測(cè)控一體化閘門的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

崔 岢張 杰鄧 濤諸小林楊麗丹周新志

(1.成都萬(wàn)江港利科技股份有限公司，成都，610015；2.四川大學(xué)智能控制研究所，成都，610065；3.四川大學(xué)水利信息化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，成都，610065)

我國(guó)目前仍處于農(nóng)業(yè)灌溉的粗放型管理階段，雖然通過這幾年的飛速發(fā)展，部分灌區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些閘門的信息化和自動(dòng)化改造，但在支斗渠級(jí)別還有大量人工或其他形式的灌溉閘門在工作，這種老式的閘門多為鑄鐵或者焊接閘門，技術(shù)落后，不能計(jì)量，管理完全依靠人工，效率低下，矛盾比較突出[1，2]。近幾年，國(guó)內(nèi)測(cè)控一體化閘門技術(shù)飛速發(fā)展，科技水平、智能管理等已經(jīng)接近國(guó)際水平[3]?？傮w來看，國(guó)外農(nóng)業(yè)灌溉已經(jīng)廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，管理理念先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)，設(shè)備先進(jìn)，部分灌區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理[3-5]。國(guó)內(nèi)灌區(qū)如果采用國(guó)外設(shè)備，將面臨設(shè)備價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)、后期配套服務(wù)跟不上等問題[6-8]。

測(cè)控一體化閘門的研究與設(shè)計(jì)并應(yīng)用渠道的多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)渠系網(wǎng)絡(luò)的智能控制和水量調(diào)度，優(yōu)化灌溉水資源調(diào)配，提高渠道灌溉效率[9-12]。

1 閘板的升降結(jié)構(gòu)

閘板的升降設(shè)計(jì)如圖1所示，蝸桿蝸輪減速機(jī)為雙軸伸結(jié)構(gòu)，兩側(cè)各連接一個(gè)傳動(dòng)軸卷輪，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)鋼絲繩正向纏繞，向上提升門板，開啟閘門；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)鋼絲繩反向纏繞，向下壓升導(dǎo)桿，產(chǎn)生閉門力，關(guān)閉閘門。

圖1 閘板的升降設(shè)計(jì)

2 測(cè)流方法

采用水工建筑物測(cè)流方法，利用河、渠、湖、庫(kù)上已有的堰閘、涵洞、抽水站、水電站等水工泄水建筑物，通過實(shí)測(cè)水頭(水頭差)、閘門開啟高度等水力因素，經(jīng)率定分析或利用經(jīng)驗(yàn)公式確定流量系數(shù)或效率系數(shù)，用水力學(xué)公式計(jì)算流量。其基本原理是能量轉(zhuǎn)換和守恒原理。這種轉(zhuǎn)換和守恒定律可由下式表示[13]：

(1)

(2)

(3)

式中：H0——閘上游水頭；

H1——閘下游水頭；

hw——上下游水頭損失；

ω——閘孔局部水頭損失系數(shù)；

V0——閘上游斷面流速；

V1——閘下游斷面流速；

φ——流速系數(shù)。

以平底閘平板門自由孔流為例，Q=A1V1，A1=Aε，其中A1為閘下過水?dāng)嗝婷娣e；A為閘孔過水?dāng)嗝婷娣e，A=Be；ε為閘孔出流時(shí)閘下斷面處的垂直收縮系數(shù)；B為閘孔總凈寬；e為閘門開啟高度。因此，流量為：

Q=AεV1

(4)

令流量系數(shù)μ=εφ

利用水工模型流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)，提出“計(jì)算機(jī)三維數(shù)值模擬測(cè)量法”，其原理是利用水工泄水建筑物，結(jié)合渠段特征、渠道襯砌的糙率、水面比降，形成完整的計(jì)量模型，從而實(shí)現(xiàn)“水位-閘門開度-流量”的關(guān)系，通過動(dòng)態(tài)改變流量系數(shù)，計(jì)算得到過閘流量，實(shí)驗(yàn)室計(jì)量的精度誤差可以達(dá)到2%。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控一體化閘門的組成

測(cè)控一體化閘門由閘門門框、水位傳感器、開度傳感器、閘門、驅(qū)動(dòng)裝置、控制器太陽(yáng)能板，通信板塊組成。其結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 測(cè)控一體化閘門結(jié)構(gòu)

