基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)智能化控制設(shè)計(jì)

王 翌

(新疆水利電力建設(shè)總公司,烏魯木齊 830091)

0 引 言

農(nóng)田水利建設(shè)與應(yīng)用的目的是為了能夠有效增強(qiáng)農(nóng)業(yè)種植的穩(wěn)產(chǎn)性,確保在地質(zhì)災(zāi)害時(shí)期,能夠通過(guò)水利設(shè)施的運(yùn)行,減少對(duì)種植產(chǎn)量的影響。灌溉系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其中控制灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)是灌溉系統(tǒng)的重要組成部分,但傳統(tǒng)的控制方式無(wú)法有效滿(mǎn)足灌溉系統(tǒng)的要求,因其需要大量的人力、物理,且易出現(xiàn)操作失誤及技術(shù)故障[1-2]。為此,許多學(xué)者針對(duì)灌溉系統(tǒng)展開(kāi)了相關(guān)研究。張璐[3]根據(jù)油阻尼變力制動(dòng)的原理,研制了一種閘門(mén)控制系統(tǒng),具有良好的安全性能和可靠性,并取得了良好的應(yīng)用效果。它不僅能夠精確控制閘門(mén)的開(kāi)啟速度,而且還能夠滿(mǎn)足各種水文條件和水力參數(shù)的要求,實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)的自動(dòng)控制。劉堯等[4]通過(guò)設(shè)計(jì)基于MM32智慧農(nóng)業(yè)閘門(mén)控制器,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)閘門(mén)的智能控制。它可以實(shí)現(xiàn)多種模式的灌溉控制,滿(mǎn)足了農(nóng)業(yè)灌溉的多樣化需求,同時(shí)還可以減少能耗。試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制器具有良好的性能,可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

上述研究中,均未深入考慮實(shí)際安全問(wèn)題,也未提及如何應(yīng)對(duì)環(huán)境變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響,以及如何提高可靠性和穩(wěn)定性。此外,也未深入研究閘門(mén)控制系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題。因此,本文通過(guò)研究物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù),設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)智能化控制系統(tǒng),以期更好地滿(mǎn)足灌溉系統(tǒng)的要求。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)測(cè)流原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)測(cè)流方法

灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)測(cè)流原理:灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)測(cè)流是指在水利樞紐(如大壩、水閘、溢洪道等)上,采用自動(dòng)控制閘門(mén)排出一定流量的灌溉水,從而控制灌溉水流量的一種技術(shù)手段[5]。板式閘門(mén)可以調(diào)整其開(kāi)啟的高度,在閘門(mén)開(kāi)啟到某一點(diǎn)時(shí),由于受到閘門(mén)的影響,水流會(huì)從閘門(mén)底部和閘門(mén)底部邊緣之間的空洞中流出,即閘門(mén)的出流情況。當(dāng)閘門(mén)徹底打開(kāi),水流的上邊不再受閘門(mén)下邊束縛,反而會(huì)順著閘門(mén)的底部向外流動(dòng),即所謂的堰流。基于水槽測(cè)流理論,水流形態(tài)轉(zhuǎn)變的條件除了取決于孔口的相對(duì)張開(kāi)程度外,還取決于底坎的形式。在相對(duì)開(kāi)度小于0.65的情況下,為閘孔出流狀態(tài);在相對(duì)開(kāi)度大于0.65的情況下,則為堰流型。

根據(jù)閘門(mén)孔出流的不同,可將閘門(mén)的出流區(qū)劃分為閘孔自由出流和浸沒(méi)自由出流。設(shè)置相應(yīng)的節(jié)流剖面水深,設(shè)定對(duì)應(yīng)收縮斷面水深h的躍后共軛水深度hc,在閘門(mén)后的溝槽下游水深ht。當(dāng)ht>hc時(shí),該水躍出現(xiàn)在節(jié)理段的下游或節(jié)理段,對(duì)應(yīng)于該節(jié)理的水躍被稱(chēng)作遠(yuǎn)驅(qū)動(dòng)型或臨界型水躍。在該情況下,節(jié)段內(nèi)水流仍然是湍流,而下游水流深度對(duì)孔口的通過(guò)能力沒(méi)有任何影響,該溢流現(xiàn)象稱(chēng)作閘孔自由出流。當(dāng)ht

