灌區(qū)測控一體化閘門系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

王啟飛，劉冠軍，劉 磊，王勝凱

(南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司，南京 211100)

閘門作為水利工程建設(shè)中一個基本的水利設(shè)施，在農(nóng)田灌溉、水位控制、城市供水等諸多工程應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用。而當前絕大多數(shù)灌區(qū)的分水控制、測流計量、信息管理等方面自動化程度不高，基本上依靠配水員手動操作閘門，靠目測經(jīng)驗計量流量，管理水平落后，用水效率低，與灌區(qū)信息化、自動化建設(shè)存在很大差距[1]。

疏勒河灌區(qū)位于甘肅省河西走廊西端玉門市、瓜州縣境內(nèi)，屬國家大型灌區(qū)，由于地處西北干旱地區(qū)，灌區(qū)水資源較為缺乏，用水矛盾十分突出[2]。為了緩解當?shù)赜盟┬杳?、提高用水效率，本文基于灌區(qū)渠道原有閘門研究集遠程控制及流量計量功能于一體的渠系自動化閘門。遠方中心站實時監(jiān)控渠道閘門的狀態(tài)，通過全流域協(xié)同控制，不僅可以減輕配水員的工作強度、減少配水糾紛，而且能夠?qū)崿F(xiàn)整個灌區(qū)精確配水、科學調(diào)度和信息化管理，最終實現(xiàn)水資源的合理配置，提高水資源的利用率，促進灌區(qū)經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 測控一體化閘門系統(tǒng)架構(gòu)

以疏勒河昌馬灌區(qū)為例，灌區(qū)干渠內(nèi)的水途徑支渠、斗渠以及農(nóng)渠逐步引流到各個田塊[3]。以遠方控制中心站為中樞的覆蓋全渠道的管理網(wǎng)絡(luò)，利用傳感測量技術(shù)和無線通信技術(shù)，使各個支渠、斗渠以及農(nóng)渠閘門能夠根據(jù)目標過閘流量或過閘總水量實現(xiàn)閉環(huán)控制，按需供水，達到真正的渠系無人管理或少人管理模式。測控一體化閘門系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

控制中心站利用無線通信技術(shù)對支渠、斗渠閘門終端遠程監(jiān)控，根據(jù)用戶需求發(fā)送控制目標信息；閘門終端依據(jù)指令驅(qū)動渠道閘門升降；安裝于閘門側(cè)的傳感器實時采集閘門開度及過閘流量信息；通過渠道數(shù)據(jù)的實時反饋，對閘門開度進行修正，確保所有分水口供水穩(wěn)定[4]，以達到控制目標要求。

建成后的渠系是一個信息采集全面、完善，管理方便、高效的系統(tǒng)。通過對閘門開度、過閘流量等信息的采集，實現(xiàn)測控一體化閘門的多級聯(lián)動控制，最終達到渠系網(wǎng)絡(luò)的智能控制和田間用水的合理調(diào)度[5]，能夠有效減少末端棄水，提高渠道灌溉效率。

2 測控一體化閘門系統(tǒng)設(shè)計

為達到渠系閘門閉環(huán)控制目標，僅依靠原有渠道閘門是遠遠不夠的，測控一體化閘門系統(tǒng)除了自動升降閘門外，還包括測控系統(tǒng)及供電系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 測控一體化閘門系統(tǒng)組成Fig.2 The components of the integrated gate system

2.1 閘門機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

灌區(qū)原有渠道閘門為板式鑄鐵閘門，手動操作轉(zhuǎn)輪控制閘門升降，存在閘門易銹蝕、封水性能差等問題；測控一體化閘門在原有閘門基礎(chǔ)之上，噴涂防銹漆，更換密封條、閘門門板以及升降桿等部件，并另配備電機、減速器、開度編碼器等。系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備主要性能參數(shù)如下。

(1)直流電機。型號：9DC90-48GN18；功率：90 W；電壓：直流48 V；輸出轉(zhuǎn)速：1 800 r/min。

(2)渦輪蝸桿減速機。型號:SZ-RVD-1.2F-HX-F；減速比：20/1；絲杠直徑：40 mm；螺距：7 mm；絲杠有效行程：1 200 mm；絲杠頭部：扁頭插銷型。

