向旭華 史中興 許卓寧 秦志強(qiáng) 于樹利

摘?要：根據(jù)黃河流域引黃灌區(qū)引水多泥沙、易淤積的特點(diǎn)，采用電子、自動(dòng)控制、物聯(lián)通信、防盜防破壞等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)了適合手動(dòng)閘門量水控制的手改電閘門測(cè)控一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了太陽能供電裝置，將手動(dòng)閘門改造成電動(dòng)閘門進(jìn)行控制，閘門下游設(shè)計(jì)安裝超聲波水位計(jì)測(cè)量閘門下游標(biāo)準(zhǔn)堰槽處的水位及流量，并作為反饋值反饋給閘門控制單元，通過內(nèi)置控制算法程序驅(qū)動(dòng)閘門啟閉機(jī)實(shí)現(xiàn)閘門閘位、水位及過閘流量的動(dòng)態(tài)控制;系統(tǒng)上位應(yīng)用管理軟件引入智能PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)在引黃灌區(qū)開展應(yīng)用，解決了引黃灌區(qū)手動(dòng)閘門長(zhǎng)期靠人工計(jì)量與控制造成的測(cè)控精度低、實(shí)時(shí)性差問題，實(shí)現(xiàn)了手改電閘門的水位、閘位及流量的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：手改電閘門;測(cè)控一體化技術(shù);引黃灌區(qū)

中圖分類號(hào)：TP23;TP319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.033

Realization and Application of Integrated Measurement and Control

Technology of Manual to Electric Gate

XIANG Xuhua1，SHI Zhongxing2，XU Zhuoning3，QIN Zhiqiang3，YU Shuli3

（1. Jiuquan Water Affairs Bureau，Jiuquan 735000，China; 2. Gansu Jingtaichuan Electric Power Lifting Irrigation Administration

Bureau，Jingtai 730400，China; 3. Tangshan Modern Industrial Control Technology Co.， Ltd.，Tangshan 063020，China）

Abstract： According to the characteristics of sediment and siltation in the irrigation area of the Yellow River basin， the integrated monitoring and control system of the hand-changed electric gate was developed by using the key technologies of electronics， automatic control， communication between objects， anti-theft and anti-destruction. Solar power supply system was designed in the system. The manual gate was transformed into an electric gate for control. An indirect ultrasonic water level meter was installed downstream of the gate to measure the water level and flowed at the standard weir channel downstream of the gate. The feedback value was fed back to the gate control unit and the gate was driven by the built-in control algorithm program. The hoist realized the dynamic control balance of gate level， water level and flowed through the gate; the upper application management software of the system introduced the second-order system and the intelligent PID control algorithm with self-learning function of self-learning PID， and explored and designed the application management software suitable for the integrated monitoring and control system of the hand-changed gate. The system had been applied in the irrigation area of the Yellow River diversion. It had solved the old and difficult problems of the manual gate in the irrigation area of the Yellow River diversion， such as long-term manual measurement and control， low measurement and control and poor real-time performance， and had realized the remote automatic control of the water level， gate level and flow of the manual gate.

Key words： manual to electric gate; integration technology of measurement and control; Yellow River irrigation area

1?引?言

黃河流域有許多大型的引黃灌區(qū)，歷來是我國(guó)的糧食主產(chǎn)地。但是黃河水自古以來就有泥沙含量高、淤積嚴(yán)重等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的投入式等直接量測(cè)水方式，很難保證量測(cè)的精度，不適合水量的計(jì)量和監(jiān)控;而且手動(dòng)閘門地處野外，點(diǎn)多面廣，在供電、通信、防盜防破壞等方面存在一系列問題。長(zhǎng)期以來，引黃灌區(qū)手動(dòng)閘門的量測(cè)水方式較為落后，精度低、實(shí)時(shí)性差，難以達(dá)到水資源精細(xì)化管理的要求。

