馬中長(zhǎng)，耿 琳

(1.四川省綿陽(yáng)武都引水工程建設(shè)管理局，四川 綿陽(yáng)，621700；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

1 武都引水工程概況

武都引水工程是四川省“五橫六縱”引水補(bǔ)水網(wǎng)絡(luò)中“六縱”之一，以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼防洪、發(fā)電、城鄉(xiāng)供水、航運(yùn)、旅游開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)保等綜合利用的大型骨干水利工程，被小平同志譽(yù)為“第二個(gè)都江堰”，也是天府四川“再造一個(gè)都江堰灌區(qū)”重點(diǎn)戰(zhàn)略性工程，該工程全面建成后，灌溉從川西北到川東北的綿陽(yáng)、遂寧、廣元和南充4地市10區(qū)市縣21.8萬(wàn)hm2，受益人口1000余萬(wàn)，全力支撐著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。武都引水工程主要由武都水庫(kù)、取水樞紐、總干渠及其配套的各級(jí)渠系、渠系電站、提灌站和囤蓄水庫(kù)組成。全灌區(qū)規(guī)劃六級(jí)渠道119條，總長(zhǎng)2109km。

近年來(lái)，隨著武都引水二期工程逐步建成，武都引水工程將從工程建設(shè)為主轉(zhuǎn)入工程供水管理為主的局面，從降低管理成本、提高工作效率、減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度出發(fā)，需要考慮大力開(kāi)展工程節(jié)制(供水)閘門(mén)和放水洞的自動(dòng)計(jì)量、遠(yuǎn)程監(jiān)控和視頻監(jiān)視的建設(shè)工作，以逐步實(shí)現(xiàn)武都引水工程供水管理智能化。

2 武引灌區(qū)閘門(mén)智能控制的必要性

閘門(mén)是用于關(guān)閉和開(kāi)放泄(放)水通道的控制設(shè)施，是水工建筑物的重要組成部分，可用于攔截水流、控制水位、調(diào)節(jié)流量、排放泥沙和漂浮物等。閘門(mén)測(cè)流是利用已有水工建筑物，監(jiān)測(cè)閘前后水位、閘門(mén)開(kāi)度等參數(shù)，結(jié)合原有建筑物水工模型計(jì)算過(guò)閘流量。

先進(jìn)的閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)是高效、可靠的水資源調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)，閘門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化的關(guān)鍵[1]。閘門(mén)自動(dòng)控制可以提高灌區(qū)供水的準(zhǔn)確性和水資源的使用效率，同時(shí)降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高配水管理水平、灌溉效益和灌區(qū)現(xiàn)代化水平。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)閘門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)灌區(qū)精準(zhǔn)量水控水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理都有重要意義[2]。

武都灌區(qū)供水渠道有上千公里，戰(zhàn)線長(zhǎng)，距離遙遠(yuǎn)，舟車(chē)勞頓、人員辛苦，現(xiàn)有幾十個(gè)渠道供水交接位置的節(jié)制閘門(mén)和數(shù)百個(gè)放水洞，分水控制和流量掌握基本上都是靠水管人員手動(dòng)操作和經(jīng)驗(yàn)估算，人為因素較大，計(jì)量準(zhǔn)確性可變幅度值較大，管理水平低下，管理效率低下。隨著武引二期的即將建成通水、武引三期的籌建，武引灌區(qū)供水節(jié)制閘門(mén)、泄洪閘門(mén)、放水洞等水工建筑物將更多，而且這些閘門(mén)放水洞普遍建設(shè)在丘陵低山的半坡上。按照原有管理模式，日常管理需要大量的水管人員長(zhǎng)途跋涉去現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)啟或者關(guān)閉閘門(mén)，耗時(shí)耗力，效率低下，與灌區(qū)信息化建設(shè)的要求差距較大[3]，迫切需要對(duì)供水渠道交接位置的節(jié)制閘門(mén)和一年四季給水電站、自來(lái)水廠供水的渠道入口閘門(mén)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，將流量測(cè)量、閘門(mén)前水位調(diào)節(jié)控制和閘門(mén)開(kāi)度控制結(jié)合成一個(gè)整體來(lái)調(diào)控渠道水量，實(shí)現(xiàn)可視化的閘門(mén)遠(yuǎn)程智能控制，提高灌區(qū)管理的現(xiàn)代化水平。

