智能終端在武都引水工程灌區(qū)閘門控制中的應用

馬中長，耿 琳

(1.四川省綿陽武都引水工程建設管理局，四川 綿陽，621700；2.四川省水利科學研究院，成都，610072)

1 武都引水工程概況

武都引水工程是四川省“五橫六縱”引水補水網(wǎng)絡中“六縱”之一，以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼防洪、發(fā)電、城鄉(xiāng)供水、航運、旅游開發(fā)、生態(tài)環(huán)保等綜合利用的大型骨干水利工程，被小平同志譽為“第二個都江堰”，也是天府四川“再造一個都江堰灌區(qū)”重點戰(zhàn)略性工程，該工程全面建成后，灌溉從川西北到川東北的綿陽、遂寧、廣元和南充4地市10區(qū)市縣21.8萬hm2，受益人口1000余萬，全力支撐著區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。武都引水工程主要由武都水庫、取水樞紐、總干渠及其配套的各級渠系、渠系電站、提灌站和囤蓄水庫組成。全灌區(qū)規(guī)劃六級渠道119條，總長2109km。

近年來，隨著武都引水二期工程逐步建成，武都引水工程將從工程建設為主轉(zhuǎn)入工程供水管理為主的局面，從降低管理成本、提高工作效率、減輕操作人員勞動強度出發(fā)，需要考慮大力開展工程節(jié)制(供水)閘門和放水洞的自動計量、遠程監(jiān)控和視頻監(jiān)視的建設工作，以逐步實現(xiàn)武都引水工程供水管理智能化。

2 武引灌區(qū)閘門智能控制的必要性

閘門是用于關(guān)閉和開放泄(放)水通道的控制設施，是水工建筑物的重要組成部分，可用于攔截水流、控制水位、調(diào)節(jié)流量、排放泥沙和漂浮物等。閘門測流是利用已有水工建筑物，監(jiān)測閘前后水位、閘門開度等參數(shù)，結(jié)合原有建筑物水工模型計算過閘流量。

先進的閘門監(jiān)控系統(tǒng)是高效、可靠的水資源調(diào)度系統(tǒng)的基礎，閘門遠程自動控制是實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化的關(guān)鍵[1]。閘門自動控制可以提高灌區(qū)供水的準確性和水資源的使用效率，同時降低工作人員的勞動強度，提高配水管理水平、灌溉效益和灌區(qū)現(xiàn)代化水平。實現(xiàn)灌區(qū)閘門遠程自動控制，對于實現(xiàn)灌區(qū)精準量水控水、科學調(diào)度和信息化管理都有重要意義[2]。

武都灌區(qū)供水渠道有上千公里，戰(zhàn)線長，距離遙遠，舟車勞頓、人員辛苦，現(xiàn)有幾十個渠道供水交接位置的節(jié)制閘門和數(shù)百個放水洞，分水控制和流量掌握基本上都是靠水管人員手動操作和經(jīng)驗估算，人為因素較大，計量準確性可變幅度值較大，管理水平低下，管理效率低下。隨著武引二期的即將建成通水、武引三期的籌建，武引灌區(qū)供水節(jié)制閘門、泄洪閘門、放水洞等水工建筑物將更多，而且這些閘門放水洞普遍建設在丘陵低山的半坡上。按照原有管理模式，日常管理需要大量的水管人員長途跋涉去現(xiàn)場開啟或者關(guān)閉閘門，耗時耗力，效率低下，與灌區(qū)信息化建設的要求差距較大[3]，迫切需要對供水渠道交接位置的節(jié)制閘門和一年四季給水電站、自來水廠供水的渠道入口閘門進行現(xiàn)代化改造，將流量測量、閘門前水位調(diào)節(jié)控制和閘門開度控制結(jié)合成一個整體來調(diào)控渠道水量，實現(xiàn)可視化的閘門遠程智能控制，提高灌區(qū)管理的現(xiàn)代化水平。