筆者從引黃灌區(qū)手動(dòng)閘門的應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，研制開發(fā)手改電閘門測(cè)控一體化系統(tǒng)，在閘門下游安裝適合量測(cè)多泥沙水流的間接式測(cè)量裝置——超聲波水位計(jì)，并將測(cè)得的下游水位、流量信息作為反饋值反饋到閘門核心控制單元，通過內(nèi)部算法及程序控制閘門啟閉機(jī)，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)閘門閘位、水位及流量調(diào)節(jié)3種模式的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，解決了灌區(qū)手動(dòng)閘門缺乏適合的測(cè)控一體化系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，測(cè)控精度低、實(shí)時(shí)性差、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、分配不均衡的問題。

2?灌區(qū)量測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家將軍工技術(shù)轉(zhuǎn)化為民用，在量測(cè)水硬件及軟件方面都較為成熟。但是從國(guó)外進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，其軟件都是配套硬件使用的，國(guó)內(nèi)灌區(qū)管理單位因價(jià)格及維護(hù)成本高，很難大量采購(gòu)，因而不能廣泛應(yīng)用。

我國(guó)自“十一五”以來進(jìn)行了灌區(qū)信息化的建設(shè)，在通信、軟件等方面取得了一定的成果。但這些成果主要針對(duì)電動(dòng)閘門，而灌區(qū)普遍存在的面向用水戶計(jì)量收費(fèi)的手動(dòng)閘門，地處野外，受供電、防護(hù)設(shè)施及通信網(wǎng)絡(luò)的限制，特別是黃河流域各引黃灌區(qū)因引水多泥沙、渠道易淤積等，一直難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，大多采用人工操作量測(cè)水位，手工計(jì)算流量，導(dǎo)致測(cè)控精度低、實(shí)時(shí)性差等問題。

3?閘門測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

從引黃灌區(qū)手動(dòng)閘門的實(shí)際情況出發(fā)，采用電子、自動(dòng)控制、物聯(lián)通信、防盜防破壞等技術(shù)對(duì)手動(dòng)閘門測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，總體思路是在手動(dòng)閘門現(xiàn)地建立太陽能供電系統(tǒng)，給測(cè)控系統(tǒng)供電，將手動(dòng)閘門改造成電動(dòng)閘門進(jìn)行監(jiān)控，并研發(fā)閘門調(diào)控器作為閘門的核心監(jiān)控儀表，外圍配以閘門運(yùn)行電路、通信接口閘門減速機(jī)、啟閉機(jī)及閘位傳感器等，形成測(cè)控一體閘門，并在閘門的下游標(biāo)準(zhǔn)堰槽處安裝超聲波水位計(jì)，采用間接式測(cè)量方法測(cè)量水位、流量，解決了因渠道水含沙量高、易淤積而導(dǎo)致的測(cè)量精度低的問題。超聲波水位計(jì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)堰槽的水位及流量，作為閘門調(diào)控器的水位及流量反饋值，并通過內(nèi)部量水算法，與閘門的閘位等設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中實(shí)現(xiàn)手改電閘門的恒水位、恒流量、恒閘位的自動(dòng)控制及動(dòng)態(tài)平衡。

4?系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1?測(cè)控一體閘門

測(cè)控一體閘門包含閘門調(diào)控器、通信接口、閘門運(yùn)行電路、閘門減速電動(dòng)機(jī)及閘位傳感器，見圖1。閘門調(diào)控器分別連接通信接口、閘門運(yùn)行電路，閘門運(yùn)行電路連接閘門減速電動(dòng)機(jī)，通信接口為現(xiàn)地?zé)o線通信接口或遠(yuǎn)程無線通信接口，也可二者兼有。