圖1中,H代表閘前的水位,e代表閘后的開(kāi)口率,ht代表實(shí)測(cè)得到的下游的水位,這三者皆由測(cè)量而得出具體數(shù)值。H0代表閘門(mén)前的總水頭,由于灌溉渠系統(tǒng)的流速v0較慢,因此在工程應(yīng)用中,一般把閘前的總水位v0/2g忽略不計(jì)。在利用平板閘門(mén)測(cè)量水流量時(shí),首先要識(shí)別其流型,識(shí)別的具體步驟見(jiàn)圖2。再根據(jù)不同的流型,選擇相應(yīng)的計(jì)算公式。

圖1 平頂型底坎的平板閘門(mén)出流方式

圖2 流態(tài)判別流程圖

圖2中,hc代表收縮斷面水深,ht代表實(shí)測(cè)得到的下游水位。在收縮截面上,共軛平均水深計(jì)算公式如下:

式中:ε與e的乘積為在該截面上的弗汝德數(shù);ε為垂直的收縮因子[6]。

根據(jù)圖2的流程圖判斷,流量的計(jì)算方法如下:

式中:當(dāng)e/H>0.65時(shí),為堰流狀態(tài);當(dāng)e/H≤0.65且ht≤hc″時(shí),閘孔自由泄流出流為水流狀態(tài);H為堰頂水頭;b為閘門(mén)寬度;a為堰頂高度,該數(shù)值為固定數(shù)值[7];μ0為水流量系數(shù);e為水流量開(kāi)口。

閘孔自由出流流量計(jì)算結(jié)果的差異,主要與流量系數(shù)μ0的選取有較大關(guān)系[8]。許多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和研究,得出多種流動(dòng)因子的經(jīng)驗(yàn)公式,現(xiàn)列出最近使用較多的計(jì)算方法,以供比較。具體公式如下:

式中:μ1為周奕琦所提出的公式[9];μ2為王茂松所提出的公式[10];μ3為曾有孝等所提出的公式[11];μ4為研究改進(jìn)后所提出的公式;e為閘門(mén)開(kāi)度;H0為閘前水位。

綜上可知,灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)測(cè)流是一種技術(shù)手段,用于控制水利樞紐(如大壩、水閘、溢洪道等)上的灌溉水流量。在使用平板閘門(mén)進(jìn)行流量測(cè)量時(shí),必須先進(jìn)行流態(tài)判別,根據(jù)閘門(mén)的開(kāi)啟高度來(lái)判別水流形態(tài)。當(dāng)相對(duì)開(kāi)度小于0.65時(shí),為閘孔出流;當(dāng)相對(duì)開(kāi)度大于0.65時(shí),為堰流。然后根據(jù)不同流型,選取相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算流量。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水庫(kù)出水管應(yīng)當(dāng)在耕地春灌水到冬灌水之間,保證灌溉所需的供水量,這樣就可以保證對(duì)耕地滴灌帶主管道的供水壓力。即使是在用水高峰時(shí)期,也不會(huì)發(fā)生水壓不夠的現(xiàn)象,并且還要保持水庫(kù)電機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。閘門(mén)系統(tǒng)的基本作用是利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和移動(dòng)電話(huà)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作,可以監(jiān)控閥門(mén)的前后和上下游水位的變動(dòng)以及閥門(mén)的開(kāi)度等數(shù)據(jù),達(dá)到對(duì)過(guò)閘流量的遠(yuǎn)程控制效果。使用者可以根據(jù)需要,在手機(jī)上和因特網(wǎng)上發(fā)出命令,該系統(tǒng)即可控制相應(yīng)溝渠上的水閘,對(duì)其進(jìn)行分流和灌溉。采用4G移動(dòng)通訊技術(shù),通過(guò)對(duì)每個(gè)渠道的閘門(mén)末端進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控,可達(dá)到對(duì)閘門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的。

基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)的一體化灌溉檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù),可實(shí)現(xiàn)運(yùn)河前后水位檢測(cè)和流量檢測(cè)與開(kāi)關(guān)機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控。4G無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)使用的是4G無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò),在遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)中,對(duì)服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端、系統(tǒng)軟件等展開(kāi)全面部署,一個(gè)完整的灌區(qū)測(cè)控一體化閘門(mén)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

