基于一體化設(shè)計(jì)的灌區(qū)測(cè)控系統(tǒng)研究

張建華

(燈塔市水利灌溉服務(wù)中心，遼寧 燈塔 111300)

閘門(mén)屬于一種最為常見(jiàn)的水利設(shè)施，對(duì)于水位控制、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水等發(fā)揮著重要作用。然而，大多數(shù)灌區(qū)的閘門(mén)操作、流量計(jì)量仍然以配水員的手動(dòng)操作和目測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，分水控制、信息管理、測(cè)量計(jì)量等自動(dòng)化程度偏低，灌區(qū)用水效率低且管理水平落后，距離自動(dòng)化、信息化灌區(qū)建設(shè)目標(biāo)仍具有較大差距[1]。

燈塔灌區(qū)位于遼陽(yáng)市東北部，渠首引水工程建于太子河右岸葠窩水庫(kù)下游9km處，總控制面積420km2。燈塔灌區(qū)始建于1974年，當(dāng)年參加建設(shè)的多為民工隊(duì)伍，施工經(jīng)驗(yàn)少，加之受極左路線的影響，工程急于求成，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，當(dāng)時(shí)就沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)經(jīng)50多年的運(yùn)行，只有少部分建筑物經(jīng)過(guò)更新改造，灌區(qū)存在的主要問(wèn)題是大部分工程年久老化失修，管理落后。為緩解灌區(qū)水資源緊張的矛盾，提高灌溉保證率及渠系水有效利用率，減少渠系輸水損失，研究設(shè)計(jì)了集流量計(jì)量與遠(yuǎn)程控制功能于一體的閘門(mén)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)渠道閘門(mén)狀態(tài)遠(yuǎn)方中心站可以實(shí)現(xiàn)全流域的協(xié)調(diào)控制，減少配水糾紛和減輕配水員工作強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)全區(qū)信息化管理、科學(xué)調(diào)度、精確配水，為促進(jìn)灌區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、水資源合理配置以及用水效率的提升提供技術(shù)保障。

1 灌區(qū)測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

以太子河流域燈塔灌區(qū)為例，引流至各個(gè)田塊的灌溉水均途徑農(nóng)渠、斗渠、支渠和干渠。灌區(qū)管理網(wǎng)絡(luò)利用無(wú)線通信和傳感測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全渠道覆蓋，并結(jié)合過(guò)閘總水量或目標(biāo)過(guò)閘流量，以遠(yuǎn)方控制中心站為樞紐使各農(nóng)渠、斗渠、支渠閘門(mén)達(dá)到閉環(huán)控制，可真正實(shí)現(xiàn)按需供水、渠系少人管理或無(wú)人管理模式，測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

控制中心站可以考慮用戶(hù)實(shí)際需求，采用無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送控制目標(biāo)信息，并遠(yuǎn)程監(jiān)控支渠、斗渠終端；接受指令后閘門(mén)終端驅(qū)動(dòng)閘門(mén)升降，過(guò)閘流量與閘門(mén)開(kāi)度信息用安裝于閘門(mén)內(nèi)側(cè)的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；然后按照反饋的數(shù)據(jù)及時(shí)修正閘門(mén)開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)及分水口供水穩(wěn)定[2]。

渠系建成后具有管理高效、信息完善、操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集等功能，依據(jù)所采集的閘門(mén)開(kāi)度、過(guò)閘流量等信息實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)動(dòng)一體化控制，可明顯提高灌水效率，充分發(fā)揮渠系灌溉功能[3]。

2 一體化測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于燈塔灌區(qū)單純的依靠原有渠道閘門(mén)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)渠系閉環(huán)控制的目標(biāo)，所以除了閘門(mén)自動(dòng)升降外，測(cè)控一體化閘門(mén)系統(tǒng)還要有供電和測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 測(cè)控系統(tǒng)組成

2.1 閘門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)

灌區(qū)原有渠道閘門(mén)升降為手動(dòng)操作轉(zhuǎn)輪控制，板式鑄鐵閘門(mén)存在封水性能差、易銹蝕等問(wèn)題。對(duì)此，在原有閘門(mén)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)測(cè)控一體化閘門(mén)，更換升降桿、閘門(mén)門(mén)板以及密封條等部件，噴涂防銹漆并配備開(kāi)度編碼器、減速器、電機(jī)等。測(cè)控一體化閘門(mén)系統(tǒng)主要設(shè)備性能參數(shù)為：①JZB -A型開(kāi)度編碼器，輸入直流電壓10-30V，輸出信號(hào)4-20mA，脈沖數(shù)4096；②SZ-RVD-1.2F-HX-F型渦輪蝸桿減速機(jī)，扁頭插銷(xiāo)型絲杠頭部，絲杠有效行程1200mm，直徑40mm，螺距7mm，減速比20∶1；③9DC90-48GN18型直流電機(jī)，輸出轉(zhuǎn)速1800r/min，直流電壓48V，功率90W。

