼定位精度和流速仪计数精度。三是采用变频器的串口通讯方式替代了原有的变频器模拟量控制方式，实现了完全意义上的全自动控制。

三、功能与特点

系统提供了2套控制方式：软件控制方式和PLC控制方式。软件控制用于全自动与手动测流，PLC控制用于紧急事件的处理，不能用于测流。这2种操作方式在切换过程中必须将系统断电重启。该系统的功能与特点主要体现在软件控制方式。

（一）智能化自动控制

系统能高效完成测流，并能处理在测流过程中多种可能发生的情况：

1.提前减速。当铅鱼运行接近下一条测流垂线时，系统会自动降低铅鱼的运行速度。这样可以减小铅鱼的摆动，提高测量精度，减轻硬停车对设备的损坏。

2.垂线重测。在测流过程中，如果发现测点流速异常时(例如：流速仪被水草缠住)，可以对此条垂线进行重测。

3.断面补测。在测流过程中，如果由于特殊情况不能完成此次测流。当问题解决后，可以继续从上一次未测的垂线开始进行补测，已测垂线不需要重新再测。

4.紧急避让。在测流过程中，如果遇到来船或者有漂浮物需要躲避时，此时可以通过手动按钮控制铅鱼避让，当成功避让后，系统可以自动重新定位，继续测流。

5.实时水位。对于使用借用断面的用户，如果在测流过程中水位变化比较大的时候，可以通过实时的修改当前水位来确保测点的精确定位。

6.换流速仪。在测流过程中，如果流速仪损坏需要更换流速仪，则更换流速仪后的流速按照新换的流速仪公式计算，不需要测完后再进行人工转换。

7.人工信号。在测流过程中，如果受到外界信号的干扰，无法接收到水面信号时，可以通过观察铅鱼入水情况人工判断给出水面信号。无法接收到河底信号时，可以人工判断给出河底信号。

（二）智能化信号去抖

流速仪在测流过程中会产生伪信号，所谓的伪信号是流速仪在接触点产生抖动所导致的。我们通常解决抖动信号的方法是在采集端做延时。如果前后2个信号的时间差小于延时时间差，则可以认为是伪信号。但是在一个全断面的测流过程各个测点的流速延时又是不一样的，这样就要求要不断地去修改延时时间差，从而确保不丢失一个真实的信号。因此，就带来两个问题，一个是延时时间难把握，第2个测流过程中常常要调整延时时间。为此，系统设计出了延时自适应，即在每个测点进行测流前对此测点进行自适应延时时间差做判断，从而自动给出最佳延时时间。

（三）模块化参数配置

系统采用模块化设计，各个模块功能明确，操作简便，易于掌握。用户在首次使用时做全面的配置后，以后的每一次测流只要对测流垂线与测点进行配置便可以进行测流。

（四）模块化测试平台

系统给调试人员与对本系统使用比较熟悉的用户提供了测试平台，包括：串行口通讯检测，变频器检测，数据采集卡检测，信号源检测，流速仪检测。方便了系统故障的排除。

（五）可靠化信号采集

系统的信号采集使用PCI总线插槽的数据采集卡。此卡具高精确、多功能、稳定性强的特点。所有的输入输出通道均加有光电隔离电路，具有较强的抗干扰能力和自我保护能力。

（六）可靠化运行控制

在运行控制方式上，运用串行口与变频器交互命令的方式替代原先通过继电器控制模拟量输出的方式。计算机与变频器通过标准的工业通讯协议——Modbus协议进行信息交互，确保了控制的稳定性，同时也减小了硬件故障的发生概率。

（七）标准化测验报表

当测流完成后，系统可自动生成流量测验报表。此报表是严格按照标准的水文缆道测验规范生成，无需进行修改就可以纳入整编资料。

（八）安全化数据管理

为了防止操作系统崩溃引起的导致数据丢失，系统提供了数据备份与还原模块。只要用户定期对数据库进行备份，一旦操作系统崩溃，通过数据还原模块就能将丢失的数据恢复，从而确保了数据的安全性。