系統(tǒng)構(gòu)成中,最重要的部分就是中央處理單元,其功能為負(fù)責(zé)收集、處理各種信息,并執(zhí)行各種指令?，F(xiàn)在常用的嵌入式控制器,從低端處理到高端應(yīng)用分為許多種。經(jīng)過(guò)多方位綜合考慮,研究選取大型工業(yè)應(yīng)用方面應(yīng)用較多的PLC系統(tǒng),其型號(hào)具體為S7-200 SMART。其電源參數(shù)為DC 24V,I/O參數(shù)為12輸入、8輸出。該系統(tǒng)的主要控制部分由西門(mén)子S7-200SMART系列PLC構(gòu)成,包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線(xiàn)通訊、接近開(kāi)關(guān)、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等多個(gè)部分。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成框架圖

按照明渠測(cè)流原理,在采用界面閘門(mén)進(jìn)行測(cè)試的同時(shí),必須得到閘前水深H、閘后水深ht和閘門(mén)開(kāi)度e等相關(guān)數(shù)據(jù)。研究通過(guò)對(duì)3個(gè)參量的測(cè)定,分別使用一個(gè)水位和一個(gè)閥門(mén)開(kāi)啟的傳感器來(lái)測(cè)定以上參數(shù)指標(biāo)。傳感器具體布置見(jiàn)圖4。

圖4 傳感器安裝位置示意圖

圖4中,本研究的水位傳感器選擇超聲波液位計(jì),兩個(gè)水平儀的探針?lè)謩e位于閘口上游和下游的水平儀頂端,以確保水位的準(zhǔn)確性和精度;而超聲水平儀的安裝高度則充分考慮其盲區(qū),以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度。超聲波液位計(jì)采用的是一種具有良好精度和可靠性的液位測(cè)量技術(shù),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位,并可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。同時(shí),采用一種新型的變速旋轉(zhuǎn)式編碼器來(lái)檢測(cè)閘門(mén)開(kāi)啟,它是一種利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置來(lái)檢測(cè)門(mén)扇開(kāi)啟的方法,可以提高閘門(mén)開(kāi)啟控制的準(zhǔn)確性。

此外,該系統(tǒng)還提供了一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化,并可以提供水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、水位變化趨勢(shì)分析、水庫(kù)水位異常報(bào)警等功能。同時(shí),平臺(tái)還提供了一個(gè)在線(xiàn)的報(bào)警系統(tǒng)。如果水位變化超出預(yù)設(shè)的范圍,系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息,以便及時(shí)采取措施。該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖5。

由圖5可知,本系統(tǒng)利用與其相匹配的ECSManger和一個(gè)虛擬網(wǎng)口,將PLC的主機(jī)和本系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)連接在一起,從而完成本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,具體包括申請(qǐng)賬號(hào)、添加項(xiàng)目、添加變量、下載上傳配置信息、配置編輯、PC和手機(jī)端查看等。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)流程

2 灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)智能化控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用效果研究

本研究在中國(guó)農(nóng)科院田徑場(chǎng)灌區(qū)水利所的渠系水力特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)采用一種新型鋼化玻璃材料,槽長(zhǎng)0.6m,槽寬0.58m。在渠道前端,有蓄水池、消力池和水泵等裝置。為了在真實(shí)情況下讓水流進(jìn)入到渠道中,利用變頻控制柜調(diào)節(jié)水泵,利用電子流量計(jì)讀取流量。板式開(kāi)關(guān)機(jī)可以通過(guò)PC端、移動(dòng)端,或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)機(jī)的操作。在溝道的盡頭,設(shè)置隔水層,形成一個(gè)完整的水循環(huán)體系。調(diào)節(jié)擋水片可以有效調(diào)節(jié)下游水位,使其保持在能夠流出閘口的位置。這樣,渠道中的水就可以經(jīng)過(guò)水循環(huán)系統(tǒng),重新回到水池中,從而達(dá)到水資源再利用的目的。

