一體化閘門技術(shù)在疏勒河灌區(qū)斗口計量的運用

袁建軍，許永祥，王張磊，張 毅，陳華棟，劉 磊

(南瑞集團(tuán)有限公司/(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211100)

1 一體化閘門工作原理及系統(tǒng)組成

疏勒河灌區(qū)一體化閘門斗口計量智能控制系統(tǒng)由水位流量采集單元、機(jī)械和太陽能供電單元、智能閘門控制終端、通信單元和一體化閘門軟件單元5個主要部分組成，如圖1所示。具體為如下幾個內(nèi)容：

(1)水位流量采集單元通過采用磁致伸縮傳感器測量巴歇爾槽槽內(nèi)水流的液位，再根據(jù)相應(yīng)量水堰槽的水位--流量關(guān)系，反求出渠道流量并上傳給上位機(jī)。

(2)機(jī)械和太陽能供電單元采用節(jié)能環(huán)保的太陽能供電和高性能聚合物儲能電池，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的電源。

(3)智能控制終端單元主要負(fù)責(zé)閘門的核心控制其核心部件為PLC。

(4)通信單元含現(xiàn)地通信和遠(yuǎn)程通信，遠(yuǎn)程通信代替了原有的光纖通訊，通過GPRS/4G通信方式及時可靠地對數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。

(5)一體化閘門軟件單元實時采集閘門數(shù)據(jù)和在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心站上進(jìn)行顯示，進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和查詢。

2 一體化閘門相關(guān)設(shè)計

疏勒河灌區(qū)一體化閘門是一種高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品，具有設(shè)計先進(jìn)、安裝維護(hù)方便以及多功能等一系列優(yōu)點。它不僅可以像傳統(tǒng)閘門一樣通過人工調(diào)節(jié)閘門開度來控制流量，還能夠根據(jù)量水堰槽的具體要求實現(xiàn)精準(zhǔn)智能灌溉。

2.1 水位流量采集設(shè)計

對于一般渠道，液位與流量沒有確定的對應(yīng)關(guān)系，因為同樣的水深，流量的大小還與渠道的橫截面積、坡度粗糙度有關(guān)。在這個項目中我們采用了巴歇爾槽，巴歇爾槽又在一體化閘門下游渠道內(nèi)安裝，由于堰的缺口或槽的縮口比渠道的橫截面積小，因此，渠道上游水位與流量的對應(yīng)關(guān)系主要取決于槽的幾何尺寸，明渠內(nèi)的流量越大，液位越高;流量越小，液位越低，在同樣的巴歇爾槽放在不同的渠道上，相同的液位對應(yīng)相同的流量。我們通過磁致伸縮水位計采集巴歇爾槽液位，磁致伸縮水位計安裝在巴歇爾槽的收縮段的1/3～1/2的位置，這樣可以保證進(jìn)水無波動，無阻礙，通過測量巴歇爾量水堰槽內(nèi)水流的液位，再根據(jù)巴歇爾相應(yīng)量堰槽的水位--流量關(guān)系，巴歇爾槽流量公式：Q=CHn，(Q為流量,C為常數(shù)系數(shù)，H為水位)反求出流量。

2.2 閘門機(jī)械及驅(qū)動調(diào)節(jié)設(shè)計

閘門選用螺桿式啟閉機(jī)，用螺紋桿直接或通過連桿與閘門門葉相連接，通過馬達(dá)旋轉(zhuǎn)螺桿上下移動閘門以啟閉閘門。采用一體化智能設(shè)計，防護(hù)等級能達(dá)到IP65(防風(fēng)防雨)，不再需要建設(shè)閘房進(jìn)行保護(hù)，投資成本低廉，安裝撤卸方便，防盜防破壞性較好。

設(shè)備具體參數(shù)：最小測量精度：1 mm,啟重額定重量：400 kg，提升平均速度：6 cm/min,絲杠行程：0～150 cm,待機(jī)電流：0.12 A, 空載電流：1.2 A, 工作環(huán)境溫度-25 ～55 ℃，相對濕度≤ 95%(25 ℃時),平均無故障工作時間>10 萬h。

與一般閘門供電方式不同，一體化閘門馬達(dá)系統(tǒng)選用36 V直流電機(jī)，依靠太陽能和蓄電池驅(qū)動，這樣不需要遠(yuǎn)距離拉線供應(yīng)永久電源，白天用太陽能供電，夜間通過蓄電池供電，高性能聚合物電池80AH(當(dāng)電池充滿可進(jìn)行循環(huán)3次150 cm行程開關(guān)門)，為閘門提供了可靠電源，系統(tǒng)可24 h處于待機(jī)狀態(tài),由微處理器控制的電源管理硬件, 提供全方位的閘門管理和錯誤檢測系統(tǒng)。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)包括固態(tài)馬達(dá)開關(guān)，動態(tài)電源管理來降低系統(tǒng)功率，優(yōu)化的太陽能充電系統(tǒng)，同時還包括蓄電池及太陽能電源監(jiān)測系統(tǒng)，電路保護(hù)系統(tǒng)，綜合系統(tǒng)故障診斷及自行測試功能；測流閘電子元件也具有自行監(jiān)視特點，任何電子方面錯誤都會通過GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)實時向中心站匯報。