3 智能終端在武引灌區(qū)閘控系統(tǒng)中的應(yīng)用

武引一期閘門(mén)智能監(jiān)控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐，智能終端通過(guò)下位機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量收集閘門(mén)前后水位、閘門(mén)開(kāi)度、影像等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)向用戶發(fā)送水情信息。根據(jù)預(yù)先設(shè)置水力學(xué)公式計(jì)算流量，分析處理數(shù)據(jù)形成決策信息；根據(jù)用戶提供的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃用水等信息，向閘門(mén)發(fā)出操作指令，啟閉電機(jī)操控閘門(mén)開(kāi)度，輔助視頻監(jiān)控查看自動(dòng)閘控是否執(zhí)行準(zhǔn)確，對(duì)渠道閘門(mén)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)水資源的精準(zhǔn)計(jì)量控制。硬件系統(tǒng)包括閘門(mén)機(jī)械系統(tǒng)、閘門(mén)控制系統(tǒng)、水位流量測(cè)量系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等[4]。

圖1 閘門(mén)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心通常有兩種建設(shè)方式，用戶早期使用通用組態(tài)軟件平臺(tái)，成本低，實(shí)施簡(jiǎn)單，當(dāng)場(chǎng)景搭建起來(lái)后，能發(fā)現(xiàn)更多的軟件實(shí)際需求，通用組態(tài)軟件平臺(tái)屬于二次開(kāi)發(fā)，功能相對(duì)固定，在后期設(shè)備增多的情況下，通常會(huì)選擇定制專(zhuān)用的監(jiān)控中心軟件。

本次武引灌區(qū)的監(jiān)控方案采用定制開(kāi)發(fā)的“智慧武引平臺(tái)”，GRM230終端為控制大腦，終端提供標(biāo)準(zhǔn)的WEB訪問(wèn)接口，軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)可以輕松獲取數(shù)據(jù)，制作自己的數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，無(wú)需了解任何PLC底層通訊協(xié)議。智能終端通過(guò)本機(jī)IO直接連接現(xiàn)場(chǎng)的4路模擬量4路開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)。具有可編程的4路繼電器開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，作為閘門(mén)升降控制與告警輸出使用，內(nèi)置邏輯編程功能，可獨(dú)立當(dāng)成一個(gè)小型PLC使用，降低用戶系統(tǒng)投資成本，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程組態(tài)軟件監(jiān)控、電腦網(wǎng)頁(yè)與手機(jī)APP監(jiān)控。集成了數(shù)據(jù)釆集、運(yùn)算、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控等為一體的工控結(jié)構(gòu)，徹底解決傳統(tǒng)GRPS DTU不穩(wěn)定、速度慢、使用復(fù)雜的問(wèn)題。智能終端自帶的4G無(wú)線通信功能，可以使用電信、移動(dòng)、聯(lián)通等三大通信運(yùn)營(yíng)商的流量卡，有一個(gè)網(wǎng)口可以接入網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，傳輸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻圖像到工作人員的計(jì)算機(jī)或手機(jī)。系統(tǒng)的采集與控制都設(shè)置了嚴(yán)格的權(quán)限管理，傳輸采用銀行級(jí)數(shù)據(jù)加密技術(shù)，云平臺(tái)通過(guò)賽門(mén)鐵克安全認(rèn)證，阿里云硬件防火墻確保數(shù)據(jù)安全。

4 技術(shù)應(yīng)用成效

(1)系統(tǒng)利用巨控遠(yuǎn)程4G通訊模塊和云安全平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)交換功能，在各種場(chǎng)合靈活地傳輸數(shù)據(jù)，不受距離和環(huán)境限制，適用于各種不方便拉線的現(xiàn)場(chǎng)，比如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量或模擬量傳輸，遠(yuǎn)程報(bào)警顯示，遠(yuǎn)程PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)取２捎梅荲PN透?jìng)?，PLC無(wú)需增加通訊程序，定時(shí)傳輸和智能閥值判斷，最大程度節(jié)約流量，配合APP使用，簡(jiǎn)單清晰，隨時(shí)隨地查看各地?cái)?shù)據(jù)情況和交換情況。

(2)系統(tǒng)的巨控4G遠(yuǎn)程通訊模塊延遲僅為200ms，滿足實(shí)時(shí)工業(yè)通訊的需求，模塊同時(shí)具備豐富的IO接口、串口、網(wǎng)口，內(nèi)置可編程功能，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和邏輯控制。當(dāng)輸入(輸出)點(diǎn)位滿足應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)GRM230智能終端就可以當(dāng)作為一個(gè)小型PLC使用，且該產(chǎn)品具有路由器功能，通過(guò)該智能終端十分方便將現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像上傳，節(jié)省了另外部署視頻圖像傳輸通道的費(fèi)用[5]。

