灌區(qū)測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王啟飛，劉冠軍，劉 磊，王勝凱

(南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，南京 211100)

閘門作為水利工程建設(shè)中一個(gè)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(dāng)前絕大多數(shù)灌區(qū)的分水控制、測(cè)流計(jì)量、信息管理等方面自動(dòng)化程度不高，基本上依靠配水員手動(dòng)操作閘門，靠目測(cè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)量流量，管理水平落后，用水效率低，與灌區(qū)信息化、自動(dòng)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(guó)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(dāng)?shù)赜盟┬杳堋⑻岣哂盟剩疚幕诠鄥^(qū)渠道原有閘門研究集遠(yuǎn)程控制及流量計(jì)量功能于一體的渠系自動(dòng)化閘門。遠(yuǎn)方中心站實(shí)時(shí)監(jiān)控渠道閘門的狀態(tài)，通過(guò)全流域協(xié)同控制，不僅可以減輕配水員的工作強(qiáng)度、減少配水糾紛，而且能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)灌區(qū)精確配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理，最終實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，提高水資源的利用率，促進(jìn)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 測(cè)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(gè)田塊[3]。以遠(yuǎn)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(cè)量技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，使各個(gè)支渠、斗渠以及農(nóng)渠閘門能夠根據(jù)目標(biāo)過(guò)閘流量或過(guò)閘總水量實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，按需供水，達(dá)到真正的渠系無(wú)人管理或少人管理模式。測(cè)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(wú)線通信技術(shù)對(duì)支渠、斗渠閘門終端遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)用戶需求發(fā)送控制目標(biāo)信息；閘門終端依據(jù)指令驅(qū)動(dòng)渠道閘門升降；安裝于閘門側(cè)的傳感器實(shí)時(shí)采集閘門開度及過(guò)閘流量信息；通過(guò)渠道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，對(duì)閘門開度進(jìn)行修正，確保所有分水口供水穩(wěn)定[4]，以達(dá)到控制目標(biāo)要求。

建成后的渠系是一個(gè)信息采集全面、完善，管理方便、高效的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)閘門開度、過(guò)閘流量等信息的采集，實(shí)現(xiàn)測(cè)控一體化閘門的多級(jí)聯(lián)動(dòng)控制，最終達(dá)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(cè)控一體化閘門系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖2 測(cè)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

灌區(qū)原有渠道閘門為板式鑄鐵閘門，手動(dòng)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(wèn)題；測(cè)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(jī)、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(jī)。型號(hào)：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(jī)。型號(hào):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(hào)：JZB-A；脈沖數(shù)：4 096；輸出信號(hào)：4～20 mA；輸入電壓：直流10～30 V。

電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，將驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)減速機(jī)傳遞到傳動(dòng)軸，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)閘門螺桿升降。減速機(jī)一方面使電機(jī)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(shí)保持原有位置不變，且結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩大、運(yùn)行平穩(wěn)。開度編碼器用于采集閘門開度信息，并將信號(hào)反饋至系統(tǒng)測(cè)控模塊。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)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(yuǎn)程無(wú)線通信及人機(jī)交互等，其數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖3所示。

圖3 測(cè)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(biāo)過(guò)閘流量及過(guò)閘總水量，通過(guò)渠道過(guò)閘流量的實(shí)時(shí)反饋，對(duì)閘門開度進(jìn)行修正，確保所有分水口供水穩(wěn)定。過(guò)閘流量的獲取則是通過(guò)閘后巴歇爾槽的實(shí)時(shí)水位信息換算而來(lái)。巴歇爾槽是一種應(yīng)用十分廣泛的明渠流量測(cè)量設(shè)備[6]，可以通過(guò)測(cè)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(guò)閘后水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)即可測(cè)算出實(shí)時(shí)過(guò)閘流量，再根據(jù)水位信息對(duì)渠道閘門開度進(jìn)一步修正，實(shí)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(guò)閘流量及控制模式等。閘門開度通過(guò)安裝于電機(jī)輸出側(cè)的開度編碼器獲取[7]；過(guò)閘流量則是通過(guò)閘后巴歇爾槽的實(shí)時(shí)水位信息換算而來(lái)。閘門控制模式主要分為現(xiàn)地和遠(yuǎn)程2種，現(xiàn)地模式下可解鎖控制面板輸入功能，而遠(yuǎn)程模式下可實(shí)現(xiàn)控制中心站對(duì)閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(3)遠(yuǎn)程無(wú)線通信。灌區(qū)面積一般都比較大，采用GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，安全穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，能夠?yàn)橛脩籼峁└咚倏煽康臄?shù)據(jù)傳輸服務(wù)[8]。通過(guò)控制中心站發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制閘門動(dòng)作；同時(shí)閘門終端測(cè)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(jī)交互。人機(jī)交互系統(tǒng)中，現(xiàn)地用戶可以通過(guò)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(shí)面板上的指示燈能夠顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障報(bào)警和閘門上下限位指示等信息。顯示屏則實(shí)時(shí)顯示渠道水位、閘門開度、過(guò)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(jì)