閘門門框采用鋁合金結(jié)構(gòu)，安裝固定在混凝土渠道的墻壁上，為其他各部分的安裝提供基礎(chǔ)。水位傳感器采用超聲波水位測(cè)量?jī)x。開度傳感器依靠弧形閘門邊緣上的參考點(diǎn)監(jiān)測(cè)計(jì)算閘門開啟狀況。閘門由三塊鋁合金板組成，采用頂面溢流，兩側(cè)的鋁合金板可發(fā)揮渠道邊墻的作用。驅(qū)動(dòng)裝置包含直流電動(dòng)機(jī)和減速裝置，集自動(dòng)控制與手動(dòng)操作一體化，即使遭遇連續(xù)陰霾天氣電池?zé)o法正常工作，也可通過手柄啟閉閘門。通過太陽(yáng)能板為整個(gè)系統(tǒng)提供能源。通信板塊采用運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，將調(diào)度中心與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控點(diǎn)進(jìn)行連接。

3.2 測(cè)控一體化閘門的組網(wǎng)

采用星型的組網(wǎng)方式使用運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將測(cè)控一體化閘門與服務(wù)器進(jìn)行組網(wǎng)，服務(wù)器可在本地也可在云端，實(shí)現(xiàn)本地及遠(yuǎn)程控制。通過手機(jī)或者PC機(jī)登陸遠(yuǎn)端服務(wù)器可遠(yuǎn)程控制一體化閘門，實(shí)現(xiàn)其調(diào)度。測(cè)控一體化閘門的組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 測(cè)控一體化閘門組網(wǎng)

測(cè)控一體化閘門多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制如圖4所示，可實(shí)時(shí)采集閘門的開啟高度、上下游水位和運(yùn)行狀態(tài)等信息，通過遠(yuǎn)程3G/4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制中心，由控制中心統(tǒng)一調(diào)度全部閘門，通過渠道上下游閘門的多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置與調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)按需供水，對(duì)渠道水情(如閘門前后水位、閘門開度和流量)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確測(cè)量，通過下游控制、優(yōu)化調(diào)度、削減灌溉用水最終實(shí)現(xiàn)節(jié)水目的。

圖4 測(cè)控一體化閘門多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制

3.3 測(cè)控一體化閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)控一體化閘門根據(jù)其安裝位置可分為節(jié)制閘結(jié)構(gòu)和分水閘結(jié)構(gòu)，按其安裝的數(shù)量可分為單門結(jié)構(gòu)和雙門并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 測(cè)控一體化閘門結(jié)構(gòu)

3.4 軟件平臺(tái)展示

測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)采用基于云平臺(tái)的WEB和APP系統(tǒng)，如圖6所示，前端基于邊緣計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可自動(dòng)識(shí)別水位高度、水面漂浮物、危險(xiǎn)堤岸、非法闖入等場(chǎng)景，自動(dòng)記錄影像資料并向管理人員預(yù)警，管理員可以隨時(shí)隨地對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和用水管理。配水員隨時(shí)隨地可以通過手機(jī)APP進(jìn)行閘門遠(yuǎn)程控制、流量統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)視頻瀏覽、實(shí)時(shí)圖像抓拍、歷史照片瀏覽、異常故障告警和遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置等操作。

圖6 APP界面與實(shí)時(shí)圖片

4 應(yīng)用實(shí)踐及效果

在成都市都江堰灌區(qū)人民渠一處同心堰試點(diǎn)成功安裝并且運(yùn)行了所設(shè)計(jì)的測(cè)控一體化閘門，其現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。按照GB/T 21303-2015《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》，利用流速儀對(duì)閘門后一段標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面進(jìn)行測(cè)量比對(duì)，水工建筑物法與流速儀結(jié)果對(duì)比，如圖8所示。通過比對(duì)流速儀，當(dāng)閘門開度在10cm以內(nèi)時(shí)，誤差較大，平均誤差14%；當(dāng)開度在10cm～40cm時(shí)，誤差平穩(wěn)，平均誤差4%。

圖7 測(cè)控一體化閘門現(xiàn)場(chǎng)

圖8 水工建筑物法與流速儀對(duì)比

5 結(jié)論

本文對(duì)測(cè)控一體化閘門進(jìn)行了設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了其測(cè)流原理、組成結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)方式，并且將所設(shè)計(jì)的測(cè)控一體化閘門投入運(yùn)行，測(cè)控一體化閘門具有單站式設(shè)計(jì)、可分期投入，扁平化鏈接、體系化運(yùn)行，綜合性組網(wǎng)、智能化管控等特點(diǎn)，可使全灌區(qū)閘門實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控、信息化管理、精確化計(jì)量、精準(zhǔn)化控制，實(shí)現(xiàn)了渠道調(diào)水自動(dòng)化和信息化，擺脫了傳統(tǒng)的粗放式人工管理方式，提高了工作效率，節(jié)省了時(shí)間和人力。