CN102900124A - 避咸泵站自动调度的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避咸泵站自动调度的控制系统及方法，它由实时监测单元、盐度预报单元、中央控制室和执行机构等组成；实时监测部分由若干组江面监测仪、一个水库液位计、一个闸门盐度仪和若干个GPRS模块组成，盐度预报单元由第一计算机和第四GPRS模块通过RS232串口总线连接组成，中央控制室由第二计算机和第五GPRS模块通过RS232串口总线相连组成，执行机构由闸门、若干个水泵和若干个PLC组成；应用本发明，可以有效避免咸水进入水厂，并能在枯水大潮组合的苛刻条件下保证水厂进水的含氯度达到最低。

Description

避咸泵站自动调度的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种避咸泵站自动调度的控制方法，具体地说，涉及一种以三大条件为主，其它实时监控数据为辅的一种泵站全自动控制系统及方法。

背景技术

潮汐影响地区历来是人类聚集最密集，经济文化最发达的区域。咸潮入侵对城市饮用水影响非常显著，直接制约着经济和民生建设的发展。

河流下泄的淡水与涨潮流上溯的咸水相互掺混，致使河口沿程盐度（氯度）不一致的现象称为咸潮入侵。受咸潮入侵影响，河口段氯度变化可达到2～10倍。目前咸潮入侵的形势严峻，以杭州为例，表现在以下三个方面：首先，在自然因素上，由于强潮作用，钱塘江河口盐水入侵严重，杭州闸口站实时盐度可达7480g/l，远远超过饮用水含盐量小于250mg/l的标准，咸水入侵导致城市停止供水；其次，现今水资源优化调配技术落后、缺乏蓄淡避咸调度理论和控制技术，致使水资源浪费现象严重，该蓄的淡水蓄不起来；再次，应急水库因不经常取水易导致水库富营养化，间歇性输水系统长期不运转也会发生污染甚至设备失灵。

目前大多数的水利控制系统是基于人工操作的，一般是通过电话进行人为控制，效率低下且浪费人力资源；没有盐度信息预报，抽放水比较盲目，浪费大量可用水资源；虽然现有系统中也有实时盐度监测，但因为不是自动控制，有较大的滞后性，如有咸潮突然来袭，会使一部分盐度超标的潮水进入水库。为此需要研究强混合河口水动力-盐度耦合的高效预报技术，既为水库泄水抑咸调度提供科学依据，又是蓄淡水库避咸取淡调度的技术基础，并且结合自动控制技术，做成完备的避咸泵站控制系统，是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种避咸泵站自动调度的控制系统及方法，本发明将“咸潮预报”与“蓄淡避咸控制”技术结合起来，有效避免咸水进入水厂，并能在枯水大潮组合的苛刻条件下保证水厂进水的含氯度达到最低，安全可靠，很好地解决了现有水利控制系统效率低、盲目性高、滞后性强的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种避咸泵站自动调度的控制系统，它由实时监测单元、盐度预报单元、中央控制室和执行机构等组成；其中，所述实时监测部分由若干组江面监测仪、一个水库液位计、一个闸门盐度仪和若干个GPRS模块组成，每个江面监测仪通过RS232串口总线连接一个第一GPRS模块、水库液位计通过RS232串口总线连接一个第二GPRS模块，闸门盐度仪通过RS232串口总线连接一个第三GPRS模块；盐度预报单元由第一计算机和第四GPRS模块通过RS232串口总线连接组成。中央控制室由第二计算机和第五GPRS模块通过RS232串口总线相连组成。执行机构由闸门、若干个水泵和若干个PLC组成，闸门和每个水泵各通过电缆线连接一PLC；所有PLC通过以太网与中央控制室的第二计算机相连。第一GPRS模块与第四GPRS模块无线通信，第二GPRS模块、第三GPRS模块和第四GPRS模块均与第五GPRS模块无线通信。

一种避咸泵站自动调度的控制方法，该方法在上述避咸泵站自动调度的控制系统上实现，该方法具体为：布置在江面上各点的江面监测仪获得江面各点的水体流速和盐度值，并发送至盐度预报单元的第一计算机上，第一计算机根据江面各点的水体流速和盐度值得到下一日适宜抽水的时间段，并将这个时间段发送至中央控制室的第二计算机中；水库液位计采集水库的水位信息并发送至中央控制室的第二计算机中，闸门盐度仪采集水库内的盐度信息并发送至中央控制室的第二计算机中。若当前时刻在第一计算机判定的适宜抽水的时间段内，且水库内水位未达预设的警戒水位，且闸门口的盐度值未达预设的警戒盐度值，第二计算机通过PLC开启水泵抽水。若水库内水位达到预设的警戒水位或盐度值达到预设的警戒盐度值，第二计算机通过PLC停止水泵。若水库内水位超过预设的警戒水位，第二计算机通过PLC开启闸门放水。