(3)開度編碼器。型號：JZB-A；脈沖數(shù)：4 096；輸出信號：4～20 mA；輸入電壓：直流10～30 V。

電機提供動力來源，將驅(qū)動力矩通過減速機傳遞到傳動軸，進而驅(qū)動閘門螺桿升降。減速機一方面使電機輸出轉(zhuǎn)速降低、提升扭矩；另一方面，蝸輪蝸桿減速器具有反向自鎖功能，能夠確保閘門在系統(tǒng)掉電時保持原有位置不變，且結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩大、運行平穩(wěn)。開度編碼器用于采集閘門開度信息，并將信號反饋至系統(tǒng)測控模塊。

2.2 測控系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)主要用于閘門閉環(huán)控制、閘門狀態(tài)信息采集、遠程無線通信及人機交互等，其數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互框圖Fig.3 Data interaction of measurement and control system

(1)閘門閉環(huán)控制。控制中心站設(shè)定目標過閘流量及過閘總水量，通過渠道過閘流量的實時反饋，對閘門開度進行修正，確保所有分水口供水穩(wěn)定。過閘流量的獲取則是通過閘后巴歇爾槽的實時水位信息換算而來。巴歇爾槽是一種應(yīng)用十分廣泛的明渠流量測量設(shè)備[6]，可以通過測量槽內(nèi)水流的液位，再根據(jù)相應(yīng)水位～流量關(guān)系，反求出流量。因而通過閘后水位的實時監(jiān)測即可測算出實時過閘流量，再根據(jù)水位信息對渠道閘門開度進一步修正，實現(xiàn)閉環(huán)控制。控制流程如圖4所示。

圖4 閘門閉環(huán)控制流程Fig.4 Flow chart of the closed loop control system

(2)閘門狀態(tài)信息采集。閘門狀態(tài)信息主要包括閘門開度、過閘流量及控制模式等。閘門開度通過安裝于電機輸出側(cè)的開度編碼器獲取[7]；過閘流量則是通過閘后巴歇爾槽的實時水位信息換算而來。閘門控制模式主要分為現(xiàn)地和遠程2種，現(xiàn)地模式下可解鎖控制面板輸入功能，而遠程模式下可實現(xiàn)控制中心站對閘門的遠程監(jiān)控。

(3)遠程無線通信。灌區(qū)面積一般都比較大，采用GPRS模塊進行無線傳輸，安全穩(wěn)定、抗干擾能力強，能夠為用戶提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)[8]。通過控制中心站發(fā)送指令，遠程控制閘門動作；同時閘門終端測控模塊將采集到的渠道數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)返回至中心站。

(4)人機交互。人機交互系統(tǒng)中，現(xiàn)地用戶可以通過現(xiàn)地控制柜中的面板按鈕控制閘門的上升、下降和停止，同時面板上的指示燈能夠顯示電機運行狀態(tài)、設(shè)備故障報警和閘門上下限位指示等信息。顯示屏則實時顯示渠道水位、閘門開度、過閘流量、電源電壓等數(shù)據(jù)，控制面板如圖5所示。

圖5 現(xiàn)地控制面板Fig.5 Local control panel

2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計

一體化測控閘門處于野外環(huán)境，系統(tǒng)利用太陽能給設(shè)備供電，免除建變電站和高低壓配電系統(tǒng)等工程，電力設(shè)施維護工作量及相應(yīng)費用大幅下降。系統(tǒng)能夠獨立供電、維護簡單，供電系統(tǒng)工作框圖如圖6所示。

圖6 供電系統(tǒng)工作框圖Fig.6 Working diagram of power supply system

發(fā)電部分：由太陽能電池板矩陣組成，完成光-電的轉(zhuǎn)換，并且通過充電控制器完成給蓄電池組自動充電的工作。

蓄電部分：由多節(jié)蓄電池組成，完成系統(tǒng)的全部電能儲備任務(wù)。

充電控制器部分：完成系統(tǒng)各部分的連接、組合以及對于蓄電池組充電的自動控制。

供電部分：把蓄電池中的直流電能變換成各級標準的電壓輸出，供給各種用電設(shè)備，如顯示屏、測控模塊、通訊模塊等。

3 系統(tǒng)控制模式設(shè)計

灌區(qū)所處位置偏遠，為滿足灌區(qū)閘門實際控制需求，系統(tǒng)設(shè)計了多種控制模式，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制模式Fig.7 System control mode