一體化測(cè)控閘門處于野外環(huán)境，系統(tǒng)利用太陽(yáng)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(hù)工作量及相應(yīng)費(fèi)用大幅下降。系統(tǒng)能夠獨(dú)立供電、維護(hù)簡(jiǎn)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(yáng)能電池板矩陣組成，完成光-電的轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)充電控制器完成給蓄電池組自動(dòng)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(chǔ)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(duì)于蓄電池組充電的自動(dòng)控制。

供電部分：把蓄電池中的直流電能變換成各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸出，供給各種用電設(shè)備，如顯示屏、測(cè)控模塊、通訊模塊等。

3 系統(tǒng)控制模式設(shè)計(jì)

灌區(qū)所處位置偏遠(yuǎn)，為滿足灌區(qū)閘門實(shí)際控制需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)。該模式一般僅在現(xiàn)場(chǎng)缺電或緊急情況下使用，用戶直接操作手搖輪，通過(guò)搖桿操作升降機(jī)實(shí)現(xiàn)閘門上升或下降，由于螺桿升降機(jī)帶有自鎖裝置，撤除手搖輪之后，閘門能夠自動(dòng)保持在既定位置。

(2)現(xiàn)地電動(dòng)。該模式需在現(xiàn)地情況下才能執(zhí)行，用戶在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)渠道閘門的動(dòng)作，開度編碼器自動(dòng)檢測(cè)閘門開度，并將渠道水位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏中。

(3)遠(yuǎn)程控制。在遠(yuǎn)程模式下，中心站控制軟件通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道閘門的控制操作，此外還具有實(shí)時(shí)監(jiān)視水位站信息、一體化閘門站信息、水庫(kù)信息等功能。

4 測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

自2016年12月開始，測(cè)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(shí)現(xiàn)了灌區(qū)精確配水、科學(xué)調(diào)度和渠系信息化管理，灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖8所示。

圖8 測(cè)控一體化閘門現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.8 Installation diagram of integrated gate

將閘門控制電機(jī)、減速器、升降機(jī)、編碼器、手輪等作為機(jī)電裝置單獨(dú)封裝于閘門固定架上方；測(cè)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(jìn)行現(xiàn)地操作。閘控終端不再需要建設(shè)閘房進(jìn)行保護(hù)，有效降低改造所需成本，操作維護(hù)方便，防盜防破壞性較強(qiáng)。

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(shí)時(shí)監(jiān)視功能包括對(duì)水位、流量、閘門狀態(tài)、電池電壓等信息實(shí)時(shí)監(jiān)視。可按照灌區(qū)、所屬管理所、站名、渠道類型等條件進(jìn)行篩選查詢和統(tǒng)計(jì)，并可對(duì)水位站進(jìn)行詳細(xì)信息查詢與定位。

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

4.2 遠(yuǎn)程控制

在遠(yuǎn)程模式下，用戶通過(guò)選擇監(jiān)視列表中的測(cè)站類型“閘門”來(lái)進(jìn)行一體化閘門實(shí)時(shí)控制，并可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前閘門的水位、流量、閘門開度、狀態(tài)、最新數(shù)據(jù)時(shí)間等信息。通過(guò)閘門監(jiān)控模塊可以對(duì)所選閘門進(jìn)行目標(biāo)流量或目標(biāo)總量設(shè)置，以及對(duì)閘門進(jìn)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(gè)測(cè)站站點(diǎn)的水位、流量、水量等歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間類型包括分鐘、小時(shí)、日、月等，便于對(duì)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(yǔ)

灌區(qū)測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)就是將現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于閘控系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)量、計(jì)算和控制當(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的合理輸送、節(jié)制和分配。

測(cè)控一體化閘門系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)渠道閘門的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，可提高干、支渠運(yùn)行響應(yīng)能力，做到及時(shí)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)干、支渠流量；可以達(dá)到配水任務(wù)的有效快速執(zhí)行，克服了人工操作帶來(lái)的不準(zhǔn)確因素，提高了供水的準(zhǔn)確性；同時(shí)大大降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了灌區(qū)灌溉效益，促進(jìn)了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。