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(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211100)

1 一體化閘門(mén)工作原理及系統(tǒng)組成

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

(1)水位流量采集單元通過(guò)采用磁致伸縮傳感器測(cè)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(yáng)能供電單元采用節(jié)能環(huán)保的太陽(yáng)能供電和高性能聚合物儲(chǔ)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(mén)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(guò)GPRS/4G通信方式及時(shí)可靠地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。

(5)一體化閘門(mén)軟件單元實(shí)時(shí)采集閘門(mén)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(jì)算和查詢。

2 一體化閘門(mén)相關(guān)設(shè)計(jì)

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

2.1 水位流量采集設(shè)計(jì)

對(duì)于一般渠道，液位與流量沒(méi)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因?yàn)橥瑯拥乃?，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(gè)項(xiàng)目中我們采用了巴歇爾槽，巴歇爾槽又在一體化閘門(mén)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(duì)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(duì)應(yīng)相同的流量。我們通過(guò)磁致伸縮水位計(jì)采集巴歇爾槽液位，磁致伸縮水位計(jì)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(wú)波動(dòng)，無(wú)阻礙，通過(guò)測(cè)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(mén)機(jī)械及驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

閘門(mén)選用螺桿式啟閉機(jī)，用螺紋桿直接或通過(guò)連桿與閘門(mén)門(mén)葉相連接，通過(guò)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)螺桿上下移動(dòng)閘門(mén)以啟閉閘門(mén)。采用一體化智能設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)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(cè)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(duì)濕度≤ 95%(25 ℃時(shí)),平均無(wú)故障工作時(shí)間>10 萬(wàn)h。

與一般閘門(mén)供電方式不同，一體化閘門(mén)馬達(dá)系統(tǒng)選用36 V直流電機(jī)，依靠太陽(yáng)能和蓄電池驅(qū)動(dòng)，這樣不需要遠(yuǎn)距離拉線供應(yīng)永久電源，白天用太陽(yáng)能供電，夜間通過(guò)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(kāi)關(guān)門(mén))，為閘門(mén)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(mén)管理和錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)包括固態(tài)馬達(dá)開(kāi)關(guān)，動(dòng)態(tài)電源管理來(lái)降低系統(tǒng)功率，優(yōu)化的太陽(yáng)能充電系統(tǒng)，同時(shí)還包括蓄電池及太陽(yáng)能電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，電路保護(hù)系統(tǒng)，綜合系統(tǒng)故障診斷及自行測(cè)試功能；測(cè)流閘電子元件也具有自行監(jiān)視特點(diǎn)，任何電子方面錯(cuò)誤都會(huì)通過(guò)GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向中心站匯報(bào)。

2.3 通信功能設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)采集磁致伸縮水位計(jì)水位和閘位計(jì)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(jì)和閘位計(jì)是對(duì)PLC發(fā)來(lái)的報(bào)文作出回應(yīng)并發(fā)送報(bào)文。MODBUS協(xié)議通信數(shù)據(jù)報(bào)文格式如表1所示。

表1 MODBUS通信數(shù)據(jù)報(bào)文格式

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

功能碼：通訊傳送的第二個(gè)字節(jié)。MODBUS通訊規(guī)約定義功能號(hào)為1到127。水位計(jì)或閘位計(jì)只利用其中的讀取水位和閘位功能碼3。作為PLC請(qǐng)求發(fā)送，通過(guò)功能碼3讀取水位計(jì)水位和閘位計(jì)閘位。

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

一體化閘門(mén)與中心站通信通過(guò)GPRS/4G通信系統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控所有閘門(mén)相關(guān)信息，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。它具有建設(shè)投資省、周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單、通訊距離不受地理?xiàng)l件限制等特點(diǎn)，是一種有效的組網(wǎng)方式。

由于分布在各支渠一體化閘門(mén)要向監(jiān)控中心站上報(bào)各自的工況信息及監(jiān)測(cè)的多種參數(shù)，同時(shí)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(bào)/應(yīng)答式)工作體制。

2.4 一體化閘門(mén)控制功能設(shè)計(jì)

其核心部件為PLC，該閘門(mén)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(mén)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(gè)放水的總量，放水后，當(dāng)放水總量到達(dá)預(yù)設(shè)總量時(shí)，閘門(mén)自動(dòng)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(guò)逐次開(kāi)啟一體化閘門(mén)，使閘后巴歇爾槽水位變化，通過(guò)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(guò)了預(yù)設(shè)水位，閘門(mén)可以自動(dòng)循環(huán)反復(fù)，最終達(dá)到所需要的水位。但此處難點(diǎn)是沒(méi)有閘前水位，無(wú)法通過(guò)閘位和閘前閘后水位流量關(guān)系達(dá)到所需的閘門(mén)開(kāi)高，同時(shí)閘前水位變化較大，無(wú)法統(tǒng)計(jì)所有閘位和閘前，閘后水位流量關(guān)系，同時(shí)巴歇爾槽跟閘門(mén)有一定距離，且每個(gè)閘門(mén)離巴歇爾槽距離不同，在閘門(mén)運(yùn)行中時(shí)常出現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)到上限，巴歇爾槽水位還未達(dá)到所期望值，閘門(mén)動(dòng)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(guò)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(mén)通過(guò)模糊控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的閉環(huán)控制。模糊算法是基于規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)目在模糊算法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。

