高 軍，談曉珊，周亞平，劉 戀

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

0 引 言

“十三五”開始，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、水利部多次發(fā)文指出水資源開發(fā)、利用要“量水而行”，以確保我國(guó)水資源的限量開發(fā)、有效利用和可持續(xù)發(fā)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(shí)現(xiàn)規(guī)模以上取水口監(jiān)測(cè)的全覆蓋，建成全天候的監(jiān)測(cè)體系[1]。由于灌溉水資源占全國(guó)水資源的 54% 以上，因此，灌溉節(jié)水就成了國(guó)家節(jié)水的重中之重。在“節(jié)水增糧(東北地區(qū))、節(jié)水增效(西北地區(qū))、節(jié)水壓采(華北地區(qū))和節(jié)水減排(華南地區(qū))”方針指導(dǎo)下，為了有效管理并控制灌溉用水量，國(guó)家從“十三五”開始，制定了一系列政策和措施對(duì)灌溉用水從水源地開始直至末級(jí)受水單元建立精準(zhǔn)量水體系及監(jiān)管措施。由于長(zhǎng)期對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉用水管理的重視不夠，量測(cè)水監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備和技術(shù)較為陳舊和落后[2,3]，當(dāng)前以及很長(zhǎng)一段時(shí)間明渠自流灌溉仍是我國(guó)灌溉用水輸送的主要方式，輸水渠道水調(diào)節(jié)多采用傳統(tǒng)的鑄鐵閘門，配套螺桿啟閉機(jī)或手動(dòng)操作閘門實(shí)現(xiàn)閘門的起閉。灌溉方式和水量計(jì)量較為粗放，灌溉水利用系數(shù)不高。國(guó)外采用自動(dòng)測(cè)控技術(shù)在明渠灌溉輸水控制及計(jì)量上起步較早，其中澳大利亞早在1995年利用遠(yuǎn)程控制閘門實(shí)現(xiàn)明渠自流灌溉的輸水控制，后期結(jié)合全渠道控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高灌溉水利用系數(shù)高達(dá)90%[4-8]。

我國(guó)灌區(qū)水利工程的信息化起步較晚，對(duì)有計(jì)量功能的測(cè)控一體化閘門的研究尚在起步階段，分水控制和流量測(cè)驗(yàn)基本依靠配水員的手動(dòng)操作和經(jīng)驗(yàn)估算，信息管理水平低,工作效率低，與灌區(qū)信息化建設(shè)的要求有很大差距。國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴，安裝條件苛刻，水情環(huán)境適應(yīng)性差，數(shù)據(jù)安全和保密無(wú)法解決，野外惡劣環(huán)境下，產(chǎn)品的可靠性不高，無(wú)法做到全面推廣使用。

因此研發(fā)了一款能集精確水位流量計(jì)量、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、水量記錄、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)、無(wú)線通訊等功能齊全的智能測(cè)控化一體化閘門裝置，實(shí)現(xiàn)高效科學(xué)用水、提高灌區(qū)信息化水平，積極推進(jìn)農(nóng)田灌溉用水總量控制，促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水和農(nóng)業(yè)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

1 測(cè)控一體化閘門硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控一體化閘門總體設(shè)計(jì)按照“硬件協(xié)同、軟件集成、閉環(huán)控制”的理念，將自動(dòng)控制閘門、水位流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)軟件集成為測(cè)控一體化的智能系統(tǒng)，水位流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)反饋輸入，閉環(huán)控制閘門開度，從而實(shí)現(xiàn)按指定指令參數(shù)運(yùn)行(水位、流量、閘門開度)[9]。其硬件設(shè)計(jì)包括閘門機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、水位流量測(cè)量系統(tǒng)、電源系統(tǒng)，見圖1。

圖1 測(cè)控一體化閘門設(shè)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(tǒng)包括太陽(yáng)能架桿和支架、太陽(yáng)能電池板、蓄電池組、充電控制器，見圖2。

圖2 測(cè)控一體化閘門設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of measurement and control integrated gate