(1)現(xiàn)地手動。該模式一般僅在現(xiàn)場缺電或緊急情況下使用，用戶直接操作手搖輪，通過搖桿操作升降機實現(xiàn)閘門上升或下降，由于螺桿升降機帶有自鎖裝置，撤除手搖輪之后，閘門能夠自動保持在既定位置。

(2)現(xiàn)地電動。該模式需在現(xiàn)地情況下才能執(zhí)行，用戶在現(xiàn)場實時操作一體化控制箱面板上的按鈕，包括閘門上升、下降及停止，實現(xiàn)渠道閘門的動作，開度編碼器自動檢測閘門開度，并將渠道水位數(shù)據(jù)實時顯示在顯示屏中。

(3)遠程控制。在遠程模式下，中心站控制軟件通過無線通信模塊實現(xiàn)對渠道閘門的控制操作，此外還具有實時監(jiān)視水位站信息、一體化閘門站信息、水庫信息等功能。

4 測控一體化閘門系統(tǒng)運行試驗

自2016年12月開始，測控一體化閘門已先后應(yīng)用于疏勒河雙塔及昌馬灌區(qū)，實現(xiàn)了灌區(qū)精確配水、科學調(diào)度和渠系信息化管理，灌區(qū)現(xiàn)場安裝如圖8所示。

圖8 測控一體化閘門現(xiàn)場安裝圖Fig.8 Installation diagram of integrated gate

將閘門控制電機、減速器、升降機、編碼器、手輪等作為機電裝置單獨封裝于閘門固定架上方；測控模塊、供電模塊、通訊模塊、顯示屏及控制面板安裝于現(xiàn)地控制柜內(nèi)，并固定在閘門附近，以便于用戶進行現(xiàn)地操作。閘控終端不再需要建設(shè)閘房進行保護，有效降低改造所需成本，操作維護方便，防盜防破壞性較強。

4.1 綜合監(jiān)視

疏勒河灌區(qū)渠道閘門綜合監(jiān)視界面如圖9所示，水位站實時監(jiān)視功能包括對水位、流量、閘門狀態(tài)、電池電壓等信息實時監(jiān)視?？砂凑展鄥^(qū)、所屬管理所、站名、渠道類型等條件進行篩選查詢和統(tǒng)計，并可對水位站進行詳細信息查詢與定位。

圖9 綜合監(jiān)視界面Fig.9 Integrated monitoring interface

4.2 遠程控制

在遠程模式下，用戶通過選擇監(jiān)視列表中的測站類型“閘門”來進行一體化閘門實時控制，并可以實時顯示當前閘門的水位、流量、閘門開度、狀態(tài)、最新數(shù)據(jù)時間等信息。通過閘門監(jiān)控模塊可以對所選閘門進行目標流量或目標總量設(shè)置，以及對閘門進行上升、下降等操作，閘門監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 閘門監(jiān)控界面Fig.10 Gate monitoring interface

4.3 歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢可查詢多個測站站點的水位、流量、水量等歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間類型包括分鐘、小時、日、月等，便于對灌區(qū)用水量的綜合管理。歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖11所示。

圖11 歷史數(shù)據(jù)查詢界面Fig.11 Historical data query interface

5 結(jié) 語

灌區(qū)測控一體化閘門系統(tǒng)就是將現(xiàn)代測控技術(shù)及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于閘控系統(tǒng)的自動測量、計算和控制當中，進而實現(xiàn)灌區(qū)水資源的合理輸送、節(jié)制和分配。

測控一體化閘門系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)渠道閘門的實時監(jiān)測與控制，可提高干、支渠運行響應(yīng)能力，做到及時準確地調(diào)節(jié)干、支渠流量；可以達到配水任務(wù)的有效快速執(zhí)行，克服了人工操作帶來的不準確因素，提高了供水的準確性；同時大大降低了工作人員的勞動強度，提高了灌區(qū)灌溉效益，促進了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。