測(cè)控一體閘門具有恒流量、恒水位、恒閘位3種控制模式。

4.1.1?恒流量控制模式

測(cè)控一體閘門經(jīng)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)或手持智能設(shè)備獲取閘門流量給定值，閘門量水監(jiān)測(cè)設(shè)備經(jīng)通信接口從測(cè)控一體閘門獲取閘位傳感器的數(shù)據(jù)，作為閘門流量反饋值。當(dāng)閘門流量反饋值與閘門流量給定值的差值超過規(guī)定的范圍時(shí)，閘門調(diào)控器通過閘門運(yùn)行電路控制閘門減速電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)閘門啟閉機(jī)，使閘門流量反饋值與閘門流量設(shè)定值的差值達(dá)到規(guī)定范圍;當(dāng)渠道條件變化導(dǎo)致閘門流量反饋值變化，與閘門流量給定值的差值超過規(guī)定范圍時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)，再次使閘門流量反饋值與閘門流量給定值的差值達(dá)到規(guī)定范圍，從而實(shí)現(xiàn)閘門流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.1.2?恒水位控制模式

測(cè)控一體閘門經(jīng)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)或手持智能設(shè)備上獲取閘門下游的水位給定值，閘門量水監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)的水位值作為水位反饋值，當(dāng)水位反饋值與給定值的差值超過規(guī)定范圍時(shí)，閘門調(diào)控器通過閘門運(yùn)行電路控制閘門減速電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)閘門啟閉機(jī)，使閘門水位反饋值與閘門水位設(shè)定值的差值達(dá)到規(guī)定范圍;當(dāng)閘門情況發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致閘門量水監(jiān)測(cè)設(shè)備的水位反饋值發(fā)生變化，與閘門下游水位給定值的差值超過規(guī)定范圍時(shí)，再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，使閘門下游水位反饋值與閘門下游水位給定值的差值達(dá)到允許范圍，從而實(shí)現(xiàn)閘門下游水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

4.1.3?恒閘位控制模式

測(cè)控一體閘門經(jīng)遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)或手持智能設(shè)備上獲取閘門閘位給定值，閘門調(diào)控器通過閘門運(yùn)行電路控制閘門減速電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)閘門啟閉機(jī)，使閘門閘位反饋值與閘門閘位設(shè)定值的差值達(dá)到規(guī)定的范圍，并使閘門保持現(xiàn)有的閘位狀態(tài)運(yùn)行。

4.2?物聯(lián)螺桿閘位傳感器

灌區(qū)手動(dòng)閘門一般都是平板螺桿閘，在長(zhǎng)期的使用過程中因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及人為操作因素，螺桿或多或少存在一定的彎曲，閘門傳感器與螺桿的靠近安裝嚙合方式，勢(shì)必造成閘位傳感器與螺桿脫齒、頂齒的現(xiàn)象發(fā)生，從而影響閘門傳感器的測(cè)量精度。將閘位傳感器、限位保護(hù)裝置集成為閘門隨動(dòng)系統(tǒng)，使閘位傳感器保持與螺桿緊密嚙合，同時(shí)又防止脫齒、丟齒的情況發(fā)生，大大提高了閘位的測(cè)量精度。

物聯(lián)螺桿閘位傳感器包含單片機(jī)電路、螺桿、底板、可調(diào)板、壓板、可調(diào)測(cè)齒傳感器、無線通信模塊、鋰電池和防水殼。底板上設(shè)有可調(diào)板、壓板和防水殼，可調(diào)板、壓板和防水殼之間的底板上設(shè)有可調(diào)孔，螺桿置于可調(diào)孔中，單片機(jī)電路、無線通信模塊和鋰電池設(shè)置在防水殼內(nèi)，無線通信模塊及鋰電池分別連接單片機(jī)電路，單片機(jī)電路通過線路連接防水殼外的可調(diào)測(cè)齒傳感器，可調(diào)測(cè)齒傳感器與螺桿接觸匹配，可調(diào)板的兩側(cè)設(shè)有滑道，通過定位螺栓與滑道連接，可調(diào)板與螺桿相接處匹配，從而保證閘位傳感器與螺桿緊密嚙合。

4.3?太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池、防雷接地系統(tǒng)、太陽能支架及蓄電池箱體組成，其中防雷接地系統(tǒng)包括避雷針、接閃器、接地線及接地極等。