（九）人性化远程协助

当用户在使用本软件出现无法解决的问题时，用户可以将备份的数据文件通过网络传给南京水利水文自动化研究所，他们可以在远程进行数据恢复，并与用户进行同步操作，帮助用户解决出现的问题。

四、设备安装调试

第一，将起点距和水深光电编码器分别固定到水文绞车轴端预留安装位置上，通过连轴节把光电编码器与轴连接在一起，保证转动同步，接着用配套的信号电缆将光电编码器输出接口与系统主机输入接口连接。

第二，在水文铅鱼尾翼上固定信号源紧固件，再用紧固件将信号源固定在水文铅鱼尾翼上，并依据标记分别连接好水面、河底、流速仪、铅鱼体和循环索5条信号源信号线。最后将河底极板和水文绞车体相连接的两条信号线连接到系统主机中的信号输入接线端子上。

软件包括：全自动缆道测流软件、SQLServer v2000、Office 2000、NETFramework 1.1版可再发行组件包、数据采集卡驱动程序。以上软件在产品出厂时都已经安装完毕。当用户重新安装操作系统后，需要从随机携带的DVD安装光盘上重新安装以上软件。

当用户初次使用该系统时需要对软件进行以下配置：软件系统注册、数据还原、系统参数配置、实测断面配置、变频器参数配置、流速仪参数配置、分段系数配置、数据备份。配置相关参数需按照说明书逐项进行，配置过程并不复杂。

五、流量测验操作

（一）测流垂线与测流参数配置

本软件支持实测断面流量测验与借用断面流量测验2种方式。在使用实测断面测验时垂线可以设定为测流与测深2种方式，在使用借用断面测验时垂线必须设定为借用水深，本软件也支持在同一断面中混合测流方式，用户要使用全自动测流则必须配置测流垂线与参数，而且每进行一次全自动测流都必须重新配置一次。如果用户选用手动测流则不需要配置。

如果用户是第一次配置，须依照以下4个步骤设置垂线。步骤1：点击新建测流垂线按钮，选择测站与实测日期。步骤2：点击添加按钮，此时在数据配置表中会增加一条空记录，用户根据具体情况填入起点距、河底高程、测点法、操作方法。步骤3：点击保存按钮。也可以不保存，等全部添加完成后再保存。步骤4：重复步骤2、步骤3操作。如果用户不是第一次配置，那么此窗口在初始化时将自动调用上一次配置的垂线数据。如果用户不需对上一次的垂线数据进行修改，只要点击保存按钮就完成了配置。如果用户需要添加垂线，则执行步骤2的操作，如果用户需要删除垂线，则在数据配置表中选择要删除的行，点击删除按钮即可，配置完成后点击保存按钮。

测流垂线配置完成后，接着要配置测流参数包括测流与测深及测点数。如果用户已经配置过测流参数，那么当此窗口初始化时将自动调用上一次配置的参数数据。

（二）全自动测流

全自动测流的步骤有：

1.打开窗口后，用户首先检查状态栏单元的各个状态。

2.当各状态项工作正常，通过控制单元的方向按钮将铅鱼行驶到零点桩或其它设定出发起点。

3.点击控制单元中启动按钮。程序将按照用户垂线与测点的布设自动完成测流全过程。

（三）手动测流

手动测流就是用户检查完状态栏单元的各个状态后，使用方向控制按钮控制铅鱼前进、下降、提升、后退进行测深、测速。如果是借用断面则勾选借用水深并在后面的输入框内输入次条垂线的水深值，就不用进行测深操作了。人工控制完成测流全过程。

六、应用情况

该系统在实测流量时，能够完全按照配置运行，逐条垂线、逐个测点，测工只需在一边监视整个测流过程，计算机显示屏上可以实时清晰地查看到铅鱼在测流过程中在测验断面中所处的相对位置。整个测流过程系统运行平稳，数据采集可靠，在提高测验精度的同时，最大程度地减少了人为误差，同时也大大减轻了测工的工作强度，充分体现了该系统技术先进、自动化程度高、运行可靠、测量精度高、操作简便、高效等特点。