水位流量采集系統(tǒng)采用高精度的超聲波水位計(jì)，實(shí)時(shí)采集測(cè)量箱內(nèi)水位，通過(guò)3層超聲波時(shí)差法流速儀測(cè)量每層流速，通過(guò)聲學(xué)時(shí)差法流速儀測(cè)得順、逆流方向的超聲波傳輸時(shí)間差計(jì)算出測(cè)線平均流速，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)率定獲得率定測(cè)線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)系數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量獲取的水位與斷面面積關(guān)系計(jì)算斷面和流量。并上傳給控制器和上位機(jī)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行全自動(dòng)配水及計(jì)費(fèi)等。

控制系統(tǒng)將采集到的流量信息和終端用戶發(fā)送的控制指令信息進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，根據(jù)用戶指令控制閘門的開、關(guān)、停。驅(qū)動(dòng)模塊采用直流高精度啟閉機(jī)，利用現(xiàn)有閘門的螺桿啟閉機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制要求準(zhǔn)確定位?，F(xiàn)地人機(jī)交互模塊是通過(guò)現(xiàn)地控制裝置控制閘門，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,電動(dòng)操控閘門開、關(guān)及停止，同時(shí)支持無(wú)電源情況下或緊急情況下手搖提閘功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門的手動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地手動(dòng)控制、現(xiàn)地自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制3種控制方式，采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)采集水位、閘位和流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用電子越限和機(jī)械越限2種保護(hù)手段，控制三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)，具有過(guò)流、過(guò)壓和缺相保護(hù)，并采用光電隔離防雷保護(hù)[10-13]。現(xiàn)場(chǎng)安裝圖見圖3。

圖3 測(cè)控一體化閘門現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.3 Site installation drawing of measurement and control integrated gate

2 測(cè)控一體化閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閘門監(jiān)控系統(tǒng)軟件集成閘門及被控設(shè)備的監(jiān)視及控制，在實(shí)現(xiàn)閘門自控算法的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)的管理，見圖4。

圖4 測(cè)控一體化閘門監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊Fig.4 Function module for monitoring and controlling integrated gate system

(1)主控窗口。人機(jī)交互主界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)及報(bào)警的顯示，閘門運(yùn)行模擬顯示，閘門控制按鈕、閘門開度、恒水位和恒流量參數(shù)輸入，控制權(quán)限的顯示與切換。

(2)閘門控制。實(shí)現(xiàn)水位流量的數(shù)據(jù)采集和閘門運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集，根據(jù)閘門運(yùn)行方式和輸入?yún)?shù)，生成運(yùn)行指令，遠(yuǎn)程控制閘控站運(yùn)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(rèn)，閘位值發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)控制柜負(fù)責(zé)將閘門啟閉到指定開度，然后復(fù)位此命令。定流量控制：可以根據(jù)現(xiàn)時(shí)流量調(diào)節(jié)閘門開度，從而調(diào)節(jié)閘后流量到需要的數(shù)值。定水位控制：可以根據(jù)實(shí)時(shí)的閘前、閘后水位調(diào)節(jié)閘門開度，從而調(diào)節(jié)水位到需要的數(shù)值[14,15]。監(jiān)控系統(tǒng)界面見圖5，控制動(dòng)畫界面見圖6。

圖5 測(cè)控一體化閘門監(jiān)控系統(tǒng)界面Fig.5 The interface of monitoring and controlling integrated gate system

圖6 測(cè)控一體化閘門控制動(dòng)畫界面Fig.6 The animation interface of monitoring and controlling integrated gate system

(3)數(shù)據(jù)處理。進(jìn)行閘控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，是監(jiān)控程序主要功能模塊，負(fù)責(zé)所有閘控站點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、圖示、打印等工作。所有數(shù)據(jù)均記錄到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。按一定的時(shí)間間隔和一定的參數(shù)變化幅度記錄水位、閘位、流量、狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄操作人員對(duì)各閘控站閘門的操作命令，包括操作時(shí)間、操作人員及具體動(dòng)作命令。記錄閘門超限、通訊故障、閘門故障等報(bào)警信息。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)生成歷史曲線或直方圖，生成日、月、年報(bào)表。

(4)報(bào)警管理。在閘門運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行狀態(tài)和信息被實(shí)時(shí)監(jiān)控，作為閘門運(yùn)行動(dòng)作的前提判斷條件，防止發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作無(wú)法調(diào)節(jié)，更重要的是防止損壞設(shè)備。當(dāng)監(jiān)測(cè)信息出現(xiàn)越限或邏輯矛盾時(shí)，則啟動(dòng)緊急停機(jī)報(bào)警。報(bào)警包括現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警并同時(shí)發(fā)送警戒信息至調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)，在軟件界面上顯示報(bào)警信息并記錄存儲(chǔ)報(bào)警數(shù)據(jù)。

