測控一體化閘門在灌區的研究與應用

高 軍，談曉珊，周亞平，劉 戀

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012；2.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，南京 210012)

0 引 言

“十三五”開始，國家發展改革委員會、水利部多次發文指出水資源開發、利用要“量水而行”，以確保我國水資源的限量開發、有效利用和可持續發展，按照“水資源作為最大剛性約束”的要求，充分利用信息化手段，實現規模以上取水口監測的全覆蓋，建成全天候的監測體系[1]。由于灌溉水資源占全國水資源的 54% 以上，因此，灌溉節水就成了國家節水的重中之重。在“節水增糧(東北地區)、節水增效(西北地區)、節水壓采(華北地區)和節水減排(華南地區)”方針指導下，為了有效管理并控制灌溉用水量，國家從“十三五”開始，制定了一系列政策和措施對灌溉用水從水源地開始直至末級受水單元建立精準量水體系及監管措施。由于長期對農業灌溉用水管理的重視不夠，量測水監測設施設備和技術較為陳舊和落后[2,3]，當前以及很長一段時間明渠自流灌溉仍是我國灌溉用水輸送的主要方式，輸水渠道水調節多采用傳統的鑄鐵閘門，配套螺桿啟閉機或手動操作閘門實現閘門的起閉。灌溉方式和水量計量較為粗放，灌溉水利用系數不高。國外采用自動測控技術在明渠灌溉輸水控制及計量上起步較早，其中澳大利亞早在1995年利用遠程控制閘門實現明渠自流灌溉的輸水控制，后期結合全渠道控制系統的應用，提高灌溉水利用系數高達90%[4-8]。

我國灌區水利工程的信息化起步較晚，對有計量功能的測控一體化閘門的研究尚在起步階段，分水控制和流量測驗基本依靠配水員的手動操作和經驗估算，信息管理水平低,工作效率低，與灌區信息化建設的要求有很大差距。國外進口產品價格昂貴，安裝條件苛刻，水情環境適應性差，數據安全和保密無法解決，野外惡劣環境下，產品的可靠性不高，無法做到全面推廣使用。

因此研發了一款能集精確水位流量計量、遠程實時監控、水量記錄、太陽能驅動、無線通訊等功能齊全的智能測控化一體化閘門裝置，實現高效科學用水、提高灌區信息化水平，積極推進農田灌溉用水總量控制，促進農業節水和農業可持續高質量發展。

1 測控一體化閘門硬件設計

測控一體化閘門總體設計按照“硬件協同、軟件集成、閉環控制”的理念，將自動控制閘門、水位流量測驗設備，通過軟件集成為測控一體化的智能系統，水位流量測驗數據作為系統反饋輸入，閉環控制閘門開度，從而實現按指定指令參數運行(水位、流量、閘門開度)[9]。其硬件設計包括閘門機械本體、控制系統、水位流量測量系統、電源系統，見圖1。

圖1 測控一體化閘門設備各模塊組成示意圖Fig.1 Composition of each module of the measurement and control integrated gate equipment

電源系統包括太陽能架桿和支架、太陽能電池板、蓄電池組、充電控制器，見圖2。

圖2 測控一體化閘門設計圖Fig.2 Design drawing of measurement and control integrated gate

水位流量采集系統采用高精度的超聲波水位計，實時采集測量箱內水位，通過3層超聲波時差法流速儀測量每層流速，通過聲學時差法流速儀測得順、逆流方向的超聲波傳輸時間差計算出測線平均流速，必須通過現場率定獲得率定測線平均流速與斷面平均流速的相關系數，并根據現場斷面測量獲取的水位與斷面面積關系計算斷面和流量。并上傳給控制器和上位機，用戶可以根據需要進行全自動配水及計費等。

控制系統將采集到的流量信息和終端用戶發送的控制指令信息進行比對計算，根據用戶指令控制閘門的開、關、停。驅動模塊采用直流高精度啟閉機，利用現有閘門的螺桿啟閉機構，根據控制要求準確定位。現地人機交互模塊是通過現地控制裝置控制閘門，用戶在現場實時操作一體化控制箱面板上的按鈕,電動操控閘門開、關及停止，同時支持無電源情況下或緊急情況下手搖提閘功能，實現對閘門的手動控制。實現現地手動控制、現地自動控制、遠程自動控制3種控制方式，采用TCP/IP網絡數據傳輸，實時采集水位、閘位和流量監測數據，采用電子越限和機械越限2種保護手段，控制三相電機正反轉，具有過流、過壓和缺相保護，并采用光電隔離防雷保護[10-13]。現場安裝圖見圖3。

圖3 測控一體化閘門現場安裝圖Fig.3 Site installation drawing of measurement and control integrated gate

2 測控一體化閘門監控系統設計

閘門監控系統軟件集成閘門及被控設備的監視及控制，在實現閘門自控算法的同時實現對閘門運行數據的管理，見圖4。

圖4 測控一體化閘門監控系統功能模塊Fig.4 Function module for monitoring and controlling integrated gate system