電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)閘門(mén)螺桿升降的動(dòng)力來(lái)源，其中減速機(jī)是將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞至傳動(dòng)軸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。減速機(jī)不僅能夠提升扭矩、降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，而且蝸輪蝸桿減速器可以在系統(tǒng)掉電時(shí)保證閘門(mén)原有位置不變，及時(shí)發(fā)揮反向自鎖功能保持系統(tǒng)穩(wěn)定，具有運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩大等特點(diǎn)。開(kāi)度編碼器可以向系統(tǒng)測(cè)控模塊及時(shí)反饋所采集的閘門(mén)開(kāi)度信息，提供系統(tǒng)決策所需的信號(hào)支持。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在人機(jī)交互、信息采集、無(wú)線通信、閉環(huán)控制等過(guò)程中，測(cè)控系統(tǒng)發(fā)揮著重要功能，其數(shù)據(jù)交互流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)交互關(guān)系圖

1)閘門(mén)閉環(huán)控制：由控制中心站設(shè)定過(guò)閘總水量或目標(biāo)過(guò)閘流量，為保證所有分水口供水穩(wěn)定要實(shí)時(shí)反饋渠道過(guò)閘流量，并及時(shí)修訂閘門(mén)開(kāi)度。通過(guò)換算實(shí)時(shí)水位信息獲取過(guò)閘流量，該過(guò)程往往會(huì)應(yīng)用到能夠測(cè)量明渠流量的巴歇爾槽，其基本原理是利用水位-流量關(guān)系及測(cè)量的槽內(nèi)水流液位反求出流量[4]。因此，按照實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的閘后水位可以對(duì)實(shí)時(shí)過(guò)閘流量進(jìn)行測(cè)算，考慮實(shí)時(shí)水位信息進(jìn)一步修正渠道閘門(mén)開(kāi)度，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的，主要控制流程如圖4所示。

2)閘門(mén)狀態(tài)信息采集：主要包括閘門(mén)開(kāi)度、控制模式和過(guò)閘流量等。其中，閘門(mén)有遠(yuǎn)程和現(xiàn)地2種控制模式，控制中心站在遠(yuǎn)程模式下可對(duì)閘門(mén)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，而控制面板輸入功能在現(xiàn)地模式下能夠被解鎖；采用電機(jī)輸出側(cè)的開(kāi)度編碼器以及閘后巴歇爾槽監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)水位信息獲取閘門(mén)開(kāi)度、過(guò)閘流量等數(shù)據(jù)。

3)遠(yuǎn)程無(wú)線通信：對(duì)于覆蓋范圍較大的灌區(qū)，一般采用抗干擾能力強(qiáng)、安全穩(wěn)定的GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，該模塊能夠提供可靠迅速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。控制中心發(fā)送指令可以對(duì)閘門(mén)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，對(duì)于采集的工作狀態(tài)和渠道數(shù)據(jù)則由閘門(mén)終端測(cè)控模塊反饋至中心站[5]。

4)人機(jī)交互：現(xiàn)地用戶(hù)采用人機(jī)交互系統(tǒng)中控制柜內(nèi)的面板按鈕，可以實(shí)現(xiàn)閘門(mén)停止、下降和上升控制，并且面板上的指示燈可以顯示閘門(mén)上下限位指示、設(shè)備古裝、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息。此外，顯示屏能夠?qū)c(diǎn)源電壓、過(guò)閘流量、閘門(mén)開(kāi)度、渠道水位等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

圖4 閉環(huán)控制流程

2.3 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于長(zhǎng)期處于野外環(huán)境的閘門(mén)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以選取太陽(yáng)為供電來(lái)源，從而免去高低壓配電系統(tǒng)、變電站等設(shè)施建設(shè)，大大降低電力設(shè)施維護(hù)成本以及相應(yīng)的工作量[6]。供電系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單且能夠獨(dú)立供電，其工作框架如圖5所示。

1)發(fā)電模塊：以矩陣式太陽(yáng)能電池板和充電控制器，實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換及蓄電池自動(dòng)充電控制。

2)蓄電模塊：設(shè)計(jì)選用多節(jié)蓄電池實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的蓄電或全部電能儲(chǔ)備。

3)供電部分：將蓄電池中的直流電能轉(zhuǎn)換成供通訊模塊、測(cè)控模塊、顯示屏等各種用電設(shè)備所需的標(biāo)準(zhǔn)電壓，供電輸出維持系統(tǒng)的運(yùn)行。