3 智能終端在武引灌區(qū)閘控系統(tǒng)中的應用

武引一期閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)以計算機網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)庫為支撐，智能終端通過下位機實時自動測量收集閘門前后水位、閘門開度、影像等數(shù)據(jù)，實時向用戶發(fā)送水情信息。根據(jù)預先設置水力學公式計算流量，分析處理數(shù)據(jù)形成決策信息；根據(jù)用戶提供的優(yōu)化調(diào)度計劃用水等信息，向閘門發(fā)出操作指令，啟閉電機操控閘門開度，輔助視頻監(jiān)控查看自動閘控是否執(zhí)行準確，對渠道閘門進行監(jiān)測控制，實現(xiàn)水資源的精準計量控制。硬件系統(tǒng)包括閘門機械系統(tǒng)、閘門控制系統(tǒng)、水位流量測量系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等[4]。

圖1 閘門智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心通常有兩種建設方式，用戶早期使用通用組態(tài)軟件平臺，成本低，實施簡單，當場景搭建起來后，能發(fā)現(xiàn)更多的軟件實際需求，通用組態(tài)軟件平臺屬于二次開發(fā)，功能相對固定，在后期設備增多的情況下，通常會選擇定制專用的監(jiān)控中心軟件。

本次武引灌區(qū)的監(jiān)控方案采用定制開發(fā)的“智慧武引平臺”，GRM230終端為控制大腦，終端提供標準的WEB訪問接口，軟件開發(fā)團隊可以輕松獲取數(shù)據(jù)，制作自己的數(shù)據(jù)展示平臺，無需了解任何PLC底層通訊協(xié)議。智能終端通過本機IO直接連接現(xiàn)場的4路模擬量4路開關(guān)量數(shù)據(jù)。具有可編程的4路繼電器開關(guān)量輸出信號，作為閘門升降控制與告警輸出使用，內(nèi)置邏輯編程功能，可獨立當成一個小型PLC使用，降低用戶系統(tǒng)投資成本，實現(xiàn)遠程組態(tài)軟件監(jiān)控、電腦網(wǎng)頁與手機APP監(jiān)控。集成了數(shù)據(jù)釆集、運算、無線網(wǎng)絡、視頻監(jiān)控等為一體的工控結(jié)構(gòu)，徹底解決傳統(tǒng)GRPS DTU不穩(wěn)定、速度慢、使用復雜的問題。智能終端自帶的4G無線通信功能，可以使用電信、移動、聯(lián)通等三大通信運營商的流量卡，有一個網(wǎng)口可以接入網(wǎng)絡攝像機，傳輸現(xiàn)場實時視頻圖像到工作人員的計算機或手機。系統(tǒng)的采集與控制都設置了嚴格的權(quán)限管理，傳輸采用銀行級數(shù)據(jù)加密技術(shù)，云平臺通過賽門鐵克安全認證，阿里云硬件防火墻確保數(shù)據(jù)安全。

4 技術(shù)應用成效

(1)系統(tǒng)利用巨控遠程4G通訊模塊和云安全平臺提供的數(shù)據(jù)交換功能，在各種場合靈活地傳輸數(shù)據(jù)，不受距離和環(huán)境限制，適用于各種不方便拉線的現(xiàn)場，比如點對點，點對多點，開關(guān)量或模擬量傳輸，遠程報警顯示，遠程PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。采用非VPN透傳，PLC無需增加通訊程序，定時傳輸和智能閥值判斷，最大程度節(jié)約流量，配合APP使用，簡單清晰，隨時隨地查看各地數(shù)據(jù)情況和交換情況。

(2)系統(tǒng)的巨控4G遠程通訊模塊延遲僅為200ms，滿足實時工業(yè)通訊的需求，模塊同時具備豐富的IO接口、串口、網(wǎng)口，內(nèi)置可編程功能，可以同時實現(xiàn)遠傳和邏輯控制。當輸入(輸出)點位滿足應用場景時GRM230智能終端就可以當作為一個小型PLC使用，且該產(chǎn)品具有路由器功能，通過該智能終端十分方便將現(xiàn)場視頻圖像上傳，節(jié)省了另外部署視頻圖像傳輸通道的費用[5]。