(1)主控窗口。人機交互主界面，實現數據、狀態及報警的顯示，閘門運行模擬顯示，閘門控制按鈕、閘門開度、恒水位和恒流量參數輸入，控制權限的顯示與切換。

(2)閘門控制。實現水位流量的數據采集和閘門運行數據的收集，根據閘門運行方式和輸入參數，生成運行指令，遠程控制閘控站運行。定閘位控制：在定閘位控制界面的閘位輸入窗口輸入需要的閘位值并確認，閘位值發送給現場設備，現場控制柜負責將閘門啟閉到指定開度，然后復位此命令。定流量控制：可以根據現時流量調節閘門開度，從而調節閘后流量到需要的數值。定水位控制：可以根據實時的閘前、閘后水位調節閘門開度，從而調節水位到需要的數值[14,15]。監控系統界面見圖5，控制動畫界面見圖6。

圖5 測控一體化閘門監控系統界面Fig.5 The interface of monitoring and controlling integrated gate system

圖6 測控一體化閘門控制動畫界面Fig.6 The animation interface of monitoring and controlling integrated gate system

(3)數據處理。進行閘控系統數據處理，是監控程序主要功能模塊，負責所有閘控站點上報數據的計算、存儲、查詢、統計、報表、圖示、打印等工作。所有數據均記錄到服務器數據庫中。按一定的時間間隔和一定的參數變化幅度記錄水位、閘位、流量、狀態數據，記錄操作人員對各閘控站閘門的操作命令，包括操作時間、操作人員及具體動作命令。記錄閘門超限、通訊故障、閘門故障等報警信息。根據記錄的數據生成歷史曲線或直方圖，生成日、月、年報表。

(4)報警管理。在閘門運行過程中運行狀態和信息被實時監控，作為閘門運行動作的前提判斷條件，防止發生錯誤動作無法調節，更重要的是防止損壞設備。當監測信息出現越限或邏輯矛盾時，則啟動緊急停機報警。報警包括現場聲光報警并同時發送警戒信息至調度中心監控系統，在軟件界面上顯示報警信息并記錄存儲報警數據。

(5)通信管理。后臺通信驅動，是監控系統軟件的基礎，負責數據傳輸。數據采集、命令下達均通過調用此模塊實現。

(6)系統管理。增加、刪除用戶，修改用戶權限，系統按用戶組來分配操作權限，劃分為操作員組、管理員組。操作員組的成員一般只能進行簡單的日常操作；管理員組負責運行參數等功能的設置，并對重要的數據進行統計分析，分配或收回指定操作人員對指定閘門的操作權限，限制操作人員對操作記錄的修改，修改密碼及退出系統。

3 測控一體化閘門的調控機制

系統初始調節，控制軟件設置預期給定，假定閘位和流量成線性關系，依據當前流量、設計流量、當前閘位，推算出預期閘位，閘門調節至預期值，等待動作時間間隔到達，比對當前流量和預期流量差值，依據上個調節階段的數據，推算下次閘位需要上升或下降的數值，如果此數值小于閘位動作死區則閘門停止調節，等待下次動作時間間隔達到，再進行判斷，如果此數值大于閘位動作死區，按推算出的數值進行調節。由于閘門恒流量、恒水位控制是一個時變、非線性和分布參數被控對象，一般 PID 控制其靜、動態指標難以滿足配水要求，特別對超調難以抑制，在此基礎上引入帶自學習功能的智能 PID 控制算法，以一般 PID 作為基礎控制層，當系統偏差較大時，利用上層自學習智能控制器的多模態控制，修正基礎層 PID 控制器的輸出，以壓低超調。當系統偏差小于某閾值按一般 PID 控制，見圖7。

圖7 測控一體化閘門調制機制流程圖Fig.7 Flow chart of modulation mechanism for measurement and control integration gate

(1)PID控制算法。

PID差分方程為：

U(k)=U(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

實時控制時取:q0=0.8，q1=-0.95，q2=0.2，采樣周期T=20 s。

(2)帶自學習功能的智能PID控制算法。上層智能控制器由數據庫、知識庫、自學習環節和推理控制策略組成。數據庫是用來存儲被調整量y(k)、參考輸入yr、偏差E、偏差變化率CE和PID控制器參數q0、q1、q2以及推理的中間結果等。

4 結 論

本文研發了一種集精確的流量計量、高精度閘門控制、全太陽能驅動和無線通訊功能于一體的智能測控化一體化閘門裝置，是閘門聯動控制和灌區信息化解決方案的基礎。采用現代設計方法對閘門進行輕量優化設計，實現了驅動功率小，手自一體，可以利用太陽能浮充蓄電池供電，解決灌區大面積無交流電，只能用手動控制閘門的情況；采用無線物聯網技術對閘門進行遠程控制，解決了國外進口同類設備的缺陷和安全隱患，集成了定閘位、恒水位、恒流量3種控制模式，用自學習的PID控制機制實現動態調水，提高了輸配水的控制精度和時效，解決了渠道末端控制問題。

系統建成后可在第一時間對閘門進行實時控制，縮短閘門啟閉運行時間，減少水資源浪費，有效地提高系統設備的可靠性和自動化水平，完成對設備參數和運行工況的實時監視，消除設備運行隱患，確保設備的完好率和可用率，減輕運行人員勞動強度，實現無人或少人值班。