充電控制器：該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各部分組合、連接以及蓄電池組充電的自動(dòng)控制。

圖5 供電系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 系統(tǒng)控制模式

考慮到燈塔灌區(qū)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的實(shí)際情況，為滿(mǎn)足實(shí)際控制需求設(shè)計(jì)了多種控制模式，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制模式

1)現(xiàn)地手動(dòng)：該模式通常用于緊急突發(fā)或現(xiàn)場(chǎng)缺電的情況，用戶(hù)通過(guò)直接操作升降機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的控制，手搖輪撤除后螺桿升降機(jī)的自鎖裝置能夠自動(dòng)保持閘門(mén)的既定位置。

2)現(xiàn)地電動(dòng)：執(zhí)行該模式時(shí)必須符合現(xiàn)地條件，用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)操作閘門(mén)停止、下降、上升等控制面板上的按鈕，從而實(shí)現(xiàn)渠道閘門(mén)的控制。閘門(mén)開(kāi)度的自動(dòng)檢測(cè)則由開(kāi)度編碼器完成，可在顯示屏中實(shí)時(shí)顯示渠道水位數(shù)據(jù)。

3)遠(yuǎn)程控制：通過(guò)無(wú)線通信模塊中心站控制平臺(tái)，在遠(yuǎn)程模式下能夠操作與控制渠道閘門(mén)，并且具有監(jiān)視水庫(kù)信息、一體化閘門(mén)站信息、水位站信息等功能。

3 測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)

燈塔灌區(qū)續(xù)建配套改造工程安裝使用了測(cè)控一體化閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)了渠系管理信息化、灌區(qū)調(diào)度自動(dòng)化和田間配水精準(zhǔn)化等目標(biāo)。

在閘門(mén)固定架上方單獨(dú)封裝機(jī)電裝置，包括閘門(mén)控制手輪、編碼器、升降機(jī)、減速器、控制電機(jī)等；現(xiàn)地控制柜內(nèi)安裝有控制面板、顯示屏、通訊模塊、供電和測(cè)控口母愛(ài)，為了便于用戶(hù)操作固定在閘門(mén)附近。實(shí)際工程中，無(wú)需建設(shè)用于保護(hù)閘門(mén)終端的閘房，不僅大大降低了工程投資成本，而且具有較強(qiáng)的防破壞防盜功能，后期維護(hù)簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單。

1)遠(yuǎn)程控制：用戶(hù)在遠(yuǎn)程模式下選擇測(cè)站類(lèi)型“閘門(mén)”，可以實(shí)現(xiàn)閘門(mén)測(cè)控一體化控制，并且可實(shí)時(shí)顯示最新數(shù)據(jù)時(shí)間、閘門(mén)狀態(tài)、開(kāi)度、流量、水位等信息。對(duì)于所選閘門(mén)可以利用閘門(mén)監(jiān)控模塊設(shè)置目標(biāo)總量或流量，完成閘門(mén)的下降、上升等一系列操作。

2)綜合監(jiān)視：渠道閘門(mén)綜合監(jiān)視功能包括電池電壓、閘門(mén)狀態(tài)、流量、水位等信息的監(jiān)視，考慮渠道類(lèi)型、站名、所屬管理所、灌區(qū)等因素，可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)和篩選查詢(xún)，并且可詳細(xì)定位與查詢(xún)水位站信息。

3)數(shù)據(jù)查詢(xún)：對(duì)于多個(gè)測(cè)站站點(diǎn)的水量、流量、水位等歷史數(shù)據(jù)可以利用該模塊進(jìn)行查詢(xún)，利用月、日、小時(shí)、分鐘等多種數(shù)據(jù)時(shí)間類(lèi)型有利于對(duì)灌區(qū)用水量的綜合管理。

4 結(jié) 論

在閘控系統(tǒng)計(jì)算、自動(dòng)測(cè)量和控制中應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)形成的灌區(qū)測(cè)控一體化閘門(mén)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)科學(xué)分配、節(jié)制、輸送灌區(qū)水資源。測(cè)控一體化閘門(mén)系統(tǒng)能夠提高干、支渠運(yùn)行響應(yīng)能力，對(duì)干、支渠流量進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)地調(diào)控，充分發(fā)揮實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)渠道閘門(mén)的功能。此外，該系統(tǒng)能夠快速有效的執(zhí)行配水任務(wù)，徹底解決人工操作可能引起的不確定問(wèn)題，保證了供水精準(zhǔn)度，在提高灌區(qū)灌溉效益的同時(shí)極大的降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。