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?yàn)閇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?yàn)椋篬-20，20]。

輸出：閘門(mén)開(kāi)度一般在0～100 cm之間變化，所以閘門(mén)開(kāi)度的論域?yàn)閇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?yàn)椋簕0，1，2，3，4，5，6，7，8,9,10}；

選用水位變化ΔH的論域?yàn)椋簕-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；

選用閘門(mén)開(kāi)度v的論域?yàn)椋簕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(yǔ)言值，選用輸入H和△H的模糊語(yǔ)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(yǔ)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)，在一定閘前水位和閘門(mén)開(kāi)度情況下，巴歇爾槽水位最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值，傳統(tǒng)的人工方式是管理人員通過(guò)經(jīng)驗(yàn)，先盲調(diào)，在根據(jù)巴歇爾槽水位開(kāi)大開(kāi)小閘門(mén)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精確度低；而傳統(tǒng)的自控方法是通過(guò)閘前和閘門(mén)開(kāi)度，記錄巴歇爾槽水位一個(gè)歷史值，在通過(guò)巴歇爾槽水位歷史值和閘前水位值控制閘門(mén)到對(duì)應(yīng)開(kāi)度，該方法的問(wèn)題是需要采集在不同情況下閘前，閘后水位和閘門(mén)開(kāi)度，數(shù)據(jù)采集量大，難以窮究所有情況值，同時(shí)一旦渠道有淤積等變化，又需要重新率定，不能滿足實(shí)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(jì)閘前，閘后水位和閘門(mén)開(kāi)度，而是根據(jù)一定閘前水位和閘門(mén)開(kāi)度情況下，巴歇爾槽水位最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值這個(gè)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)預(yù)設(shè)巴歇爾槽水位和實(shí)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(mén)開(kāi)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(mén)開(kāi)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(chǎng)人員調(diào)節(jié)閘門(mén)的經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)：①操作人員在操作時(shí)需確認(rèn)閘前必須有水，同時(shí)水位需比閘后預(yù)設(shè)水位高，這樣不會(huì)閘門(mén)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(mén)距離各不相同，所以閘門(mén)打開(kāi)后巴歇爾槽水位穩(wěn)定時(shí)間會(huì)有不同，有些需要穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，在模糊控制時(shí)每段控制時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

2.4.3 模糊控制流程實(shí)現(xiàn)

在實(shí)時(shí)斗口計(jì)量過(guò)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(guò)量化處理后，根據(jù)它們所對(duì)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?cè)摫?，求得模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得?shí)際閘位開(kāi)度輸出量，用來(lái)調(diào)節(jié)一體化閘門(mén)的開(kāi)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(guò)在疏勒河灌區(qū)雙塔總干所實(shí)驗(yàn)，選取了北干一支，三支渠首，五支渠首3個(gè)閘前水位相同且處于正常灌溉水位的地點(diǎn)，本項(xiàng)目閘門(mén)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(diǎn)，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(jì)量。巴歇爾槽水位和預(yù)設(shè)水位變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 水位變化趨勢(shì)圖

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在相同預(yù)設(shè)值的情況下，閘門(mén)和量水槽距離越遠(yuǎn)調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)榫嚯x越長(zhǎng)水流需要到達(dá)量水槽時(shí)間越長(zhǎng)，需要穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)，調(diào)節(jié)時(shí)間也越長(zhǎng)，同時(shí)因?yàn)榉€(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，閘門(mén)會(huì)產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象調(diào)節(jié)次數(shù)也會(huì)相應(yīng)增多；頻次不超過(guò)5次，調(diào)節(jié)時(shí)間大約在15 min以內(nèi)，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，精度和調(diào)節(jié)時(shí)間優(yōu)于人工手動(dòng)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(mén)實(shí)際值與預(yù)設(shè)值對(duì)比情況表

3 結(jié) 語(yǔ)

一體化閘門(mén)控制系統(tǒng)采用新型測(cè)控結(jié)構(gòu) 和測(cè)控體系，完成水量的測(cè)控和調(diào)度，提高水量的測(cè)控效率和提供安全、公平、可靠、靈活灌溉供水。一體化閘門(mén)實(shí)現(xiàn)了對(duì)疏勒河灌區(qū)示范支渠的全自動(dòng)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(shí)性，實(shí)現(xiàn)了按需供水的目標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

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[1] 于慶廣. 可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[2] 肖志懷.中小型水電站輔助設(shè)備及自動(dòng)化[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

[3] 劉柏青.水利工程管理自動(dòng)化[M].武漢: 武漢大學(xué)出版社,2002.

[4] 王振剛.智能閥監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2014,(2):27-30.

[5] 李海波.智能灌溉用電動(dòng)蝶閥的多模式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2015,(12):36-39.

[6] 一體化閘門(mén)控制優(yōu)化技術(shù)[Z]. 南京南瑞集團(tuán)公司，2016.