2.3 通信功能設(shè)計

現(xiàn)場采集磁致伸縮水位計水位和閘位計采用MODBUS RTU通訊協(xié)議，物理層采用RS485串口通信的方法采集水位。采用MODBUS RTU通訊協(xié)議的磁致伸縮水位計和閘位計是對PLC發(fā)來的報文作出回應(yīng)并發(fā)送報文。MODBUS協(xié)議通信數(shù)據(jù)報文格式如表1所示。

表1 MODBUS通信數(shù)據(jù)報文格式

地址碼：地址碼為通訊傳送的第一個字節(jié)。這個字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的水位計和閘位計將接收由PLC發(fā)送來的信息，并且每個水位計或閘位計都有具有唯一的地址碼可以選1到256號。

功能碼：通訊傳送的第二個字節(jié)。MODBUS通訊規(guī)約定義功能號為1到127。水位計或閘位計只利用其中的讀取水位和閘位功能碼3。作為PLC請求發(fā)送，通過功能碼3讀取水位計水位和閘位計閘位。

數(shù)據(jù)區(qū)：數(shù)據(jù)區(qū)是實際水位計水位和閘位數(shù)值。

一體化閘門與中心站通信通過GPRS/4G通信系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控所有閘門相關(guān)信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控實時和歷史數(shù)據(jù)。它具有建設(shè)投資省、周期短、維護(hù)簡單、通訊距離不受地理條件限制等特點，是一種有效的組網(wǎng)方式。

由于分布在各支渠一體化閘門要向監(jiān)控中心站上報各自的工況信息及監(jiān)測的多種參數(shù)，同時還要接收監(jiān)控中心站的遠(yuǎn)程控制指令，因此本系統(tǒng)采用混合式(自報/應(yīng)答式)工作體制。

2.4 一體化閘門控制功能設(shè)計

其核心部件為PLC，該閘門流量控制精確度(可以達(dá)到±5%)。作為流量控制設(shè)備，一體化閘門的功能包括：閉環(huán)控制和總量控制。

總量控制主要是工作人員預(yù)設(shè)一個放水的總量，放水后，當(dāng)放水總量到達(dá)預(yù)設(shè)總量時，閘門自動關(guān)閉，結(jié)束放水。

閉環(huán)控制功能主要是在閘前水位高于所需水位的前提下，通過逐次開啟一體化閘門，使閘后巴歇爾槽水位變化，通過再根據(jù)相應(yīng)量水堰槽的水位——流量關(guān)系，達(dá)到所需要的流量，如果超過了預(yù)設(shè)水位，閘門可以自動循環(huán)反復(fù)，最終達(dá)到所需要的水位。但此處難點是沒有閘前水位，無法通過閘位和閘前閘后水位流量關(guān)系達(dá)到所需的閘門開高，同時閘前水位變化較大，無法統(tǒng)計所有閘位和閘前，閘后水位流量關(guān)系，同時巴歇爾槽跟閘門有一定距離，且每個閘門離巴歇爾槽距離不同，在閘門運行中時常出現(xiàn)閘門開到上限，巴歇爾槽水位還未達(dá)到所期望值，閘門動作和巴歇爾槽水位關(guān)系有一定滯后性，所以傳統(tǒng)的控制方法通過建立精確的數(shù)學(xué)模型或預(yù)先人為地設(shè)定多種方案，但控制效果都難以達(dá)到要求，該一體化閘門通過模糊控制方法來實現(xiàn)閘門的閉環(huán)控制。模糊算法是基于規(guī)則和經(jīng)驗的，不需要建立精確數(shù)學(xué)模型，比較適合于閉環(huán)控制應(yīng)用，所以本項目在模糊算法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的設(shè)計。

2.4.1 參數(shù)模糊化

(1)確定輸入、輸出變量的論域.輸入：巴歇爾槽水位一般在0～80 cm之間變化，所以巴歇爾槽水位的論域為[0，80]；巴歇爾槽水位變化值一般在-20～20 cm之間變化，所以巴歇爾槽水位變化值的論域為：[-20，20]。

輸出：閘門開度一般在0～100 cm之間變化，所以閘門開度的論域為[0，100]。

(2)確定輸入、輸出變量的論域基本元素。選用的水位的H論域為：{0，1，2，3，4，5，6，7，8,9,10}；

選用水位變化ΔH的論域為：{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

選用閘門開度v的論域為：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。

(3)確定量化因子和比例因子輸入H的量化因子：

K1=(10-0)/(80-0)=1/8

ΔH的量化因子為：

K2=(5-(-5))/(20-(-20))=1/4

輸出V的比例因子：

K3=(100-0)/(10-0)=10

選取輸入、輸出變量的模糊語言值，選用輸入H和△H的模糊語言值為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大)，就是{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；選用輸出V模糊語言值為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，就是{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，如圖2所示。