进一步地，所述第一计算机根据江面各点的水体流速和盐度值得到下一日适宜抽水的时间段具体如下：第一计算机通过以下数学模型得到下一日适宜抽水的时间段：

连续方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρV}\right)=0$

运动方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρV}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρVV}\right)=\mathrm{\ρf}+\▿p+\▿\·[\left(\mathrm{\μ}{+\mathrm{\μ}}_t\right)\▿V]$

盐度输运方程： $\frac{\∂S}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{SV}\right)=\▿\·[A\▿S]$

其中，ρ为密度；t为时间；V为流速；f为单位质量力；p为表面力；μ为粘滞系数；μ_t为垂向粘滞系数；S为盐度；A为盐分紊动扩散系数。

本发明的有益效果是，本发明能准确的预报下一日可抽放水的时间段，最大程度的减少可用水资源的浪费；可以有效避免咸水进入水厂，并能在枯水大潮组合的苛刻条件下保证水厂进水的含氯度达到最低。

附图说明

图1是控制系统框图；

图2是实施例中钱塘江站点分布；

图3是PLC控制程序流程图。

具体实施方式

General Packet Radio Service（通用分组无线业务）简称为GPRS，它经常被描述成"2.5G",也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间,是一种以GSM（全球手机系统）为基础的数据传输技术。GPRS网络自身独有的技术与应用上的优势，特别适用于突发性、高频率、小流量的数据传输服务。这些特征正是远程监测系统数据的特点。因此GPRS特别适合各种数据采集/通信或监测系统的使用。

如图1所示，整个系统是由实时监测单元、盐度预报单元、中央控制室和执行机构四大部分组成。其中，实时监测部分由若干组江面监测仪、一个水库液位计、一个闸门盐度仪和若干个GPRS模块组成，若干组江面监测仪安装在江面的多个位置，水库液位计安装在水库内，闸门盐度仪安装在闸门外，每个江面监测仪通过RS232串口总线连接一个第一GPRS模块、水库液位计通过RS232串口总线连接一个第二GPRS模块，闸门盐度仪通过RS232串口总线连接一个第三GPRS模块；盐度预报单元由第一计算机和第四GPRS模块通过RS232串口总线连接组成。中央控制室由第二计算机和第五GPRS模块通过RS232串口总线相连组成。执行机构由闸门、若干个水泵和若干个PLC组成，闸门和每个水泵各通过电缆线连接一PLC；所有PLC通过以太网与中央控制室的第二计算机相连。第一GPRS模块与第四GPRS模块无线通信，第二GPRS模块、第三GPRS模块和第四GPRS模块均与第五GPRS模块无线通信。

本发明的避咸泵站自动调度的控制方法在上述避咸泵站自动调度的控制系统上实现，该方法具体为：布置在江面上各点的江面监测仪获得江面各点的水体流速和盐度值，并发送至盐度预报单元的第一计算机上，第一计算机根据江面各点的水体流速和盐度值得到下一日适宜抽水的时间段，并将这个时间段发送至中央控制室的第二计算机中，水库液位计采集水库的水位信息并发送至中央控制室的第二计算机中，闸门盐度仪采集水库内的盐度信息并发送至中央控制室的第二计算机中。若当前时刻在第一计算机判定的适宜抽水的时间段内，且水库内水位未达预设的警戒水位，且闸门口的盐度值未达预设的警戒盐度值，第二计算机通过PLC开启水泵抽水。若水库内水位达到预设的警戒水位或盐度值达到预设的警戒盐度值，第二计算机通过PLC停止水泵。若水库内水位超过预设的警戒水位，第二计算机通过PLC开启闸门放水。

所述第一计算机根据江面各点的水体流速和盐度值得到下一日适宜抽水的时间段具体如下：第一计算机通过以下数学模型得到下一日适宜抽水的时间段：

连续方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρV}\right)=0$

运动方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρV}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρVV}\right)=\mathrm{\ρf}+\▿p+\▿\·[\left(\mathrm{\μ}{+\mathrm{\μ}}_t\right)\▿V]$

盐度输运方程： $\frac{\∂S}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{SV}\right)=\▿\·[A\▿S]$

其中ρ为密度；t为时间；V为流速；f为单位质量力；p为表面力；μ为粘滞系数；μ_t为垂向粘滞系数；S为盐度；A为盐分紊动扩散系数。

该模型中，流速和盐度是通过江面的监测仪实时测得的，即模型的输入条件，其他量都是常数。所以输入条件一般为上下游边界的流速和盐度过程线，经过离散叠代后，输出得到未来时刻的流速和盐度的分布图，以此来对强潮河流盐度分布进行高效预报，快速合理地预测出未来数天至数十天的盐度分布，为上游水库优化调度提供依据。