在進(jìn)行測(cè)流試驗(yàn)時(shí),平板閘門(mén)的開(kāi)度最小設(shè)定為3cm,然后在各種情況下,按工況順序依次提升1cm。為了維持出流狀態(tài),閘門(mén)開(kāi)度與上游水位比例不能超過(guò)0.65。利用一個(gè)水平傳感器,測(cè)量和紀(jì)錄閘門(mén)前的水位。試驗(yàn)設(shè)定過(guò)流速率100～200m3/h,坡面坡度為20m3/h。在試驗(yàn)中,考慮到渠道特性和流態(tài)等因素,分別對(duì)5種條件下的流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。

首先利用1.1一節(jié)中3種國(guó)內(nèi)研究提出的流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比研究,分別對(duì)流量進(jìn)行計(jì)算,將試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)代入閘孔自由出流方程(3)中,通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)與3種流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)值關(guān)系,可以得出閘門(mén)相對(duì)開(kāi)度e/H0和閘孔自由出流流量系數(shù)μ。見(jiàn)表1。

表1 不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)

由表1可知,由5組不同工況的實(shí)測(cè)流量、閘門(mén)開(kāi)度、閘前水位、相對(duì)開(kāi)度和閘門(mén)寬度,可以計(jì)算出5組流量系數(shù)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和PLC等智能化技術(shù),可以實(shí)時(shí)采集河道的水文特征,精確控制閘門(mén),以達(dá)到智能化控制灌區(qū)的目的。所得到的(e/H0,μ)各點(diǎn)分別與1.1一節(jié)所提出的3種流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式函數(shù)圖像進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖6可知,在周奕琦公式中,μ0與e/H0之間的關(guān)系是呈線(xiàn)性的,而實(shí)測(cè)的μ0與e/H0之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯不相符,并且存在著較大偏差。吳立新公式和李紅公式所得到的曲線(xiàn)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)有一定的一致性,其中李紅公式曲線(xiàn)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性要更好一些。而研究提出的新公式試驗(yàn)擬合結(jié)果,則為最佳。

圖6 3種流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式下的流量系數(shù)對(duì)比圖

把3個(gè)流速系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式引入到流速計(jì)算公式中,并與實(shí)際流速進(jìn)行比較。結(jié)果表明,周奕琦、李紅、吳立新流速公式的流速最大偏差分別為0.017 7、0.011 3及0.018 3m3/s,平均值為0.013 6、0.008 6及0.014 2m3/s。各公式計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差比較見(jiàn)圖7。

圖7 各公式計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差比較

根據(jù)3個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式得出的過(guò)閘量相對(duì)偏差可知,吳立新與李紅兩個(gè)公式的相對(duì)偏差均較大,偏差幅度為30%～40%,周奕琦公式的最大偏差為37.57%,而李紅公式的在20%處浮動(dòng),相對(duì)于另外兩種經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)說(shuō)誤差較小,表明系統(tǒng)采用基于李紅公式計(jì)算的流量值與實(shí)際值更為接近。而研究提出的公式計(jì)算出的過(guò)閘量與實(shí)際過(guò)閘量的絕對(duì)偏差最大為4.16%,平均偏差為1.68%。同時(shí),研究提出的計(jì)算方法與《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)中所提出的計(jì)算方法相比較,可以達(dá)到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

綜上所述,基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)智能化控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用效果研究,通過(guò)采用相機(jī)、流量計(jì)以及PLC控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)流量的智能化檢測(cè)和控制,可以有效提高灌區(qū)的運(yùn)行效率、節(jié)約水源和降低污染,達(dá)到智能化管理的目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了更好地滿(mǎn)足灌溉系統(tǒng)的要求,本文設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)智能化控制系統(tǒng),針對(duì)明渠平板閘門(mén)過(guò)閘流量特性進(jìn)行了研究,探討了周奕琦、李紅及吳立新流速流量系數(shù)對(duì)該系統(tǒng)的匹配度。結(jié)果顯示,吳立新與李紅兩個(gè)公式的相對(duì)偏差都較大,偏差幅度30%～40%。其中,周奕琦公式的最大偏差為37.57%,李紅公式偏差在20%處浮動(dòng),而研究所提出的公式相對(duì)誤差僅為4.16%,表明該公式對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)用性較強(qiáng)。研究表明,基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的灌區(qū)測(cè)控閘門(mén)智能化控制系統(tǒng)可行,該系統(tǒng)可以有效控制明渠平板閘門(mén)的流量,從而滿(mǎn)足灌溉需求。