圖2 輸入量模糊隸屬度函數(shù)圖

2.4.2 模糊控制規(guī)則

經(jīng)過反復(fù)試驗，在一定閘前水位和閘門開度情況下，巴歇爾槽水位最終會達(dá)到穩(wěn)定值，傳統(tǒng)的人工方式是管理人員通過經(jīng)驗，先盲調(diào)，在根據(jù)巴歇爾槽水位開大開小閘門，費時費力，精確度低；而傳統(tǒng)的自控方法是通過閘前和閘門開度，記錄巴歇爾槽水位一個歷史值，在通過巴歇爾槽水位歷史值和閘前水位值控制閘門到對應(yīng)開度，該方法的問題是需要采集在不同情況下閘前，閘后水位和閘門開度，數(shù)據(jù)采集量大，難以窮究所有情況值，同時一旦渠道有淤積等變化，又需要重新率定，不能滿足實際控制需要。

模糊控制是基于這樣的規(guī)則的：不需要統(tǒng)計閘前，閘后水位和閘門開度，而是根據(jù)一定閘前水位和閘門開度情況下，巴歇爾槽水位最終會達(dá)到穩(wěn)定值這個經(jīng)驗。根據(jù)預(yù)設(shè)巴歇爾槽水位和實際巴歇爾槽水位差值，如果水位變化值較少，離預(yù)設(shè)值較大，則應(yīng)在增加閘門開高的幅度；反之如果水位變化值較大，離預(yù)設(shè)值較小，則應(yīng)減小閘門開高的幅度，最終達(dá)到水位穩(wěn)定，精度達(dá)到預(yù)設(shè)值的±5%。根據(jù)現(xiàn)場人員調(diào)節(jié)閘門的經(jīng)驗，以及輸入和輸出的函數(shù)得出控制規(guī)則表，具體的模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

需要注意的有兩點：①操作人員在操作時需確認(rèn)閘前必須有水，同時水位需比閘后預(yù)設(shè)水位高，這樣不會閘門提到最高也達(dá)不到預(yù)設(shè)值。②巴歇爾槽安裝位置離閘門距離各不相同，所以閘門打開后巴歇爾槽水位穩(wěn)定時間會有不同，有些需要穩(wěn)定時間較長，在模糊控制時每段控制時間可根據(jù)實際情況調(diào)整。

2.4.3 模糊控制流程實現(xiàn)

在實時斗口計量過程中，先將預(yù)設(shè)水位值置入PLC的預(yù)設(shè)寄存器中，再將采集到的水位與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差。把水位偏差變化率置入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過量化處理后，根據(jù)它們所對應(yīng)的輸入模糊論域中的元素，利用編制好的查詢模糊控制規(guī)則表的程序查詢該表，求得模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得實際閘位開度輸出量，用來調(diào)節(jié)一體化閘門的開度，以達(dá)到控制水位流量的目的，如圖3所示。

圖3 模糊控制流程

2.4.4 模糊控制效果

通過在疏勒河灌區(qū)雙塔總干所實驗，選取了北干一支，三支渠首，五支渠首3個閘前水位相同且處于正常灌溉水位的地點，本項目閘門和量水槽距離最遠(yuǎn)為三支渠首，北干一支為槽閘距離最近點，所調(diào)水位為灌溉常規(guī)預(yù)設(shè)水位，一般將3 cm以下水位作為死水位,不做計量。巴歇爾槽水位和預(yù)設(shè)水位變化趨勢如圖4所示。

圖4 水位變化趨勢圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在相同預(yù)設(shè)值的情況下，閘門和量水槽距離越遠(yuǎn)調(diào)節(jié)時間越長，這是因為距離越長水流需要到達(dá)量水槽時間越長，需要穩(wěn)定時間也越長，調(diào)節(jié)時間也越長，同時因為穩(wěn)定時間越長，閘門會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象調(diào)節(jié)次數(shù)也會相應(yīng)增多；頻次不超過5次，調(diào)節(jié)時間大約在15 min以內(nèi)，相對誤差在5%以內(nèi)，精度和調(diào)節(jié)時間優(yōu)于人工手動調(diào)節(jié)，極大的節(jié)約人力物力，如表3所示。

表3 起始水位為3 cm一體化閘門實際值與預(yù)設(shè)值對比情況表

3 結(jié) 語

一體化閘門控制系統(tǒng)采用新型測控結(jié)構(gòu) 和測控體系，完成水量的測控和調(diào)度，提高水量的測控效率和提供安全、公平、可靠、靈活灌溉供水。一體化閘門實現(xiàn)了對疏勒河灌區(qū)示范支渠的全自動化控制和渠系水量的優(yōu)化配置，提高了用水效率，增加了配水的均勻性和及時性，實現(xiàn)了按需供水的目標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。

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