下面结合实施例进一步描述本发明。

如图2所示，泵站在闸口处，然后分别在上游的闻堰、之江，下游的七堡、仓前、盐官、潡浦、乍浦共8个站点设置测试仪。

如图1所示，江面各点监测仪实时测得流速和盐度，其中，流速可以通过ADCP（全称为Acoustic Doppler Current Profilers，即声学多普勒流速剖面仪，具有能直接测出断面的流速剖面、具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大、精度高等特点，目前被广泛用于海洋、河口的流场结构调查、流速和流量测验等）测试得到，盐度可以通过CTD（特指一种用于探测海水温度，盐度，深度等信息的探测仪器，名为：温盐深仪）测试得到，所以输入条件一般为上下游边界的流速和盐度过程线，经过离散叠代后，输出得到未来时刻的流速和盐度的分布图，以此来对强潮河流盐度分布进行高效预报，快速合理地预测出未来数天至数十天的盐度分布，为上游水库优化调度提供依据。

水库内的液位计将测到的水位值通过第二GPRS模块将数据发出，由中央控制室内的第五GPRS模块接收并传给第二计算机，然后将发来的水位数据与预设好的警戒水位值进行比较。系统采用西门子SITRANS Probe LU一体化超声波液位计，24VDC输入，4~20mA输出，精度为±0.02mA，54KHZ，量程为0.25~12米；使用自动虚假回波抑制技术可避免固定物体的影响，提高信噪比，使精度到达量程的0.15%或6毫米；传感器为ETFE或PVDF材质，可抗化学腐蚀；另外，对于材料和过程温度变化的应用，PBOBE LU还集成一个内置传感器，以补偿温度变化。

闸门盐度仪放置在距闸门外约5m处，可以采用台湾HOTEC SC-106在线盐度仪。该盐度仪有以下几个特点：特殊外壳设计，防水效果佳，具STDBY功能，方便保养及校正；4-20mA隔离输出，不易受干扰，自动温度补偿每℃=2.1%；精确度可达±1.5%FS；超大型液晶显示（LCD），耐温至90℃不变黑。非常适宜用作海水盐度监测。闸门处的警戒盐度值可设为250mg/L。

本发明可以有效避免咸水进入水厂，并能在枯水大潮组合的苛刻条件下保证水厂进水的含氯度达到最低。

Claims (3)

1.一种避咸泵站自动调度的控制系统，其特征在于，它由实时监测单元、盐度预报单元、中央控制室和执行机构等组成；其中，所述实时监测部分由若干组江面监测仪、一个水库液位计、一个闸门盐度仪和若干个GPRS模块组成，每个江面监测仪通过RS232串口总线连接一个第一GPRS模块、水库液位计通过RS232串口总线连接一个第二GPRS模块，闸门盐度仪通过RS232串口总线连接一个第三GPRS模块；盐度预报单元由第一计算机和第四GPRS模块通过RS232串口总线连接组成。中央控制室由第二计算机和第五GPRS模块通过RS232串口总线相连组成。执行机构由闸门、若干个水泵和若干个PLC组成，闸门和每个水泵各通过电缆线连接一PLC；所有PLC通过以太网与中央控制室的第二计算机相连。第一GPRS模块与第四GPRS模块无线通信，第二GPRS模块、第三GPRS模块和第四GPRS模块均与第五GPRS模块无线通信。

2.一种避咸泵站自动调度的控制方法，该方法在上述避咸泵站自动调度的控制系统上实现，该方法具体为：布置在江面上各点的江面监测仪获得江面各点的水体流速和盐度值，并发送至盐度预报单元的第一计算机上，第一计算机根据江面各点的水体流速和盐度值得到下一日适宜抽水的时间段，并将这个时间段发送至中央控制室的第二计算机中；水库液位计采集水库的水位信息并发送至中央控制室的第二计算机中，闸门盐度仪采集水库内的盐度信息并发送至中央控制室的第二计算机中。若当前时刻在第一计算机判定的适宜抽水的时间段内，且水库内水位未达预设的警戒水位，且闸门口的盐度值未达预设的警戒盐度值，第二计算机通过PLC开启水泵抽水。若水库内水位达到预设的警戒水位或盐度值达到预设的警戒盐度值，第二计算机通过PLC停止水泵。若水库内水位超过预设的警戒水位，第二计算机通过PLC开启闸门放水。

3.根据权利要求1所述避咸泵站自动调度的控制方法，其特征在于，所述第一计算机根据江面各点的水体流速和盐度值得到下一日适宜抽水的时间段具体如下：第一计算机通过以下数学模型得到下一日适宜抽水的时间段：

连续方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρV}\right)=0$

运动方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρV}}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{\ρVV}\right)=\mathrm{\ρf}+\▿p+\▿\·[\left(\mathrm{\μ}{+\mathrm{\μ}}_t\right)\▿V]$

盐度输运方程： $\frac{\∂S}{\∂t}+\▿\·\left(\mathrm{SV}\right)=\▿\·[A\▿S]$

其中，ρ为密度；t为时间；V为流速；f为单位质量力；p为表面力；μ为粘滞系数；μ_t为垂向粘滞系数；S为盐度；A为盐分紊动扩散系数。

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