(3)將太陽能電池板提供能源給蓄電池充電并儲存的技術(shù)，應用于水利工程邊遠地區(qū)的工程管理、控制，不用花費高昂費用架設交流供電線路，達到投資省、施工快速、供電可靠、設備工作穩(wěn)定的效果，在小型水利工程項目中有很大的推廣應用價值。

(4)系統(tǒng)將串勵直流電動機應用于武引灌區(qū)閘控系統(tǒng)，作為水利工程閘門啟閉機的升降動力源，控制接線簡單，正反轉(zhuǎn)很容易實現(xiàn)，且基本上沒有維護工作。

(5)系統(tǒng)將工業(yè)注塑系統(tǒng)的位移測量傳感器變通，用于水利工程小微型閘門的開度測定，實現(xiàn)了水利工程閘門位移測量毫米級別的效果。

(6)武引灌區(qū)首次將DN300mm的管道式電磁流量計應用于實時流量測定，測量范圍是100m3/h～1000m3/h，0.02778m3/s～0.2778m3/s(武引工程涪梓干渠下段46號放水洞設計放水流量是0.25m3/s)。

武引工程通過2個放水洞13個節(jié)制(泄洪、供水)閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)建設的實際運行，能夠?qū)崿F(xiàn)閘門放水計量和統(tǒng)計水量值，遠程升降(開關(guān))閘門(閘閥)和監(jiān)測閘門開度、閘門狀態(tài)，形成歷史數(shù)據(jù)。一個智能終端就完成自動控制、數(shù)據(jù)的采集與上傳下達、現(xiàn)場視頻上傳，且是加密傳輸，日常通信運行費用低，120G通信流量可以滿足一個智能終端一年需求。

5 實現(xiàn)的功能

武都引水工程灌區(qū)在實施閘門自動控制工程中，充分發(fā)揮了GRM230智能終端具有的實用性強、技術(shù)支持及時、后續(xù)服務到位、云平臺功能強大功能，實現(xiàn)可量、可控、可視的多項功能，滿足了現(xiàn)場管理的要求。

5.1 實現(xiàn)了可視化的閘控功能

以前的灌區(qū)閘控都是系統(tǒng)自動啟閉電機控制閘門，無法看到現(xiàn)場實時工作情況，閘門是否達到了預設的開度，是否失控造成了安全事故難以知曉。實現(xiàn)了視頻監(jiān)控以后，不僅很好地解決了以上問題，還可以實時在計算機和手機APP觀看閘門工況和水流情況，便于異地遠程控制和實現(xiàn)數(shù)據(jù)多人共享會商等功能。

圖2 系統(tǒng)遠程控制界面

5.2 實現(xiàn)了流量的采集計算和統(tǒng)計功能

實現(xiàn)了利用傳感器自動采集計算供水閘門(或放水洞)下泄水流的流量值(根據(jù)閘前水位值和閘門開啟高度值自動計算)、放水過程的累積水量值。改造前，節(jié)制(放水洞)閘門的放水水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)一般是按天或供水時段進行人工觀測統(tǒng)計；改造后，實現(xiàn)了根據(jù)閘前水位和閘門開度值進行實時測定計算下泄水流的流量，按秒鐘累積統(tǒng)計供水的水量，科學高效地提高了輸配水的準確性。