(3)將太陽(yáng)能電池板提供能源給蓄電池充電并儲(chǔ)存的技術(shù)，應(yīng)用于水利工程邊遠(yuǎn)地區(qū)的工程管理、控制，不用花費(fèi)高昂費(fèi)用架設(shè)交流供電線路，達(dá)到投資省、施工快速、供電可靠、設(shè)備工作穩(wěn)定的效果，在小型水利工程項(xiàng)目中有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

(4)系統(tǒng)將串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于武引灌區(qū)閘控系統(tǒng)，作為水利工程閘門(mén)啟閉機(jī)的升降動(dòng)力源，控制接線簡(jiǎn)單，正反轉(zhuǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，且基本上沒(méi)有維護(hù)工作。

(5)系統(tǒng)將工業(yè)注塑系統(tǒng)的位移測(cè)量傳感器變通，用于水利工程小微型閘門(mén)的開(kāi)度測(cè)定，實(shí)現(xiàn)了水利工程閘門(mén)位移測(cè)量毫米級(jí)別的效果。

(6)武引灌區(qū)首次將DN300mm的管道式電磁流量計(jì)應(yīng)用于實(shí)時(shí)流量測(cè)定，測(cè)量范圍是100m3/h～1000m3/h，0.02778m3/s～0.2778m3/s(武引工程涪梓干渠下段46號(hào)放水洞設(shè)計(jì)放水流量是0.25m3/s)。

武引工程通過(guò)2個(gè)放水洞13個(gè)節(jié)制(泄洪、供水)閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)際運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)閘門(mén)放水計(jì)量和統(tǒng)計(jì)水量值，遠(yuǎn)程升降(開(kāi)關(guān))閘門(mén)(閘閥)和監(jiān)測(cè)閘門(mén)開(kāi)度、閘門(mén)狀態(tài)，形成歷史數(shù)據(jù)。一個(gè)智能終端就完成自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)的采集與上傳下達(dá)、現(xiàn)場(chǎng)視頻上傳，且是加密傳輸，日常通信運(yùn)行費(fèi)用低，120G通信流量可以滿足一個(gè)智能終端一年需求。

5 實(shí)現(xiàn)的功能

武都引水工程灌區(qū)在實(shí)施閘門(mén)自動(dòng)控制工程中，充分發(fā)揮了GRM230智能終端具有的實(shí)用性強(qiáng)、技術(shù)支持及時(shí)、后續(xù)服務(wù)到位、云平臺(tái)功能強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)可量、可控、可視的多項(xiàng)功能，滿足了現(xiàn)場(chǎng)管理的要求。

5.1 實(shí)現(xiàn)了可視化的閘控功能

以前的灌區(qū)閘控都是系統(tǒng)自動(dòng)啟閉電機(jī)控制閘門(mén)，無(wú)法看到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)工作情況，閘門(mén)是否達(dá)到了預(yù)設(shè)的開(kāi)度，是否失控造成了安全事故難以知曉。實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控以后，不僅很好地解決了以上問(wèn)題，還可以實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)和手機(jī)APP觀看閘門(mén)工況和水流情況，便于異地遠(yuǎn)程控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多人共享會(huì)商等功能。

圖2 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制界面

5.2 實(shí)現(xiàn)了流量的采集計(jì)算和統(tǒng)計(jì)功能

實(shí)現(xiàn)了利用傳感器自動(dòng)采集計(jì)算供水閘門(mén)(或放水洞)下泄水流的流量值(根據(jù)閘前水位值和閘門(mén)開(kāi)啟高度值自動(dòng)計(jì)算)、放水過(guò)程的累積水量值。改造前，節(jié)制(放水洞)閘門(mén)的放水水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一般是按天或供水時(shí)段進(jìn)行人工觀測(cè)統(tǒng)計(jì)；改造后，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)閘前水位和閘門(mén)開(kāi)度值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定計(jì)算下泄水流的流量，按秒鐘累積統(tǒng)計(jì)供水的水量，科學(xué)高效地提高了輸配水的準(zhǔn)確性。

5.3 實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃供水功能

計(jì)劃供水是灌區(qū)用水管理的重要內(nèi)容，以前的計(jì)劃用水管理完全依靠管理人員的經(jīng)驗(yàn)估算，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的計(jì)劃供水；本次改造后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際放水水量達(dá)到計(jì)劃供水量值時(shí)閘門(mén)(閘閥)就自動(dòng)關(guān)閉的功能，可以逐步實(shí)現(xiàn)付費(fèi)取水的方式，即根據(jù)繳納的水費(fèi)數(shù)額下放相應(yīng)的水量，促使水利工程管理更加科學(xué)化、人性化、現(xiàn)代化、工程運(yùn)行數(shù)字化。為了便于維修和突發(fā)狀況，系統(tǒng)保留現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和手搖升降閘門(mén)的功能。