(5)通信管理。后臺(tái)通信驅(qū)動(dòng)，是監(jiān)控系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集、命令下達(dá)均通過(guò)調(diào)用此模塊實(shí)現(xiàn)。

(6)系統(tǒng)管理。增加、刪除用戶，修改用戶權(quán)限，系統(tǒng)按用戶組來(lái)分配操作權(quán)限，劃分為操作員組、管理員組。操作員組的成員一般只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的日常操作；管理員組負(fù)責(zé)運(yùn)行參數(shù)等功能的設(shè)置，并對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分配或收回指定操作人員對(duì)指定閘門的操作權(quán)限，限制操作人員對(duì)操作記錄的修改，修改密碼及退出系統(tǒng)。

3 測(cè)控一體化閘門的調(diào)控機(jī)制

系統(tǒng)初始調(diào)節(jié)，控制軟件設(shè)置預(yù)期給定，假定閘位和流量成線性關(guān)系，依據(jù)當(dāng)前流量、設(shè)計(jì)流量、當(dāng)前閘位，推算出預(yù)期閘位，閘門調(diào)節(jié)至預(yù)期值，等待動(dòng)作時(shí)間間隔到達(dá)，比對(duì)當(dāng)前流量和預(yù)期流量差值，依據(jù)上個(gè)調(diào)節(jié)階段的數(shù)據(jù)，推算下次閘位需要上升或下降的數(shù)值，如果此數(shù)值小于閘位動(dòng)作死區(qū)則閘門停止調(diào)節(jié)，等待下次動(dòng)作時(shí)間間隔達(dá)到，再進(jìn)行判斷，如果此數(shù)值大于閘位動(dòng)作死區(qū)，按推算出的數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于閘門恒流量、恒水位控制是一個(gè)時(shí)變、非線性和分布參數(shù)被控對(duì)象，一般 PID 控制其靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)難以滿足配水要求，特別對(duì)超調(diào)難以抑制，在此基礎(chǔ)上引入帶自學(xué)習(xí)功能的智能 PID 控制算法，以一般 PID 作為基礎(chǔ)控制層，當(dāng)系統(tǒng)偏差較大時(shí)，利用上層自學(xué)習(xí)智能控制器的多模態(tài)控制，修正基礎(chǔ)層 PID 控制器的輸出，以壓低超調(diào)。當(dāng)系統(tǒng)偏差小于某閾值按一般 PID 控制，見圖7。

圖7 測(cè)控一體化閘門調(diào)制機(jī)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(shí)時(shí)控制時(shí)取:q0=0.8，q1=-0.95，q2=0.2，采樣周期T=20 s。

(2)帶自學(xué)習(xí)功能的智能PID控制算法。上層智能控制器由數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、自學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和推理控制策略組成。數(shù)據(jù)庫(kù)是用來(lái)存儲(chǔ)被調(diào)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(shù)q0、q1、q2以及推理的中間結(jié)果等。

4 結(jié) 論

本文研發(fā)了一種集精確的流量計(jì)量、高精度閘門控制、全太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和無(wú)線通訊功能于一體的智能測(cè)控化一體化閘門裝置，是閘門聯(lián)動(dòng)控制和灌區(qū)信息化解決方案的基礎(chǔ)。采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)閘門進(jìn)行輕量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)功率小，手自一體，可以利用太陽(yáng)能浮充蓄電池供電，解決灌區(qū)大面積無(wú)交流電，只能用手動(dòng)控制閘門的情況；采用無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，解決了國(guó)外進(jìn)口同類設(shè)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(xué)習(xí)的PID控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)水，提高了輸配水的控制精度和時(shí)效，解決了渠道末端控制問(wèn)題。

系統(tǒng)建成后可在第一時(shí)間對(duì)閘門進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，縮短閘門啟閉運(yùn)行時(shí)間，減少水資源浪費(fèi)，有效地提高系統(tǒng)設(shè)備的可靠性和自動(dòng)化水平，完成對(duì)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，消除設(shè)備運(yùn)行隱患，確保設(shè)備的完好率和可用率，減輕運(yùn)行人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值班。