5.3 實現(xiàn)了計劃供水功能

計劃供水是灌區(qū)用水管理的重要內(nèi)容，以前的計劃用水管理完全依靠管理人員的經(jīng)驗估算，無法實現(xiàn)精準的計劃供水；本次改造后，系統(tǒng)實現(xiàn)了實際放水水量達到計劃供水量值時閘門(閘閥)就自動關(guān)閉的功能，可以逐步實現(xiàn)付費取水的方式，即根據(jù)繳納的水費數(shù)額下放相應的水量，促使水利工程管理更加科學化、人性化、現(xiàn)代化、工程運行數(shù)字化。為了便于維修和突發(fā)狀況，系統(tǒng)保留現(xiàn)場手動控制和手搖升降閘門的功能。

5.4 實現(xiàn)了現(xiàn)代化管理功能

利用智能終端改造了閘門監(jiān)控系統(tǒng)后，實現(xiàn)了在辦公室計算機或者個人手機上遠程視頻控制閘閥，可同時監(jiān)測(監(jiān)控)多個放水洞或放水閘門的現(xiàn)場運行工況，還可以視頻查看現(xiàn)場閘控啟閉是否準確以及實時工況等情況，實現(xiàn)了武引工程渠道中的節(jié)制(泄洪)閘門、放水洞等放水過程的所有數(shù)據(jù)數(shù)字化、閘門運行遠程自動化、放水成果追溯可查有依據(jù)、管理工作精細化。避免了放人情水、計量不及時、水量統(tǒng)計離散性大、計量準確性差(一般是按天或供水時段、至少是按小時進行統(tǒng)計)、大幅度降低了工程管理人員的勞動強度，大幅度提高了灌區(qū)的管理水平。

6 建設經(jīng)驗及建議

武都引水工程灌區(qū)在應用巨控科技GRM230智能終端進行閘門控制的實踐中，充分發(fā)揮了智能終端具有的實用性強、技術(shù)支持及時、后續(xù)服務到位、云平臺功能強大優(yōu)勢，滿足了現(xiàn)場使用要求?？偨Y(jié)武引一期閘門智能監(jiān)控系統(tǒng)建設運行期間的經(jīng)驗，對類似灌區(qū)的閘控建設提出如下建議：

(1)灌區(qū)閘門及放水洞自動化改造工作，適宜“一閘(洞)一策”的模式，尤其是每一個放水洞的組成結(jié)構(gòu)不一樣，有的是閘閥而出水管是鋼管，有的是閘門而出水管是水泥管，需要選擇符合精度要求的流量計。推薦選擇分體式電磁流量計，其中測量單元防水等級為IP68級別，可防止因山洪暴發(fā)，雜物堵塞防護柵欄被洪水淹沒測量單元，造成設備損壞。

(2)節(jié)制(供水、放水洞)閘門的測流需要根據(jù)水位閘門開度等指標進行流量計算，需要安裝傳感器測定閘前、閘后水位和閘門開度等指標。但是，往往由于閘前后水位計安裝位置或者閘門運行工況不同，閘前水流紊亂水位波動較大，直接影響到水位傳感器的讀數(shù)精度，進而影響計算得到的通過閘門的流量，需要采取措施改善閘門前后的水流條件或者采用增加水位傳感器的方式或者率定流量的方式進行校正。武引工程灌區(qū)在江綿分支渠供水閘門下游200m處建立了水標尺，用轉(zhuǎn)槳式流速儀測斷面流速計算流量值進行流量測驗，及時調(diào)整率定流量計算公式，提高了武引工程閘門供水計量的準確度。

結(jié)合武引灌區(qū)的實際情況，在常年供水或者季節(jié)性放水的閘門(放水洞)實現(xiàn)對閘門的遠程監(jiān)控、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等上傳下達，達到對閘門的智能控制(定閘門開度自動運行、定水量自動關(guān)閉閘門、自動計算下泄水流的流量和累計水量)，實現(xiàn)了渠道供水調(diào)水的遠程監(jiān)控、渠道水位與閘門狀態(tài)的遠程視頻監(jiān)視功能，可以大幅度降低管理人員勞動強度，提高灌區(qū)的管理效率，節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉用水，提高灌區(qū)現(xiàn)代化水平。