5.4 實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化管理功能

利用智能終端改造了閘門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了在辦公室計(jì)算機(jī)或者個(gè)人手機(jī)上遠(yuǎn)程視頻控制閘閥，可同時(shí)監(jiān)測(cè)(監(jiān)控)多個(gè)放水洞或放水閘門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，還可以視頻查看現(xiàn)場(chǎng)閘控啟閉是否準(zhǔn)確以及實(shí)時(shí)工況等情況，實(shí)現(xiàn)了武引工程渠道中的節(jié)制(泄洪)閘門(mén)、放水洞等放水過(guò)程的所有數(shù)據(jù)數(shù)字化、閘門(mén)運(yùn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化、放水成果追溯可查有依據(jù)、管理工作精細(xì)化。避免了放人情水、計(jì)量不及時(shí)、水量統(tǒng)計(jì)離散性大、計(jì)量準(zhǔn)確性差(一般是按天或供水時(shí)段、至少是按小時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì))、大幅度降低了工程管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度提高了灌區(qū)的管理水平。

6 建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及建議

武都引水工程灌區(qū)在應(yīng)用巨控科技GRM230智能終端進(jìn)行閘門(mén)控制的實(shí)踐中，充分發(fā)揮了智能終端具有的實(shí)用性強(qiáng)、技術(shù)支持及時(shí)、后續(xù)服務(wù)到位、云平臺(tái)功能強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，滿足了現(xiàn)場(chǎng)使用要求?？偨Y(jié)武引一期閘門(mén)智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行期間的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類(lèi)似灌區(qū)的閘控建設(shè)提出如下建議：

(1)灌區(qū)閘門(mén)及放水洞自動(dòng)化改造工作，適宜“一閘(洞)一策”的模式，尤其是每一個(gè)放水洞的組成結(jié)構(gòu)不一樣，有的是閘閥而出水管是鋼管，有的是閘門(mén)而出水管是水泥管，需要選擇符合精度要求的流量計(jì)。推薦選擇分體式電磁流量計(jì)，其中測(cè)量單元防水等級(jí)為IP68級(jí)別，可防止因山洪暴發(fā)，雜物堵塞防護(hù)柵欄被洪水淹沒(méi)測(cè)量單元，造成設(shè)備損壞。

(2)節(jié)制(供水、放水洞)閘門(mén)的測(cè)流需要根據(jù)水位閘門(mén)開(kāi)度等指標(biāo)進(jìn)行流量計(jì)算，需要安裝傳感器測(cè)定閘前、閘后水位和閘門(mén)開(kāi)度等指標(biāo)。但是，往往由于閘前后水位計(jì)安裝位置或者閘門(mén)運(yùn)行工況不同，閘前水流紊亂水位波動(dòng)較大，直接影響到水位傳感器的讀數(shù)精度，進(jìn)而影響計(jì)算得到的通過(guò)閘門(mén)的流量，需要采取措施改善閘門(mén)前后的水流條件或者采用增加水位傳感器的方式或者率定流量的方式進(jìn)行校正。武引工程灌區(qū)在江綿分支渠供水閘門(mén)下游200m處建立了水標(biāo)尺，用轉(zhuǎn)槳式流速儀測(cè)斷面流速計(jì)算流量值進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整率定流量計(jì)算公式，提高了武引工程閘門(mén)供水計(jì)量的準(zhǔn)確度。

結(jié)合武引灌區(qū)的實(shí)際情況，在常年供水或者季節(jié)性放水的閘門(mén)(放水洞)實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門(mén)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等上傳下達(dá)，達(dá)到對(duì)閘門(mén)的智能控制(定閘門(mén)開(kāi)度自動(dòng)運(yùn)行、定水量自動(dòng)關(guān)閉閘門(mén)、自動(dòng)計(jì)算下泄水流的流量和累計(jì)水量)，實(shí)現(xiàn)了渠道供水調(diào)水的遠(yuǎn)程監(jiān)控、渠道水位與閘門(mén)狀態(tài)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視功能，可以大幅度降低管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高灌區(qū)的管理效率，節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉用水，提高灌區(qū)現(xiàn)代化水平。