太陽能電池板根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)啟閉機(jī)的噸位及測(cè)控一體閘門運(yùn)行耗電量進(jìn)行選擇。太陽能供電系統(tǒng)通過電源轉(zhuǎn)換模塊將電源連接到閘門調(diào)控器，由閘門調(diào)控器通過閘門運(yùn)行電路驅(qū)動(dòng)閘門減速電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)閘門啟閉機(jī)完成閘門的升降。

4.4?閘門量水監(jiān)測(cè)設(shè)備

閘門量水監(jiān)測(cè)設(shè)備通常為一體化超聲波水位計(jì)，在有坡降的條件下安裝在閘門下游的標(biāo)準(zhǔn)堰槽處。超聲波水位計(jì)采集的水位信息通過現(xiàn)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酵ㄐ沤涌冢M(jìn)而傳輸給閘門調(diào)控器。閘門調(diào)控器通過內(nèi)置算法進(jìn)行反饋值與設(shè)定值比對(duì)，當(dāng)反饋值與設(shè)定值的差值在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，完成閘門的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)過閘流量的控制。

一體化超聲波水位計(jì)安裝載體為配套研發(fā)的一體化測(cè)井。水位計(jì)測(cè)井通常安裝在測(cè)橋上，水位計(jì)測(cè)井與測(cè)橋砌筑在一起，即測(cè)井與測(cè)橋同時(shí)砌筑、同時(shí)安裝，縮短了一體化超聲波水位計(jì)的施工周期，降低了造價(jià)。水位計(jì)安裝時(shí)，只需將水位計(jì)投入測(cè)井中，即完成安裝，省時(shí)省力，簡(jiǎn)單方便。測(cè)井上部安裝防盜帽，對(duì)水位計(jì)起防盜防破壞的作用。

4.5?測(cè)控一體閘門的防護(hù)

測(cè)控一體閘門防護(hù)外殼采用一體化設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)為IP65。外部防盜門采用專利技術(shù)研發(fā)的防盜鎖，防盜鎖采用專用的鑰匙才能打開，減少了野外破壞，對(duì)野外安裝設(shè)備起到了防護(hù)和防盜的作用。

4.6?上位應(yīng)用管理軟件

軟件基于.net Frame Work、C#程序設(shè)計(jì)語言和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以B/S模型為主，部分通過C/S模型程序輔助的開發(fā)方案。軟件開發(fā)過程中綜合運(yùn)用了分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式計(jì)算、地理信息系統(tǒng)、多媒體、基于Ajax的B/S模式實(shí)時(shí)信息處理、COMET等技術(shù)[1]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)軟件的調(diào)控算法進(jìn)行深入研究，引入了二階系統(tǒng)及自學(xué)習(xí)PID的智能PID控制算法[2]，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定運(yùn)行。

5?系統(tǒng)應(yīng)用

手改電閘門測(cè)控一體化系統(tǒng)在甘肅景電灌區(qū)得到了應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了閘門控制精度及灌溉水利用系數(shù)，降低了人員費(fèi)用，提高了信息化水平。

6?結(jié)?語

手改電閘門測(cè)控一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌區(qū)手動(dòng)閘門水位、閘位及流量等的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，改變了原來灌區(qū)手動(dòng)閘門依靠人工監(jiān)測(cè)、手工計(jì)算導(dǎo)致的監(jiān)控精度低、實(shí)時(shí)性差、灌溉水利用系數(shù)低、調(diào)配不均衡等問題，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)閘門的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制與調(diào)節(jié)，為引黃灌區(qū)實(shí)現(xiàn)全方位信息化建設(shè)提供了可靠的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]?于樹利，馬月坤，許卓寧.灌區(qū)渠道一體化量水裝置及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33（5）：7-9.

[2]?葛一楠，唐毅謙，喻曉紅，等.自動(dòng)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016：105-107.

【責(zé)任編輯?許立新】